基于虛擬儀器的原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)

一、泄漏監(jiān)測與定位的原理
隨著管道的建設(shè)，各種監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)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，這些方法的特點和應(yīng)用場合各不相同。國外雖然有比較成熟的技術(shù)，但是不能夠適應(yīng)中國原油輸送的特點，而且價格昂貴。在國內(nèi)，多家大學(xué)和油田均做過一定研究，但到目前為止，只有天津大學(xué)研制的系統(tǒng)成功地應(yīng)用于現(xiàn)場，取得了顯著的經(jīng)濟效益。
我國近年來的原油泄漏主要是因為人為破壞造成的，特點是持續(xù)時間短、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-滑縣的管線設(shè)計了一套泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，是在DOS操作系統(tǒng)下用C語言實現(xiàn)的，其主要缺點是無法實現(xiàn)多任務(wù)，數(shù)據(jù)采集和通信不能同時進行。從2000年初至今，我們使用LabVIEW平臺，設(shè)計并不斷完善了基于虛擬儀器的原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)成功地安裝于臨盤-濟南和滄州-臨邑的兩條管線上。

負壓力波法是一種聲學(xué)方法，所謂壓力波實際是在管輸介質(zhì)中傳播的聲波。當管道發(fā)生泄漏時，由于管道內(nèi)外的壓差，泄漏點的流體迅速流失，壓力下降。泄漏點兩邊的液體由于壓差而向泄漏點處補充。這一過程依次向上下游傳遞，相當于泄漏點處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負壓力波。根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負壓波傳播到上下游的時間差和管內(nèi)壓力波的傳播速度就可以計算出泄漏點的位置。定位的原理如圖1所示，L為管道長度，X為泄漏點，t1，t2為負壓波傳播到上下游的時間。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(guī)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間差。
此公式的前提是壓力波速為常數(shù)，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，原油的密度沿管線變化不大，所以波速可以看作常數(shù)。而我國的原油具有高粘度、高含蠟和高凝點的特點，必須加熱輸送。由于管道傳輸距離長，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常數(shù)，受溫度影響很大。考慮到液體的彈性、密度和管材的彈性的因素，壓力波傳播速度a重新寫為：

其中K為液體的體積彈性系數(shù)，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(shù)。其中體積彈性系數(shù)K和密度r都是溫度的函數(shù)。所以采集壓力的同時還要采集管道的溫度用來校正壓力波的傳播速度。
流量在監(jiān)測中也是一個重要的參數(shù)。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，壓力的變化可能會淹沒在一片噪聲之中。若同時監(jiān)測流量的變化，也可以及時發(fā)現(xiàn)泄漏，彌補壓力靈敏度低的缺點。另外，除了泄漏，泵站內(nèi)部的操作，如調(diào)泵、調(diào)閥，也會產(chǎn)生負壓波。我國的現(xiàn)狀要求只能在站內(nèi)安裝一臺壓力變送器，所以僅靠壓力就不能判斷負壓波是站內(nèi)產(chǎn)生的還是站外產(chǎn)生的。而流量變化對于泄漏和站內(nèi)操作具有不同性質(zhì)，通過分析流量變化就可以甄別負壓波的來源。
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(jiān)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，我們選用低價的多功能卡PCI-6023E，利用其兩路模擬量單端輸入和一個通用24位計數(shù)器。從功能、價格和開發(fā)周期等因素來考慮，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，可以觀察到萬分之幾MPa的微小變化。在臨-濟線和滄-臨線上共使用了10塊PCI-6023E，連續(xù)工作的穩(wěn)定性很好。
為了節(jié)約存儲空間，我們采用二進制格式保存文件。壓力和溫度每一小時一個文件，流量因為是累積量，每一天一個文件，供泄漏定位和查閱歷史數(shù)據(jù)之用。

二、精確捕捉壓力波傳播到上下游的時間差
精確獲得泄漏引發(fā)的壓力波傳播到上下游傳感器的時間差，需要準確地捕捉到泄漏負壓力波信號序列的對應(yīng)特征點。由于不可避免的工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、輸油泵的振動等，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(shù)對信號的特征作了深入的研究分析和預(yù)處理，使得系統(tǒng)能夠針對不同的信號做出相應(yīng)的處理。例如，在滄州首站，啟泵的時候信號中含有比較有規(guī)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)過中值濾波器之后的波形

對信號作了一定預(yù)處理之后，我們采用Signal Processing軟件包里提供的小波分析的動態(tài)庫來捕捉壓力波變化的特征點。將含有負壓波信號的數(shù)據(jù)通過兩通道濾波器，分為低頻概貌和高頻細節(jié)兩路輸出，負壓波的位置就是高頻細節(jié)當中最小值對應(yīng)的索引值。圖5為圖2所示信號的高頻結(jié)果。因為我們僅分析信號，不作重構(gòu)，所選擇參數(shù)設(shè)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(xiàn)場對于不同的信號可以方便地調(diào)整濾波器參數(shù)，觀察濾波效果，大大提高了應(yīng)用的效率。

圖5 圖2的信號通過兩通道濾波器后的高頻結(jié)果

三，系統(tǒng)的軟件設(shè)計
以滄州-臨邑長輸管線的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)為例介紹一下整個系統(tǒng)的設(shè)計。
系統(tǒng)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(diào)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(diào)理裝置、信號采集卡和調(diào)制解調(diào)器等。
因為管道全線長180公里，兩座泵站之間的距離一般是60公里左右，所以只能通過電話網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。LabVIEW的函數(shù)庫里沒有現(xiàn)成的函數(shù)可供調(diào)用，我們綜合運用Serial Port VIs，In Port， Out Port 和Call Library Function調(diào)用自己編寫的動態(tài)鏈接庫，控制調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)通信，各個子站的數(shù)據(jù)都可以實時傳到中心站，線路中斷能夠自動重新連接。主程序每一分鐘調(diào)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(shù)據(jù)，判斷是否有泄漏發(fā)生。
滄州站和滄州處調(diào)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實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場還有其他PLC系統(tǒng)，我們用DDE實現(xiàn)LabVIEW和Excel之間的數(shù)據(jù)交換，作為與其他系統(tǒng)的接口。
用戶對系統(tǒng)的操作都設(shè)計為菜單操作，包括參數(shù)設(shè)置、文件處理、歷史數(shù)據(jù)、泄漏定位和退出系統(tǒng)等幾項。每一項菜單還有報警、都通過VI Server的方法動態(tài)調(diào)用，這樣既節(jié)省內(nèi)存，又使程序結(jié)構(gòu)清晰，模塊化好。

圖9 用動態(tài)調(diào)用實現(xiàn)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(jié)
作為虛擬儀器開發(fā)平臺，和其他同類產(chǎn)品相比，LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫骘@示了強大的功能，尤其是其數(shù)據(jù)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(shù)字濾波、中值濾波、頻譜分析等等各種信號處理函數(shù)，使用起來只需連連線；小波分析軟件包也為現(xiàn)場應(yīng)用提供了很大的方便；另外我們選用的PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡價格并不比其他同類產(chǎn)品高，而且性能非常出色，在LabVIEW當中有多種方法可供調(diào)用。同時，Advanced Functions和其他通信函數(shù)擴展了LabVIEW的性能，使系統(tǒng)設(shè)計更加靈活。模塊化的設(shè)計使編程簡單明了，我們僅用了兩個多月的時間就在實驗室完成了全部程序的編制，在現(xiàn)場調(diào)試階段，也可以很快作出調(diào)整，實現(xiàn)用戶的要求。系統(tǒng)反映靈敏，報警時間小于200秒；定位精度比原來用C語言設(shè)計的系統(tǒng)大大提高，最大定位誤差小于被測管長的2%。還能夠估算泄漏量，具有和其他程序的接口，方便擴展。據(jù)統(tǒng)計，在勝利油田臨盤-濟南管線，2001年3月5日至4月12日，共監(jiān)測到泄漏39次，抓獲盜油車輛8輛。在滄州-臨邑管線2001年4月9日至5月13日，抓獲盜油車輛17輛，發(fā)現(xiàn)閥門40多處，為國家挽回經(jīng)濟損失數(shù)十萬元。
天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室經(jīng)過多年的探索，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(xiàn)場實驗，研制的泄漏檢測系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種不同的工況特點。除了前文提到的應(yīng)用之外，本系統(tǒng)還將應(yīng)用于中（原）-洛（陽）的全線改造、遼河油田曙光-錦西等管線，在我國的石油生產(chǎn)和運輸領(lǐng)域具有廣闊的前景。本實驗室對天然氣管道泄漏也作了一定研究，隨著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(tǒng)上也將獲得成功應(yīng)用。