油管泄漏监测SCADA系统设计与实现

摘要：介绍一套输油管道泄漏检测的SCADA系统设计和实现。采用3点一线式结构，集成了传感器技术、计算机技术、无线通信技术和自动化技术。描述了系统的组成、网络结构及数据采集。采用了瞬态负压波法、流量输差法和压力流量综合法等多种泄漏诊断方法。利用LabView平台开发了系统软件。该系统具有可扩展性。

关键词：管道；泄漏检测；SCADA系统

引言

管道输送作为一种重要而经济的运输方式在世界各国的石油化工行业得到了广泛应用，对世界经济的发展起着越来越重要的作用。但是随着管道老化、腐蚀及其他自然或人为等原因，导致管道泄漏事故频频发生，不仅严重影响了正常的生产，还会造成大片耕地被毁，环境污染及可燃物质流失引起火灾事故。因此管道的维护及防漏检漏成为不可忽视的问题，引起世界各国的高度重视。与发达国家相比，我国石油管道运输起步较晚，自动化管理水平较低，辅助监测系统也尚未完全具备。

SCADA(Supervisory Controland Data Acquisition) 系统是以监督为基础的计算机控制系统，它收集现场信息，并通过通讯网络将现场信息传送到控制中心进行显示和报告。控制中心监视这些信息，进行输油监控、调度、管理和故障诊断。

SCADA系统总体结构

系统采用3点一线式结构，即管理监测站、现场工作站、调度室服务器和通信网络，实现了分散控制、集中管理和操作的功能。系统总体结构如图1所示。

工作站负责信号的采集、处理及本站各参量信号的实时显示，并通过通讯网络将数据传送给调度室服务器。它由独立运行的3部分组成，分别为压力、温度和流量的处理模块；负压波检测模块；数据库操作模块。

调度室服务器主要完成对各工作站的实时监测、泄漏报警、泄漏点定位、历史数据查看和打印等功能。数据存放采用数据库结构，每个站点的历史数据分别存放在各自的数据表里，每个站点对应一个泄漏数据表，各个站点参数设置和泄漏时间分别存放在两个数据表里面。服务器也由3大部分组成，分别为显示各站点实时数据模块、泄漏诊断模块、数据库管理模块。

管理监测站是利用LabView的网络发布功能，通过网络可在任何一个地方对现场数据进行实时监测。

图1　系统总体结构示意图

系统网络结构
网络结构如图2所示。在现有局域网的基础上利用无线通讯网络组成整个系统网络。现场工作站2通过光纤与局域网连接；工作站1、3、4、5，点对点分别安装1对BreezeCOM公司的11MHz高速产品BU-DS.11和RU-DS.11及1面24dBi定向天线组成无线通讯网络；无线网络接入就近的网络站点，实现整个系统网络互联。网络之间无缝透明连接，支持所有上层协议、网络操作系统与应用软件。

图2　系统网络结构

数据采集系统
数据采集系统的结构如图3所示。输油管道上信号采集的硬件系统如图4所示。

图3　数据采集系统

管道温度由A级Pt100铂电阻测量，静压用日本横河公司0.075%精度的压力智能变送器测量。流量的测量采用的是双转子流量计。为了便于远距离传输，压力和温度的测量信号都是以4～20mA标准电流环输出。由于A/D采集卡采集的信号是0～10V电压信号，所以选用一个精度为0.01%的绕线电阻将电流信号转化为电压信号。采集卡是美国国家仪器公司的NIPCI-6013卡。该卡具有16 bit转换分辨率、光隔离模入接口，可与NI公司的图形化编程软件LabView集成。

图4　输油管线上信号采集硬件系统示意图

时间同步系统
GPS校时模块利用GPS卫星同步时钟信号，每隔一定周期就使一次调度室服务器的内部时钟同步，使服务器获取标准时间。然后通过网络使所有工作站的时间同步，从而使整个网络的时钟保证准确一致。具体实现方法是在LabView平台下用执行命令函数来执行netuse和nettime命令，使各个工作站每隔一定周期读取一次服务器的系统时间来校正自己的系统时间。

定位和判漏

管道泄漏监测是多学科知识的综合。检测方法有多种，一般分为直接检测和间接检测。直接检测法主要是基于硬件对泄漏物直接检测，例如，直接观察法、检漏电缆法、放射性示踪法、光纤检漏法等；间接检测是基于软件对流体的参数进行测量，根据参数的变化来判断是否发生泄漏并定位，例如瞬态负压力波法、流量输差法、统计检漏法、压力点分析法等。由于管道材质、油品质量、环境因素、输送工艺、泄漏形式等的多样性，目前尚未有一种简单、可靠和通用的方法解决泄漏问题。因此通常根据现场情况，结合多种方法进行泄漏诊断。

瞬态负压波定位
负压力波法是一种声学方法。所谓压力波实际上是在管输介质上传输的声波。当管道发生泄漏时，由于管道内外的压差，泄漏点的流体迅速流失，压力下降，泄漏点两边的流体由于压差而向泄漏点补充。这一过程迅速向上下游传递，相当于泄漏点处产生了以一定速度传播的负压力波。根据泄漏产生的负压力波传播到上下游的时间差和管内压力波的传播速度就可以计算出泄漏点的位置。

传统的定位公式为

式中：x为泄漏点距离首站的位置；l为管道首末站的总长度；v为管道内压力波的传播速度；Δt为上、下游传感器接收到压力波的时间差。

负压力波传播速度等于声波在管道流体内的传播速度。由于各种因素如流体的密度、压力、比热和管道材质等影响，负压力波在管道中传播速度不一定是常数，可能是一个变量。

国外的输油管道大部分输送的都是轻质油，常温输送，无需加热，在同一管道内与波速有关的各参数基本上不变，因此波速基本不变。利用式(1) 就基本可以准确定位。

我国原油大多数是高含腊、高凝点、高黏度的“三高”原油。因此在管道输送过程中必须加热。首末站温度差可高达几十℃，必然影响与压力波传播速度相关的各参量，这样压力波波速最终是温度T的函数，压力波的波速为

式中：v为管内压力波的传播速度；K为液体的体积弹性系数；ρ为液体的密度；E 为管材的弹性模量；D为管道直径；e为管壁厚度；C₁为管道约束条件，是与油温等因素有关的修正系数。

由于在实际工程中，只能用传感器检测到管道首末两端的温度值及中间加热站的温度值，而无法得知管道沿线的温度分布，因此，也就不能确定管道沿线的压力波的波速，从而无法用式(1)进行定位。为了能提高定位的精度，并且能够在工程上容易实现，采用了一种线性模型来修正传统定位公式。该模型假设压力波的传播速度是泄漏位置x(距离首站的距离)和时间t的线性分布。

瞬态负压波检漏
首先利用中值滤波和取均值的方法来处理压力信号，然后采用逻辑判断方法检测负压波。具体方法如下：在工作站上，每0.1s 取一个压力值，放入一个200维的栈中，形成20s 200个数的历史数据段。取这200个数的均值和最小值，均值与最小值的差值再乘以报警阈值修正系数得到报警阈值。每一个新进栈的压力值与其前200个数的均值进行比较，变化值如果超过报警阈值，则报警级别升高一级。如果报警级别连续升高达到所设定的报警级别阈值，则判断发生泄漏。同时把报警级别为1时对应的时间作为泄漏时间，供服务器定位使用。调整报警阈值修正系数和报警级别阈值的大小可以调整系统报警的压力灵敏度及时间灵敏度。

流量输差检漏
实践表明：瞬态负压力波检漏比较适用于泄漏点处压力发生突降的情况，大管道事故通常都具有这一特征，但对于缓慢发生的事故或已发生的事故，该方法具有一定的局限性，应利用流量输差检漏来诊断渗漏的发生。对首末站的流量差进行积分运算，该值如超过某阈值，则认为发生渗漏，发出报警。系统每15min计算一次流量差的积分值，判断前30min内的流量差是否超过设定的阈值，如超过，系统发出渗漏报警。

压力流量综合检漏
由于启泵、停泵和调阀等正常操作，也会产生负压波，而且与泄漏产生的负压波信号非常相似，在实际应用中，必须区分。通常采用硬件的方法来区分，传统的方法是在管道的两端相隔一定的距离各加装两个压力传感器，通过判断负压力波的传播方向进行识别。这种方法结构复杂、安装困难、不宜维护、成本较高。压力流量综合检漏利用软件的方法解决了这一问题。

压力流量综合检漏法的具体实现为：首先利用瞬态负压波法检测到压力下降，然后计算压力下降发生时一段时间间隔内首末站流量差的变化率，如果该变化率超过前一段相同时间间隔内首末站流量差的变化率，则认为发生泄漏，系统报警系统检测2min内首末站流量差的变化率。

虚拟仪器平台

利用LabView平台开发了系统软件。管道泄漏时，首末站压力突降，首站流量增大，末站流量变小，因此两站的流量差有明显增量。

结束语

系统已应用于辽河油田两条输油管道的泄漏监测中，其中一条是“3高两低”(高含腊量、高凝点、高黏度、低压力、低流量)的不等温输油管道。在多次放油实验中，压降小于0.003MPa ，持续时间小于40s，系统都发出报警，此时原油泄漏量小于管道流量2%。准确确定出管道泄漏位置，泄漏点定位误差小于管道总长度的2%。压力流量综合诊断模式较好地降低了误报率。