iSafe油气管道泄漏在线监测系统解决方案
一、概述
1.1 国油气管道现状
中国油气管道建设一直以突飞猛进的速度增长。新中国成立伊始，中国油气管道几乎一片空白，2004年我国油气管道总长度还不到3万千米，但截至2015年4月，油气管道总长度已达近14万公里，油气管网是能源输送的大动脉。过去10年，我国油气管网建设加速推进，覆盖全国的油气管网初步形成，东北、西北、西南和海上四大油气通道战略布局基本完成。频发的事故与不断上升的伤亡数字，也成为伴随着中国油气管道行业高速发展的阴影。2000年，中原油田输气管道发生恶性爆炸事故，造成15人死亡、56人受伤；2002年，市天然气管道腐蚀穿孔，发生天然气泄漏爆炸，造成6人死亡、5人受伤；2004年，省市发生天然气管道爆炸，5人死亡、35人受伤；2006年，省仁寿县富加输气站进站管道发生爆炸，造成10人死亡、3人重伤、47人轻伤。2013年11月22日黄岛区，中石化输油储运公司潍坊分公司输油管线破裂后发生爆炸，造成62人遇难。多发的管道事故特别是一些重大的油气泄漏、火灾爆炸等恶性事故对人身安全、自然环境造成了巨大危害。
1.2 国家和政府的要求
自2013年底开展油气输送管道安全隐患专项排查整治以来，各地区、各有关部门和单位协同行动、共同努力，取得了积极进展，全国共排查出油气输送管道占压、安全距离不足、不满足安全要求交叉穿越等安全隐患近3万处。2014年9月，国务院安委会发布关于深入开展油气输送管道隐患整治攻坚战的通知，要求完善油气输送管道保护和安全运行等法律法规、标准规、安全生产监管体系和应急体系建设。
1.3 系统建设目标
管道的完整性和安全运营的重要性和必要性显得尤为突出。为确保管道安全运行，消除事故隐患，保护环境，迫切需要对油气管道建设可靠的泄漏监测系统。用音波法、负压波法、质量平衡法融合一起的管道泄漏监测系统对压力管道进行泄漏监测是目前最先进、最可靠的泄漏监测技术。iSafe管道泄漏监测系统采用音波法、负压波法、质量平衡法三种方法融合的管道泄漏监测技术，能准确迅速发现泄漏并确定油气管道泄漏位置。
二、技术方案
2.1 现有管道管理及技术手段分析
国外从20世纪70年代就开始对管道泄漏检测技术进行了研究。国管道泄漏技术的研究起步较晚，但发展很快。
目前，国现有的泄漏检测方法从最早的人工沿管路分段巡视检漏发展到较复杂的利用计算机软件和硬件相结合的方法；从陆地管道检测技术发展到海底检测。其中，根据测量分析的媒介不同可分为直接检测法与间接检测法。直接检测法指直接用测量装置对管线周围的介质进行测量，判断有无泄漏产生。主要有直接观察法，气体法，清管器法。间接检测法是根据泄漏引起的管道流量、压力等参数及声、光、电等方面变化进行泄漏检测。主要有水压、气压检测法，质量、体积平衡法，压力点分析法，负压波检测法、音波法等。随着世界各国管道建设的快速发展，管道泄漏监测技术也伴随发展几十年。从油气管道泄漏监测的历史来看，国外早期的监测技术手段大多采用压力点分析法，负压波检测法，光学检测法，声发射技术法，动态模拟法，统计检测法等方法。
目前的泄漏监测和定位手段是多学科多技术的集成，特别是随着传感器技术、模式识别技术、通信技术、信号处理技术和模糊逻辑、神经网络、专家系统等人工智能技术等发展，为泄漏检测定位方法带来了新的活力，可对诸如流量、压力、温度、密度、粘度等管道和流体信息进行采集和处理，通过建立数学模型或通过信号处理，或通过神经网络的模式分类、或通过模糊理论对检测区域或信
号进行模糊划分，从而提取故障特征等基于知识的方法进行检测和定位。将建立管道的数学模型和某种信号处理方法相结合、将管外检测技术和管检测技术相结合、将智能方法引入监测和定位技术实现智能检测、机器人检测和定位等作为研究方向。根据管道泄漏监测检测技术的特点，油气管道的泄漏监测技术应用以负压波法、音波法、质量平衡法为主有条件的地区，还可采用人工巡检相结合的方法。几种检漏方法配合使用，相互补充，组成可靠性和经济性均得到综合优化的检漏系统，可使管道泄漏得到很好的控制。
2.2 iSafe管道泄漏监测系统技术原理
管道泄漏是一个瞬态变化过程，泄漏瞬间将产生各种频率的声波信号。频率小于10Hz的音波信号具有频率低、波长长、穿透力强和传输衰减小的特点，适合用于管道泄漏监测。低频音波在海洋里传播数千公里的距离后仍可被有效的监测到。管道泄漏产生的音波信号在系统中显示如图1.1。
图1.1管道泄漏产生的音波信号
音波法、负压波法、质量平衡法三种方法结合的管道泄漏监测系统具有灵敏度高、误报率低、定位精度高等优点。其工作原理是：当管线发生泄漏事故时，泄漏点处产生的音波/压力波沿管道向上、下游传播，利用管段上下游安装的音波传感器阵列/压力传感器检测到音波/压力波到达的时间差和声波在管道中的传播速度，可以确定泄漏点位置。具体实现包括，传感器接收到的管音波信号通过电缆传给ACU（Acoustic Controller Unit，声学监控终端）或压力信号传给RTU，
ACU/RTU将模拟音波信号转换为数字信号，通过时间同步、噪声抑制、干扰抵消和模拟识别等处理，判断是否出现泄漏，并确定接收到泄漏音波信号的时刻。ACU/RTU将通过网络将泄漏监测状态信息传输给泄漏监测服务器，泄漏监测服务器根据音波/压力波传播速度、管段信息及管段两端传感器接收到泄漏音波的时间差，计算泄漏位置。
2.3 管道泄漏监测系统的国外产品对比分析
目前管道安全测漏主要的竞争对手包括，国外的如美国休斯敦声学系统公司ASI，基于次声波法的WaveAlert系统，是利用管道两端安装的次声波传感器对管道泄漏瞬间流体高速流出发出的次声波信号进行实时监测来定位泄漏发生的位置。英国壳牌公司研发的ATMOS Pine的管道泄漏检测系统是基于统计分析原理，利用SCADA系统提供的流量、压力、温度等数据，通过流量或压力变化、质量或体积平衡、动力模型和压力点分析，利用优化序列分析法来检测泄漏。澳大利亚Future Fiber Technologies公司(FFT)开发和研制的光纤管道安全防御系统(FFT Secure Pipe TM)利用油气管道同沟铺设的通讯光纤实时地采集来自管道周边10米围、对管道构成威胁的行为所产生的各类震动，位移，监测管道运行状况。但国外产品价格昂贵，而且本地化的技术支持和维护服务都存在很大问题。
目前国油田长距离输油管道大都没有安装泄漏自动检测系统，主要靠人工沿管线巡视，管线运行数据靠人工读取，这种情况对管道的安全运行非常不利。我国长距离输油管道泄漏监测技术的研究从九十年代开始已有相关报道，但只是近几年才真正取得突破，在生产中发挥作用。清华大学自动化系、天津大学精密仪器学院、大学、西南石油大学、中国计量院等都在这一方面做过研究。国公司有华北油田新贝达公司、昊科航公司、东营五色石测漏技术等。但国研究机构和国公司的测漏产品基本上都是采用基于压力波（负压波）法的管道泄漏监测系统或者是流量检测法。负压波系统检测灵敏度低，而且无法用于气体管道测漏。流量法系统只能初略判断是否泄漏，无法定位。此外还有一些国公司利用光纤的震动和温度变化对管道进行预警，像中石油管道通信电力工程总公司自主研发的“光纤管道安全预警系统”，可以应用于已铺设光纤的新管线，而对于老管线来说需要重新铺设光纤，造价昂贵。
