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陳國元 （1970-）
男，遼寧省盤錦人，畢業于大慶石油大學機械制造自動化專業，工程師，長期從事石油化工自動化設計工作。
摘要：本文對長輸油管道工程的泄漏檢測手段和在線模擬仿真系統進行了闡述。
關鍵詞：泄漏檢測；模擬仿真；SCADA 系統
Abstract: The article introduces the leak detection method and online simulation system
for long distance Pipeline.
Key words: The Leak Detection; Simulation; SCADA
1 概述
近年來國內外輸油管道建設發展迅猛，隨著西氣東輸管道建設的投產運行，以及西部管道的運營，石油行業掀起了管道建設的高潮。管道建設帶來了國民經濟的高速發展。也給石油建設工程帶來了生機和發展。伴隨著管道建設，對管道的安全生產和安全運行等方面要求的不斷提高，長輸原油管道的泄漏檢測和在線模擬仿真技術越來越成熟。以下對長輸油管道的泄漏檢測和在線模擬仿真進行闡述。
2 原油管道漏油工況分析與計算
2.1 漏油點的確定計算
根據管線某處發生漏油后，漏油點前的流量增大，漏油點后的流量減小以及漏油點前的泵站揚程減小，漏油點后的泵站揚程增大。由首末站流量計計量的流量以及各泵站進出站壓力表讀書，可確定出漏油點的站間位置。
若在C站與C＋1站間發生漏油，由能量平衡方程推導出計算漏油點的位置公式。其計算公式為：設漏點距C＋1站X公里處，則首站至漏點處的能量平衡方程為：
(1)漏點處至末站的能量平衡方程為：
(2)（1）＋（2）式整理得：
(3)由（3）式可得
(4)
式中
－漏點距C＋1站的距離，m
－首站輔助壓頭，m 
－單位流量的水利坡降，（m3/s）m－2
－管道全長，m
－管道終點與起點高程差， ，m
－管道終點高程，m
－管道起點高程，m
－首站至C＋1站的距離，m
－漏點前工作流量，m3/s
－漏點后工作流量，m3/s
－漏油處的漏油量，m3/s
－全線泵站數
－泵站特性方程系數
－泵站站內摩阻，m
－漏油點處的動水壓頭，m
－流態系數2.2 最大漏油量計算
漏油后，漏油點前的各泵站進站壓頭降低；漏油量越大，進站壓頭越小。尤其是漏油點的前一站和后一站，進站壓頭下降幅值最大。當在某一輸量下進站壓頭不能滿足該站泵的吸上性能要求時，就會造成本站斷流，全線停輸的事故。這一輸量稱為漏油過程中的最大輸油量，與其對應的漏油量稱為最大漏油量。
若漏點處的動水壓頭為HX,則漏點至C＋1站的能量平衡方程為：
(5)由(1)式和（5）式可得：
(6)同理，由C站至末站能量平衡方程可得：
(7)式中
－漏油過程中的最大輸油量，m3/s
－漏油點處的最大漏油量，m3/s
－漏油過程中C站最小進站壓頭，取泵的允許安裝高度，m
－漏油過程中C+1站最小進站壓頭，取泵的允許安裝高度，m
－C+1站的高程，m其它符號同上。
由（6）、（7）建立非線性方程組
｛
(8)由解非線性方程組的牛頓迭代法可知，經K+1次迭代后，得
(9)
(10)式中
－ 次迭代計算后所對應的系數矩陣行列式
(11)當
＜
以及 
＜
時，即為所求。在（9）（10）（11）式中 和 按實測值計算或按正常輸量計算。
由此可知，管線發生漏油后，漏油量應在0與
之間；漏點前的流量應在正常輸量
與 
之間。2.3 漏油后全線各泵站進出站壓頭的變化分析
通過建立漏點前后，泵站與管線系統能量平衡方程式，可以得出如下結論：
（1）漏油后，漏點前各站進出站壓頭都下降，離漏點越近的站下降的幅值愈大；相反，下降的幅值愈小。
（2）漏油后，漏點后各站進出站壓頭也都下降，離漏點越近的站下降的幅值愈小；相反，下降的幅值愈大。
管線漏油不僅產生油品損失，同時也產生動力損耗，而且污染環境。為此，對管線漏油必須嚴格監控及時處理。
3 輸油管道泄露檢測方法綜述
管道的泄漏檢測和維修是管道工程中的一個重要環節，因為管道泄漏直接導致能源浪費和環境污染，造成重大的經濟損失。所以多年來國內外很多的研究人員一直在從事管道泄漏診斷的工作，研究出了各種檢測方法。
從原理上來看，管道泄漏檢測的方法可以分為硬件法和軟件法2大類，它們各自又包含了4種類型的方法。這些方法各具優勢，但實際應用的情況是復雜的，方法的有效性、簡便性和易實現性等問題均需要綜合考慮。
3.1 硬件法
3.1.1 溫度測試法
該方法是通過測試緊鄰管道的環境溫度的變化來進行泄漏檢測和定位。基于此原理的紅外溫度記錄儀已經成功的應用在熱水管道的檢漏中。另外，傳感技術的進步使得溫度曲線在實際測試中變得方便實用，尤其是溫度感應電纜和光纖電纜的使用，大大改進了數據的可靠性。
溫度測試法的局限性則表現在：
傳感器需要直接接觸管道進行安裝和測量；
在傳感器安裝和復原的時候，易對管道造成損壞；
存在管壁溫度與管道水溫沒有直接關系的可能性；
長時間地讀取數據(一般24h以上)時，測溫儀器極易損壞；
設備費用高。
3.1.2 聲學測量法
通過測量流體泄漏時產生的噪聲來進行管道檢漏和定位，是目前廣泛使用的方法，因為該方法具有明顯的優越性：
即便是無法直接接觸的部位，也很容易采集到聲音信號；
相對于溫度傳感器和壓力傳感器獲取的信號來說，聲音信號提供了更全面、更高質量的信息；
在線性系統中，聲音波形含有迭加特性。這就是說，若同時有2處泄漏產生，一路信號不會干擾另一路信號，兩處故障可以各自獨立地檢測出來。
但是，當泄漏產生的聲音信號在不同的媒體中傳播或遇管壁反射時，許多與泄漏無關的聲音信號會造成所需信號波形的失真。
聲學測量法又可以分為應力波(固體聲波)法、超聲波和發射法，其中基于應力波原理的相關檢漏儀已廣泛投入使用。
（1）應力波法
流體泄漏時在管壁中激發應力波，用兩只普通的壓電式傳感器作為檢測元件，分別安裝在被測管道兩端，通過測量泄漏噪音到達傳感器的時間來估算泄漏點的位置。
應力波的頻率較低，一般在0.2~10kHz。低音頻的信號從泄漏源向上、下游傳播時，相對減弱的能量最低。但是，它極易受環境的干擾。基于該方法的相關檢漏儀是對低音頻信號作相關處理，從而消除背景噪音，分離出有用信號。
（2）超聲波法
泄漏噪聲中含有超聲波，測試此超聲波可以發現遠距離處的泄漏。由于聲波的頻率決定了聲波的傳播形式，低頻信號傾向于球形傳播，在各個方向上密度是相等的，而高頻超聲信號(理論上>20kHz；實際上可定義為>16kHz)則傾向于直線傳播，這就是利用超聲波的簡單原理。
但是，由于超聲波通過大氣時傾向于直線傳播，使得超聲波有一定的接收范圍，對于地下管道，該方法不是很有效。另外，超聲波法也不適用于易燃氣體管道的泄漏檢測。
（3）聲發射法
管道中的水流由小孔泄漏，在達到一定流量時，可在管壁中激發聲發射波。泄漏的聲發射信號是連續型信號，其值正比于泄漏速率，而泄漏速率與泄漏信號的均方根值的平方成正比。所以，可應用檢測RMS值來檢測泄漏。
聲發射法是一種非侵入式的測試技術，響應的是動態事件，并且在安全方面也沒有特殊的限制。
但是，該方法的靈敏度在一定程度上受到背景噪音的限制。而且，當有紊流存在時，檢測結果的正確性也將受到影響。
3.1.3 采樣法
該方法通過測試管道緊鄰環境中的蒸汽來檢測易揮發氣體管道的泄漏。基于此原理，可以平行管道安裝一種具有半透膜的敏感管。當有泄漏存在時，溢出的揮發性氣體擴散到敏感管，在管端壓力泵的作用下，溢出氣流到終端的檢測儀，對它分析后，就可以進行管道泄漏的診斷。
很明顯，采樣法的設備成本費用極高，響應時間長，應用范圍也較窄。
3.1.4 負壓力波法
當管道上某一點發生泄漏時，該點壓力突降，形成的負壓力波將會以一定波速向上、下游傳播。負壓力波的傳播速度大致與聲速相等。
在上、下游分別安裝壓力傳感器，檢測壓力梯度或壓力波的變化可判斷泄漏是否發生。而通過負壓力波傳到上、下游的時間差進行泄漏定位。
該方法對負荷擾動具有較強的抗干擾能力。
3.2 軟件法
3.2.1 測量流速和壓力變化的方法
管道輸入端和輸出端的流速或壓力值若有快速變化(上游流速增加、壓力降低)的現象，說明了泄漏的存在。
該方法的缺陷是：它僅適用于近似靜止狀態的、壓力較低的流體泄漏檢測，而且只能檢測出較大的泄漏，并且無法對泄漏點進行定位。
3.2.2 質量平衡法
理論上，管道容量＝管道流進量－管道流出量＝常量。所以，測試上、下游的流量差，當其值超過某一閾值(常量＋△V)時，應立即報警。
此方法分為2種：一種僅測試上、下游的流量差；另一種則是在測試上、下游流量差的基礎上，引入補償變量，包括壓力、溫度的變化、管道容量的波動等。
該方法的優點是：在管道的壓力以及流速變化不大的情況下，也可以檢測出泄漏的存在。
但是，它需要測量流量信號，而流量計的安裝和維修都很困難。另外，無法對泄漏點進行定位。
3.2.3 動態模擬法(瞬態流模擬法)
該方法要建立管道的實時數學模型，其邊界條件由現場的監控和數據采集(SCADA)系統提供。流體模型經常使用的方程有質量守恒、動量守恒、能量守恒和流體狀態方程等。模型考慮多種變量，如流體速率、溫度、壓力、比重和黏度等的變化，用來預測管道的狀態。當實際的測量值與模型的計算值之間的差異超過了某一閾值，說明有泄漏存在。
該方法不但定位精確，還可以確定泄漏發生的時間及泄漏量的大小。
動態模擬法的缺點則表現在：
建模及計算的工作量都相當大；
要求精確地知道輸入口和輸出口的流量、壓力和溫度值，以及中間測量點的壓力和溫度值，測量數據多，而且實際測量總會存在誤差和不確定性，造成較高的誤報警率；
安裝費用和維護費用都很高。
3.2.4 壓力點分析法(PPA法)
PPA法是一種采用簡單的儀器在任何一檢測點檢測，依靠對記錄數據的統計分析來檢測氣體、液體管道泄漏的方法。PPA技術是以管道泄漏前后的壓力發生變化的大量研究數據為基礎的。
很明顯，PPA法應用統計技術，需要大量的原始測量數據，并且無法對泄漏點進行定位。
4 輸油管道在線模擬仿真系統
4.1 仿真系統在管道運行管理方面的現實意義
管道仿真系統對管線監控是提高調度管理水平的一種有力手段，而且調度人員更須知道管線在預期操作條件下(可認為是估計或假設的優化運行方式)的“真實”運行參數，從而判斷所下達調度指令是否合理，為調度決策提供科學和及時的依據。安裝了先進的管線模擬軟件后，可以對主要設備的操作進行優化，不僅可以降低運營成本，預防事故發生，還可以延長大修間隔時間。同時利用其泄漏檢測功能，可及時發現泄漏和定位，減少經濟損失和及時發現安全隱患。
4.2 在線模擬仿真系統的應用
模擬仿真系統作為輸油管道控制和管理的工具，應完成準確地評價管道的過去、解釋管道當前發生的事件、預測管道的未來等任務。采用的軟件是專用于管道的實時模擬仿真軟件，為操作調度人員提供調度和操作參考，并可為操作員的培訓提供平臺，以保證管道安全、平穩、高效、經濟運行。該系統將在北京調度控制中心和廊坊備用調控中心的一臺專用的服務器中運行。本工程中采用一套在線模擬仿真軟件，它通過接口直接獲取SCADA系統數據庫中的實時數據，經計算將結果輸出到SCADA系統數據庫中，為調度及操作人員和SCADA系統提供所需的數據。
通常模擬仿真軟件由核心軟件和各種應用軟件模塊組成。用戶可根據需求購買應用軟件模塊加載到該軟件中，以便開發在線實時應用系統。模擬仿真軟件與SCADA系統的實時數據庫互連，按固定周期從實時數據庫中采集實時過程數據，此周期作為模擬仿真軟件的基本循環時間。數據更新掃描時間為15s。
模擬仿真軟件根據管道的實際情況組態形成管道的模型。根據需要計算所得出的結果，如管線的泄漏報警、清管器在管道中的位置、各個調節回路的設定點等，將由仿真軟件寫入到SCADA軟件的實時數據庫中，并在操作員工作站上顯示，作為操作員對管道運行調度的參考。
線模擬仿真系統的應用模塊
（1）儀表分析
儀表分析模塊用于連續監視儀表的狀態和精確度的偏差。基本條件是取決于動態模型所整定的參數。根據對已安裝的儀表的狀態分析的情況確定儀表的維修時間及維護計劃。對于儀表的精確度或者零漂出現偏差時，應立刻通知給操作員。
根據質量平衡、壓力的動態分布和統計學原理，將根據實時動態模型計算的流量和壓力結果與管道沿線各點的實際測量值比較，實時在線監視管道是否發生泄漏并定位，以避免泄漏引起的危害（人身安全、火災、環境污染、經濟損失等）。
基礎門檻值：泄漏檢測基礎的門檻值應根據以下的內容確定：儀表的精確度、重復性和數據的分辨率，以及管道和輸送的介質特性。
動態門檻值：依據由SCADA系統數據庫中獲取的數據的質量和預處理數據的質量動態調整其數值。依據在運行的過程中由于管道水利工況的變化程度和非計劃的手動操作引起變化計算調整動態門檻值。
泄漏報警：如果在一時間周期范圍內泄漏量超過泄漏門檻值，泄漏報警應該在下個計算周期內發布。如果超過門檻值，維持1.25倍時間周期或大幅度超過門檻值在1.10倍時間周期內，則應發布報警、警告。
虛假報警：應采取各種技術以防止假泄漏報警，應采用數據分析方法向操作員確認泄漏警告和報警的概率等級。如果數據分析不能確定泄漏可信度等級，則泄漏檢測系統應增加門檻值。如果計算門檻值，在確定的時間期內不能檢測出泄漏大小，則泄漏檢測系統應向操作人員發出一份報告。
泄漏檢測報警信息：當檢測到泄漏時，應向操作人員提供如下的內容：
泄漏報警；
泄漏量的大小；
泄漏的可信度，一般的情況下可信度分為三級：高、中、低。
泄漏定位信息：當檢測到泄漏時，應向操作人員提供如下的內容：
泄漏的位置位于:
Xkm ≤ 泄漏的位置 ≤ Ykm，位于Zkm。
可信度級別。
管道模型在計算中采用了一些參數，如其中之一的摩擦系數（主要由管道的粗糙度和實際管道內徑決定），系統根據各個管道截面的壓降和流量自動計算這些參數，如摩擦系數增加即相當于壓降增大，從而導致管道的效率下降。該分析結果可提醒操作員，由他們決定是否修改系統參數以適應管道效率的下降或發送清管器清理管道。
（2）清管器跟蹤
提供有關清管器的位置和到達預定地點的時間，作為調度人員下達操作命令的依據。
（3）過程預測
使調度人員可根據在不同的工況和條件下的計算結果，對管道進行操作以確保管道在安全、穩定、高效的狀態下運行。預測模型與實時模型具有同樣的配置標準，包括管線和設備模型，報告和報警能力。它是一個獨立的動態模型，能模擬所有類型操作條件，如:
壓力和流量設定點的改變；
設備狀態改變，輸油機停止/起動，閥門開/關，等；
產品參數改變。
過程預測可為調度人員提供下列過程分析結果：
操作計劃及順序；
實際操作前可行的操作策略；
在危險情況發生前，采取的預防措施；
維修的效果；
在管道進出量發生變化時，產生的因果關系；
危害的后果；
與設計，操作和維護有關的其他問題。
(4) 模擬培訓
該功能可用于對操作人員進行培訓，并可利用它模擬的管道實際工況，考核操作人員是否掌握了操作和處理問題的技能。模擬培訓是一個按實際管道模型和設備模型組成的離線系統。應對管道操作人員進行如下的培訓：
管道安全運行操作；
管道性能的優化；
異常情況的適當反映；
在設計參數范圍內操作；
完整系統的有效監測；
故障排除；
管道水力工況；
SCADA系統的模擬培訓。
(5) 管道運行模擬
管道運行模擬可根據預計的運行工況和實際的工況模擬管道的靜態和瞬態運行工況。它以基礎實時模型為基礎，模擬現場實際安裝的各種設備（如輸油泵機組、各種類型的閥門、調節閥、調節回路等），提供在各種運行工況下管道運行的數據和結果，為調度人員制定操作運行方案提供參考依據。
5 結束語
通過以上敘述，我們了解了長輸原油管道的泄漏檢測和在線模擬仿真，希望通過這些技術的廣泛應用和技術的不斷完善，不斷的提高長輸油管道的安全生產、經濟運行、安全管理的水平。
參考文獻
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[2] 徐潔, 丁金婷, 江皓. 管道泄漏檢測方法綜述[J]. 管道技術與設備, 2004(4).
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號