油氣田地面管道中泄漏報警技術(shù)淺談范文

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《化工自動化及儀表雜志》2016年第12期

摘要：

通過對5種常用的管道泄漏報警技術(shù)原理和優(yōu)缺點的對比分析，選擇較優(yōu)的次聲波法和分布式光纖法應(yīng)用于西部某油田管道的泄漏檢測報警中，現(xiàn)場測試結(jié)果表明:次聲波法可檢測到的最小泄漏孔徑為3mm，響應(yīng)時間不大于1min，定位精度小于50m;分布式光纖法的響應(yīng)時間不大于10s，定位精度小于20m。

關(guān)鍵詞：

泄漏報警技術(shù)；油氣田地面管道；次聲波法；分布式光纖法

油氣集輸管道是油田生產(chǎn)的生命線，其基本要求是安全、高效，一旦管道發(fā)生穿孔，不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失和資源浪費，而且還會帶來安全、環(huán)境污染等一系列問題。因此，及時快速地檢測油氣泄漏，并精確定位和報警，以便采取有效措施，將損失減小到最低，不僅是目前亟待解決的技術(shù)難題，也是管道安全環(huán)保生產(chǎn)運行的主要任務(wù)，更是提高油氣田高效開發(fā)的技術(shù)保障。西部某油田腐蝕環(huán)境惡劣，管道穿孔事故多發(fā)于高含水/高含硫管線、污水/注水管線及老管線等，并跨越河流、村莊和民族聚居區(qū)，導(dǎo)致油氣泄漏的潛在風(fēng)險很高。因此，為提升管線隱患預(yù)測、風(fēng)險管控及應(yīng)急指揮等管理水平，筆者在充分調(diào)研目前的泄漏報警技術(shù)后，引進次聲波法和分布式光纖法兩種泄漏報警技術(shù)，并開展了現(xiàn)場應(yīng)用測試，對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進行了評價，以期為油田進一步推進泄漏報警裝置的應(yīng)用進而降低油氣泄漏環(huán)境安全風(fēng)險提供技術(shù)支持。

1泄漏報警技術(shù)①

20世紀(jì)70年代，德國學(xué)者Rlsermann和SiebertH首次提出了一種通過流量和壓力信號檢測管道泄漏的方法，而直到80年代末才開始進入現(xiàn)場測試和商品化應(yīng)用階段［1］。早期的管道泄漏檢測方法主要基于硬件方法(連續(xù)實時監(jiān)測受限)，而隨著現(xiàn)代控制理論和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，軟硬件相結(jié)合并以軟件為主的管道泄漏檢測方法逐漸成為研究熱點［2］，即利用控制理論、信號處理及計算機技術(shù)等對壓力、流量、密度、粘度及溫度等管道和流體信息進行采集、處理和估計，通過建立數(shù)學(xué)模型，對信號降噪并提取故障特征，從而實現(xiàn)管道安全狀態(tài)監(jiān)測和泄漏點定位報警［3］。目前，油氣田采用的管道泄漏報警方法主要有5種，分別是次聲波泄漏檢測方法、負壓波泄漏檢測方法、分布式光纖泄漏檢測方法、紅外成像泄漏檢測方法和流量平衡檢測方法。對比不同方法的原理和優(yōu)缺點(表1)［4～6］可知，次聲波法的靈敏度、定位能力及費用等各項技術(shù)指標(biāo)相對較優(yōu)，適合在油氣田推廣使用;分布式光纖法費用較高，但其靈敏度、定位能力和保護距離都有優(yōu)勢，也適合在油氣田推廣使用。

2次聲波法的測試應(yīng)用

2．1技術(shù)原理和系統(tǒng)組成

西部某油田根據(jù)實際生產(chǎn)需要，選擇一條典型原油管道作為次聲波法泄漏報警系統(tǒng)投運前的測試對象。該管道長約15km，規(guī)格323．9mm×7．1mm，管道首站有3個加壓泵，首站壓力1．3MPa，末站壓力0．7MPa。管道介質(zhì)為稠油，密度平均0．8713g/cm3;粘度在5．33～419．62mm2/s之間，屬于常規(guī)原油，流動性較好;含水量20%～30%，含少量氣體，起點輸送溫度70℃，輸量50～70m3/h。次聲波法泄漏報警系統(tǒng)(圖1)包括基站(首站和末站)、中心站及通信網(wǎng)絡(luò)等部分。其工作原理是:在油氣泄漏的瞬間壓力平衡打破，引起瞬時音波振蕩，次聲波通過流體沿著管壁向首、末站擴展［7］;聲波傳感器安裝在管道兩端，在線拾取次聲波信號，通過數(shù)據(jù)采集器進行A/D轉(zhuǎn)換濾波后傳遞給中心站的上位機軟件;上位機軟件通過對次聲波信號進行特征量提取來判斷泄漏發(fā)生的位置。泄漏點位置x的計算式為:x=L+vΔt2式中L———首、末站傳感器的距離，m;v———次聲波的傳播速度，m/s;Δt———泄漏點次聲波傳播到A、B兩點的時間差，s。系統(tǒng)共設(shè)置了兩處監(jiān)測點，即在A站出站管線和B站進站管線上分別安裝了兩臺聲波信號傳感器，并在A站和B站非防爆區(qū)設(shè)置了兩個基站RTU(遠程終端數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng))。為實現(xiàn)系統(tǒng)時間同步，在首、末站各安裝了一套GPS，固定在離采集終端較近的屋頂，并超出屋頂30cm，且四周沒有遮擋物。系統(tǒng)通信方式選擇局域網(wǎng)。

2．2系統(tǒng)測試結(jié)果分析

在距離A站10km的管道上開孔設(shè)置放油閥，在放油閥出口分別墊入孔徑為3、5、7mm的墊片模擬泄漏孔徑。測試過程中孔板由較小孔徑逐漸更換至較大孔徑，每一孔徑下放油測試3次，每次放油時間5s，放油間隔不小于20min。測試人員分兩組，分別在操作現(xiàn)場和控制室，分別對放油時刻、報警時刻、放油位置和報警位置進行記錄，測試結(jié)果見表2。可以看出，該系統(tǒng)各項技術(shù)性能指標(biāo)良好，具有較高的泄漏監(jiān)測和定位能力，可實現(xiàn)對最小泄漏孔徑3mm的可靠檢測與定位，定位誤差小于50m;管道發(fā)生泄漏時，系統(tǒng)能在1min內(nèi)報警，而且泄漏孔徑越大，響應(yīng)時間越短。

3分布式光纖法的測試應(yīng)用

3．1技術(shù)原理和系統(tǒng)組成

為了測試分布式光纖法的各項技術(shù)指標(biāo)，對某天然氣管道開展應(yīng)用測試。該管道全長4．6km，規(guī)格為168．3mm×12．0mm，介質(zhì)以氣態(tài)為主(占90%以上)，伴生氣(含C1、C2、C3)平均密度0．6g/cm3，C1平均含量92．80%，C2平均含量1．51%，C3平均含量0．47%，首站壓力4．9MPa，末站壓力2．1MPa，起點輸送溫度約40℃。分布式光纖法泄漏報警系統(tǒng)(圖2)主要包括分布式光纖溫度傳感器、放大電路和數(shù)據(jù)采集模塊，其中在C站到D站沿管道鋪設(shè)一條感溫傳感光纖，在控制室安裝軟件運行平臺(負責(zé)數(shù)據(jù)顯示與存儲、管道狀態(tài)實時監(jiān)控與管理)，在C站配制光電檢測儀(負責(zé)光信號的收發(fā)與轉(zhuǎn)換處理，并將處理后的信號返回到計算機信號處理系統(tǒng)進行分析)。系統(tǒng)的工作原理為:激光光源向光纖注入激光脈沖，然后利用后向散射光(拉曼散射光)進行實時信號分析處理，以獲取整根光纖的溫度應(yīng)變曲線;當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，油氣介質(zhì)溫度將會明顯高于周圍環(huán)境溫度，當(dāng)后向散射光返回至光纖入射端時，可測量到入射光和反射光之間的時間差t。則發(fā)生散射的位置(泄漏點)距入射端的距離x'可表示為［8，9］:x'=ct2n式中c———真空中的光速，c=3×108m/s;n———光纖的折射率。

3．2系統(tǒng)測試結(jié)果分析

選擇距C站620m處和D站光纜末端作為測試點，每個測試點測量3次，每次間隔不少于30min。測試過程中用毛巾包裹光纜，并通過在毛巾上澆注熱水(90～100℃)的方式對光纜進行加熱，每次連續(xù)均勻澆注1min。同時，對測試過程中的加溫位置、報警位置、加溫時刻和報警時刻進行記錄，結(jié)果見表3。可以看出，分布式光纖法泄漏報警系統(tǒng)具有較高的泄漏監(jiān)測和定位能力，系統(tǒng)能在10s內(nèi)發(fā)出警報，且定位精度小于20m。

4結(jié)束語

西部某油田選擇較優(yōu)的次聲波法和分布式光纖法開展了現(xiàn)場管道泄漏測試，并對各項技術(shù)性能指標(biāo)進行了評價。次聲波法可監(jiān)測到的最小泄漏孔徑為3mm，響應(yīng)時間不大于1min，定位精度小于50m;分布式光纖法的響應(yīng)時間不大于10s，定位精度小于20m。兩種方法均能實現(xiàn)對現(xiàn)場管道的泄漏檢測和處理，尤其是分布式光纖法的各項技術(shù)指標(biāo)都較優(yōu)，但該方法需要沿線鋪設(shè)光纖，費用相對較高。因此，建議對兩種泄漏檢測報警方法進一步優(yōu)化，提高其定位精度并降低響應(yīng)時間，顯示泄漏點經(jīng)緯度坐標(biāo)，方便技術(shù)人員查找泄漏點，進一步提高應(yīng)急快速反應(yīng)能力。由此可見，兩種方法各項系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)良好，用于油田地面管道泄漏報警是可行的，為油田進一步推廣管道泄漏報警技術(shù)提供了重要依據(jù)。

參考文獻：

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作者:宋成立 高秋英 付安慶 葛鵬莉 朱原原 單位:中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院