基于虛擬儀器的原油管道泄漏監測系統

一、泄漏監測與定位的原理
隨著(zhù)管道的建設，各種監測技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前應用于管道泄漏監測的主要有壓力梯度法、負壓力波法、流量平衡法、超聲波檢測法等物理方法和一些化學(xué)方法，這些方法的特點(diǎn)和應用場(chǎng)合各不相同。國外雖然有比較成熟的技術(shù)，但是不能夠適應中國原油輸送的特點(diǎn)，而且價(jià)格昂貴。在國內，多家大學(xué)和油田均做過(guò)一定研究，但到目前為止，只有天津大學(xué)研制的系統成功地應用于現場(chǎng)，取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。
我國近年來(lái)的原油泄漏主要是因為人為破壞造成的，特點(diǎn)是持續時(shí)間短、泄漏量較大，屬于突發(fā)性事故，我們采用負壓力波檢測法。1997年我們?yōu)槿A東石油管理局濮陽(yáng)-滑縣的管線(xiàn)設計了一套泄漏監測系統，是在DOS操作系統下用C語(yǔ)言實(shí)現的，其主要缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現多任務(wù)，數據采集和通信不能同時(shí)進(jìn)行。從2000年初至今，我們使用LabVIEW平臺，設計并不斷完善了基于虛擬儀器的原油管道泄漏監測系統，已經(jīng)成功地安裝于臨盤(pán)-濟南和滄州-臨邑的兩條管線(xiàn)上。

負壓力波法是一種聲學(xué)方法，所謂壓力波實(shí)際是在管輸介質(zhì)中傳播的聲波。當管道發(fā)生泄漏時(shí)，由于管道內外的壓差，泄漏點(diǎn)的流體迅速流失，壓力下降。泄漏點(diǎn)兩邊的液體由于壓差而向泄漏點(diǎn)處補充。這一過(guò)程依次向上下游傳遞，相當于泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負壓力波。根據泄漏產(chǎn)生的負壓波傳播到上下游的時(shí)間差和管內壓力波的傳播速度就可以計算出泄漏點(diǎn)的位置。定位的原理如圖1所示，L為管道長(cháng)度，X為泄漏點(diǎn)，t1，t2為負壓波傳播到上下游的時(shí)間。圖2為采集到的負壓波波形，縱坐標單位為MPa。

圖1 負壓波定位原理

圖2 負壓波波形

常規的負壓波法定位公式為：

其中a為管輸介質(zhì)中壓力波的傳播速度，Dt為上、下游傳感器接收壓力波的時(shí)間差。
此公式的前提是壓力波速為常數，但是聲波的速度與媒質(zhì)的密度、壓力、比熱和管道的材質(zhì)都有關(guān)。由于國外大多是輕質(zhì)油，常溫輸送即可，原油的密度沿管線(xiàn)變化不大，所以波速可以看作常數。而我國的原油具有高粘度、高含蠟和高凝點(diǎn)的特點(diǎn)，必須加熱輸送。由于管道傳輸距離長(cháng)，散熱明顯，一般沿程的溫度變化約十幾到二十幾攝氏度，所以壓力波的傳播速度并不是一個(gè)常數，受溫度影響很大?？紤]到液體的彈性、密度和管材的彈性的因素，壓力波傳播速度a重新寫(xiě)為：

其中K為液體的體積彈性系數，r為液體的密度，E為管材的彈性模量，D為管道直徑，e為管壁厚度，C1為與管道約束條件有關(guān)的修正系數。其中體積彈性系數K和密度r都是溫度的函數。所以采集壓力的同時(shí)還要采集管道的溫度用來(lái)校正壓力波的傳播速度。
流量在監測中也是一個(gè)重要的參數。因為我國很多原油管道都不是密閉輸送，收油端直接接入大罐，本身壓力就很低，再加之大罐的濾波作用，壓力的變化可能會(huì )淹沒(méi)在一片噪聲之中。若同時(shí)監測流量的變化，也可以及時(shí)發(fā)現泄漏，彌補壓力靈敏度低的缺點(diǎn)。另外，除了泄漏，泵站內部的操作，如調泵、調閥，也會(huì )產(chǎn)生負壓波。我國的現狀要求只能在站內安裝一臺壓力變送器，所以?xún)H靠壓力就不能判斷負壓波是站內產(chǎn)生的還是站外產(chǎn)生的。而流量變化對于泄漏和站內操作具有不同性質(zhì)，通過(guò)分析流量變化就可以甄別負壓波的來(lái)源。
基于以上考慮，我們采取壓力流量聯(lián)合判斷的方法，分別在管道的出口和進(jìn)口加裝合適量程的壓力變送器、溫度變送器和流量變送器，不間斷采集原油的壓力、溫度和流量，監視管道的運行狀況。壓力變送器和溫度變送器輸出標準的4~20mA電流模擬信號，流量變送器輸出的是脈沖。由于模擬量的采集速率不是很高，大約為幾百Hz，脈沖的頻率約為700多Hz，我們選用低價(jià)的多功能卡PCI-6023E，利用其兩路模擬量單端輸入和一個(gè)通用24位計數器。從功能、價(jià)格和開(kāi)發(fā)周期等因素來(lái)考慮，這款采集卡都非常適合我們的要求。對于微弱信號的提取效果明顯，可以觀(guān)察到萬(wàn)分之幾MPa的微小變化。在臨-濟線(xiàn)和滄-臨線(xiàn)上共使用了10塊PCI-6023E，連續工作的穩定性很好。
為了節約存儲空間，我們采用二進(jìn)制格式保存文件。壓力和溫度每一小時(shí)一個(gè)文件，流量因為是累積量，每一天一個(gè)文件，供泄漏定位和查閱歷史數據之用。

二、精確捕捉壓力波傳播到上下游的時(shí)間差
精確獲得泄漏引發(fā)的壓力波傳播到上下游傳感器的時(shí)間差，需要準確地捕捉到泄漏負壓力波信號序列的對應特征點(diǎn)。由于不可避免的工業(yè)現場(chǎng)的電磁干擾、輸油泵的振動(dòng)等，采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲，如何從噪聲當中準確地提取出信號的特征點(diǎn)是定位的關(guān)鍵。
首先，因為不同條件（管徑、溫度、壓力、輸送工藝、環(huán)境噪聲等）下的信號具有不同的特征，我們利用LabVIEW中豐富的信號處理函數對信號的特征作了深入的研究分析和預處理，使得系統能夠針對不同的信號做出相應的處理。例如，在滄州首站，啟泵的時(shí)候信號中含有比較有規律的尖銳噪聲，雖然幅度并不大（只有約千分之一兆帕），卻因為壓力比較低而非常明顯，如圖3。針對這樣的情況，我們使用了中值濾波器。中值濾波器能夠平滑尖銳噪聲，又能保持信號的邊沿，而且計算速度非?？?，可以用于在線(xiàn)處理。對比下面兩圖，可以看到濾波的效果。

圖4 上圖的信號經(jīng)過(guò)中值濾波器之后的波形

對信號作了一定預處理之后，我們采用Signal Processing軟件包里提供的小波分析的動(dòng)態(tài)庫來(lái)捕捉壓力波變化的特征點(diǎn)。將含有負壓波信號的數據通過(guò)兩通道濾波器，分為低頻概貌和高頻細節兩路輸出，負壓波的位置就是高頻細節當中最小值對應的索引值。圖5為圖2所示信號的高頻結果。因為我們僅分析信號，不作重構，所選擇參數設計更為靈活的雙正交的濾波器組，而不必考慮對偶濾波器組是否收斂。利用Wavelet and Filter Bank Design Tookit提供的Design Panel 和1D Test Panel，我們在現場(chǎng)對于不同的信號可以方便地調整濾波器參數，觀(guān)察濾波效果，大大提高了應用的效率。

圖5 圖2的信號通過(guò)兩通道濾波器后的高頻結果

三，系統的軟件設計
以滄州-臨邑長(cháng)輸管線(xiàn)的泄漏監測系統為例介紹一下整個(gè)系統的設計。
系統的組成如圖6，由安裝于滄州、東光、德州和臨邑的四套裝置和滄州處調度室的中心計算機組成。各站的裝置包括各種傳感器、計算機、信號調理裝置、信號采集卡和調制解調器等。
因為管道全線(xiàn)長(cháng)180公里，兩座泵站之間的距離一般是60公里左右，所以只能通過(guò)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現數據通信。LabVIEW的函數庫里沒(méi)有現成的函數可供調用，我們綜合運用Serial Port VIs，In Port， Out Port 和Call Library Function調用自己編寫(xiě)的動(dòng)態(tài)鏈接庫，控制調制解調器實(shí)現遠程的數據通信，各個(gè)子站的數據都可以實(shí)時(shí)傳到中心站，線(xiàn)路中斷能夠自動(dòng)重新連接。主程序每一分鐘調用一次泄漏判斷子程序，該子程序綜合運用負壓波法、壓力梯度法和流量差法分析采集到的工況數據，判斷是否有泄漏發(fā)生。
滄州站和滄州處調度室僅有幾百米的距離，兩臺計算機之間建立了以太網(wǎng)，使用TCP/IP實(shí)現數據傳輸?，F場(chǎng)還有其他PLC系統，我們用DDE實(shí)現LabVIEW和Excel之間的數據交換，作為與其他系統的接口。
用戶(hù)對系統的操作都設計為菜單操作，包括參數設置、文件處理、歷史數據、泄漏定位和退出系統等幾項。每一項菜單還有報警、都通過(guò)VI Server的方法動(dòng)態(tài)調用，這樣既節省內存，又使程序結構清晰，模塊化好。

圖9 用動(dòng)態(tài)調用實(shí)現菜單操作
圖7和圖8為中心計算機的主界面和定位程序的操作界面。

總結
作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺，和其他同類(lèi)產(chǎn)品相比，LabVIEW在數據采集、存儲、顯示、信號處理、數據傳輸等方面顯示了強大的功能，尤其是其數據采集和信號處理的優(yōu)勢提高了我們的工作效率。我們綜合運用了數字濾波、中值濾波、頻譜分析等等各種信號處理函數，使用起來(lái)只需連連線(xiàn)；小波分析軟件包也為現場(chǎng)應用提供了很大的方便；另外我們選用的PCI-6023E數據采集卡價(jià)格并不比其他同類(lèi)產(chǎn)品高，而且性能非常出色，在LabVIEW當中有多種方法可供調用。同時(shí)，Advanced Functions和其他通信函數擴展了LabVIEW的性能，使系統設計更加靈活。模塊化的設計使編程簡(jiǎn)單明了，我們僅用了兩個(gè)多月的時(shí)間就在實(shí)驗室完成了全部程序的編制，在現場(chǎng)調試階段，也可以很快作出調整，實(shí)現用戶(hù)的要求。系統反映靈敏，報警時(shí)間小于200秒；定位精度比原來(lái)用C語(yǔ)言設計的系統大大提高，最大定位誤差小于被測管長(cháng)的2%。還能夠估算泄漏量，具有和其他程序的接口，方便擴展。據統計，在勝利油田臨盤(pán)-濟南管線(xiàn)，2001年3月5日至4月12日，共監測到泄漏39次，抓獲盜油車(chē)輛8輛。在滄州-臨邑管線(xiàn)2001年4月9日至5月13日，抓獲盜油車(chē)輛17輛，發(fā)現閥門(mén)40多處，為國家挽回經(jīng)濟損失數十萬(wàn)元。
天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗室經(jīng)過(guò)多年的探索，對我國各地的原油、成品油管道作了深入的理論研究和豐富的現場(chǎng)實(shí)驗，研制的泄漏檢測系統能夠適應各種不同的工況特點(diǎn)。除了前文提到的應用之外，本系統還將應用于中（原）-洛（陽(yáng)）的全線(xiàn)改造、遼河油田曙光-錦西等管線(xiàn)，在我國的石油生產(chǎn)和運輸領(lǐng)域具有廣闊的前景。本實(shí)驗室對天然氣管道泄漏也作了一定研究，隨著(zhù)我國天然氣管道的發(fā)展，美國國家儀器公司的產(chǎn)品在天然氣管道泄漏系統上也將獲得成功應用。