基于虛擬儀器的原油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一、泄漏監(jiān)測(cè)與定位的原理
隨著管道的建設(shè)，各種監(jiān)測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測(cè)的主要有壓力梯度法、負(fù)壓力波法、流量平衡法、超聲波檢測(cè)法等物理方法和一些化學(xué)方法，這些方法的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合各不相同。國(guó)外雖然有比較成熟的技術(shù)，但是不能夠適應(yīng)中國(guó)原油輸送的特點(diǎn)，而且價(jià)格昂貴。在國(guó)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(chǎng)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
我國(guó)近年來的原油泄漏主要是因?yàn)槿藶槠茐脑斐傻?，特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短、泄漏量較大，屬于突發(fā)性事故，我們采用負(fù)壓力波檢測(cè)法。1997年我們?yōu)槿A東石油管理局濮陽(yáng)-滑縣的管線設(shè)計(jì)了一套泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是在DOS操作系統(tǒng)下用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，其主要缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)，數(shù)據(jù)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(tái)，設(shè)計(jì)并不斷完善了基于虛擬儀器的原油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)成功地安裝于臨盤-濟(jì)南和滄州-臨邑的兩條管線上。

負(fù)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(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，由于管道內(nèi)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(bǔ)充。這一過程依次向上下游傳遞，相當(dāng)于泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負(fù)壓力波。根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間差和管內(nèi)壓力波的傳播速度就可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。定位的原理如圖1所示，L為管道長(zhǎng)度，X為泄漏點(diǎn)，t1，t2為負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間。圖2為采集到的負(fù)壓波波形，縱坐標(biāo)單位為MPa。

圖1 負(fù)壓波定位原理

圖2 負(fù)壓波波形

常規(guī)的負(fù)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(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(guó)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(guó)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(zhǎng)，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(shù)，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(shí)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(cè)中也是一個(gè)重要的參數(shù)。因?yàn)槲覈?guó)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)淹沒在一片噪聲之中。若同時(shí)監(jiān)測(cè)流量的變化，也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，彌補(bǔ)壓力靈敏度低的缺點(diǎn)。另外，除了泄漏，泵站內(nèi)部的操作，如調(diào)泵、調(diào)閥，也會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓波。我國(guó)的現(xiàn)狀要求只能在站內(nèi)安裝一臺(tái)壓力變送器，所以僅靠壓力就不能判斷負(fù)壓波是站內(nèi)產(chǎn)生的還是站外產(chǎn)生的。而流量變化對(duì)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(fù)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(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(jiān)視管道的運(yùn)行狀況。壓力變送器和溫度變送器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流模擬信號(hào)，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(jì)數(shù)器。從功能、價(jià)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(duì)于微弱信號(hào)的提取效果明顯，可以觀察到萬(wàn)分之幾MPa的微小變化。在臨-濟(jì)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(chǔ)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?yàn)槭抢鄯e量，每一天一個(gè)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(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(zhǔn)確地捕捉到泄漏負(fù)壓力波信號(hào)序列的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)。由于不可避免的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾、輸油泵的振動(dòng)等，采集到的壓力波信號(hào)序列附加了大量噪聲，如何從噪聲當(dāng)中準(zhǔn)確地提取出信號(hào)的特征點(diǎn)是定位的關(guān)鍵。
首先，因?yàn)椴煌瑮l件（管徑、溫度、壓力、輸送工藝、環(huán)境噪聲等）下的信號(hào)具有不同的特征，我們利用LabVIEW中豐富的信號(hào)處理函數(shù)對(duì)信號(hào)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(duì)不同的信號(hào)做出相應(yīng)的處理。例如，在滄州首站，啟泵的時(shí)候信號(hào)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?yàn)閴毫Ρ容^低而非常明顯，如圖3。針對(duì)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(hào)的邊沿，而且計(jì)算速度非?？?，可以用于在線處理。對(duì)比下面兩圖，可以看到濾波的效果。

圖4 上圖的信號(hào)經(jīng)過中值濾波器之后的波形

對(duì)信號(hào)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(dòng)態(tài)庫(kù)來捕捉壓力波變化的特征點(diǎn)。將含有負(fù)壓波信號(hào)的數(shù)據(jù)通過兩通道濾波器，分為低頻概貌和高頻細(xì)節(jié)兩路輸出，負(fù)壓波的位置就是高頻細(xì)節(jié)當(dāng)中最小值對(duì)應(yīng)的索引值。圖5為圖2所示信號(hào)的高頻結(jié)果。因?yàn)槲覀儍H分析信號(hào)，不作重構(gòu)，所選擇參數(shù)設(shè)計(jì)更為靈活的雙正交的濾波器組，而不必考慮對(duì)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?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)對(duì)于不同的信號(hào)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(hào)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(jì)
以滄州-臨邑長(zhǎng)輸管線的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例介紹一下整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
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(jì)算機(jī)組成。各站的裝置包括各種傳感器、計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理裝置、信號(hào)采集卡和調(diào)制解調(diào)器等。
因?yàn)楣艿廊€長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)里沒有現(xiàn)成的函數(shù)可供調(diào)用，我們綜合運(yùn)用Serial Port VIs，In Port， Out Port 和Call Library Function調(diào)用自己編寫的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，控制調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)通信，各個(gè)子站的數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)傳到中心站，線路中斷能夠自動(dòng)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(yùn)用負(fù)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(tái)計(jì)算機(jī)之間建立了以太網(wǎng)，使用TCP/IP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)還有其他PLC系統(tǒng)，我們用DDE實(shí)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(duì)系統(tǒng)的操作都設(shè)計(jì)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(xiàng)。每一項(xiàng)菜單還有報(bào)警、都通過VI Server的方法動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)用實(shí)現(xiàn)菜單操作
圖7和圖8為中心計(jì)算機(jī)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(tái)，和其他同類產(chǎn)品相比，LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫骘@示了強(qiáng)大的功能，尤其是其數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)提高了我們的工作效率。我們綜合運(yùn)用了數(shù)字濾波、中值濾波、頻譜分析等等各種信號(hào)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(chǎng)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(jià)格并不比其他同類產(chǎn)品高，而且性能非常出色，在LabVIEW當(dāng)中有多種方法可供調(diào)用。同時(shí)，Advanced Functions和其他通信函數(shù)擴(kuò)展了LabVIEW的性能，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活。模塊化的設(shè)計(jì)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(yàn)室完成了全部程序的編制，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段，也可以很快作出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)用戶的要求。系統(tǒng)反映靈敏，報(bào)警時(shí)間小于200秒；定位精度比原來用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的系統(tǒng)大大提高，最大定位誤差小于被測(cè)管長(zhǎng)的2%。還能夠估算泄漏量，具有和其他程序的接口，方便擴(kuò)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在勝利油田臨盤-濟(jì)南管線，2001年3月5日至4月12日，共監(jiān)測(cè)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(guó)家挽回經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十萬(wàn)元。
天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多年的探索，對(duì)我國(guó)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)，研制的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種不同的工況特點(diǎn)。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(yáng)）的全線改造、遼河油田曙光-錦西等管線，在我國(guó)的石油生產(chǎn)和運(yùn)輸領(lǐng)域具有廣闊的前景。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)天然氣管道泄漏也作了一定研究，隨著我國(guó)天然氣管道的發(fā)展，美國(guó)國(guó)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。