热输油管道的泄漏检测及定位系统研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 894.86KB 76 页 15积分
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目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................................................................................1
§1.1 管道运输概况 ..................................................................................................... 1
§1.1.1 管道运输的发展史及其特点 ........................................................................1
§1.1.2 我国管道运输发展情况及现状 ....................................................................2
§1.1.3 管道运输面临的问题 ....................................................................................2
§1.2 管道泄漏检测技术 .............................................................................................4
§1.2.1 国外管道泄漏检测技术的发展情况 ............................................................4
§1.2.2 我国管道泄漏检测方法研究状况 ................................................................5
§1.2.3 管道泄漏检测技术方法总结 ........................................................................6
§1.3 课题意义及主要工作 .........................................................................................7
第二章 输油管道泄漏检测及定位方法 ...................................................................... 9
§2.1 常规负压力波法泄漏检测技术 .........................................................................9
§2.1.1 负压力波法泄漏检测定位基本原理 ............................................................9
§2.1.2 负压力波法泄漏检测定位中的关键因素 ..................................................10
§2.2 热输油管道的负压力波泄漏检测定位方法 ................................................... 11
§2.2.1 热油管道的沿程温降分析 ..........................................................................11
§2.2.2 热输油管道中负压力波波速的确定 ..........................................................12
§2.2.3 热输油管道中负压力波定位方法的确定 ..................................................14
§2.3 梯形法数值积分在热输油管道负压力波定位中的应用 ...............................17
§2.3.1 梯形法数值积分 ..........................................................................................18
§2.3.2 梯形法数值积分对泄漏点定位的实现 .......................................................19
§2.3.3 梯形法数值积分精度分析 ..........................................................................21
§2.4 小结 ...................................................................................................................25
第三章 小波变换在泄漏定位中的应用 .................................................................... 26
§3.1 小波变换的基本原理及特点 ...........................................................................26
§3.1.1 傅里叶变换与短时傅里叶变换 ...................................................................26
§3.1.2 小波变换的概念 ..........................................................................................27
§3.1.3 小波变换的特点 ..........................................................................................30
§3.2 小波变换实现信号奇异点检测 .......................................................................31
ii
§3.2.1 信号奇异性的度量方法 ..............................................................................31
§3.2.2 信号奇异点与小波变换模极值点的关系 ..................................................32
§3.2.3 小波变换的多尺度（分辨率）分析 ..........................................................34
§3.3 小波变换在管道泄漏点检测中的应用 ...........................................................35
§3.3.1 管道压力信号的小波变换的实现方法 ......................................................36
§3.3.2 管道首、末两端压力变化时间差的求取 ..................................................38
§3.3.3 实现小波变换程序调用应注意的问题 ......................................................39
§3.4 小结 ................................................................................................................... 40
第四章 基于流量参数的分析在负压力波法泄漏定位中的应用 ............................ 41
§4.1 负压力波法泄漏检测中存在的问题及解决方法 ...........................................41
§4.1.1 负压力波定向报警技术和模式识别报警技术 ...........................................41
§4.1.2 流量差值的报警技术 ...................................................................................43
§4.2 基于流量的互相关分析 ...................................................................................44
§4.2.1 互相关函数的概念和计算方法 ...................................................................44
§4.2.2 基于流量的互相关分析方法和实现 ...........................................................44
§4.2.3 流量互相关分析的仿真研究 .......................................................................45
§4.3 基于流量互相关分析在管道泄漏中的应用 ...................................................47
§4.4 小结 ................................................................................................................... 50
第五章 管道泄漏检测系统设计中的其他问题 ........................................................ 51
§5.1 数据采集时间的校准方法 ...............................................................................51
§5.1.1 全球定位技术（GPS）简介 ...................................................................... 52
§5.1.2 GPS 系统在数据采集时间的校准中的应用 .............................................. 52
§5.2 采集数据的传输问题研究 ............................................................................... 53
§5.2.1 远程数据传输方式 ......................................................................................53
§5.2.2 电话线远程数据传输的实现 ......................................................................56
§5.3 小结 ................................................................................................................... 58
第六章 管道泄漏检测系统的总体实现 .................................................................... 59
§6.1 管道泄漏检测系统的总体设计 .......................................................................59
§6.2 管道泄漏检测系统的硬件方案 .......................................................................60
§6.2.1 传感器的选用 ..............................................................................................60
§6.2.2 数据采集卡 ..................................................................................................61
§6.3 管道泄漏检测系统的软件方案及实现 ...........................................................61
§6.3.1 软件设计和实现方法 ..................................................................................61
§6.3.2 系统可行性验证及误差分析 ......................................................................62
§6.4 小结 ................................................................................................................... 63
总结与展望 .....................................................................................................................65
附录 .................................................................................................................................67
参考文献 .........................................................................................................................71
在读期间公开发表的论文和承担的科研项目及取得成果 ........................................ 74
致 谢 ...............................................................................................................................75
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 管道运输概况
§1.1.1 管道运输的发展史及其特点
管道运输是随着石油开发而兴起的，并随着石油、天然气等流体燃料需求量
的增长而发展。现代管道运输开始于 19 世纪中叶，1859 年8月在美国宾夕法尼亚
州的泰特斯维尔打出了第一口油井，拉开了油溪地区石油开发的序幕继而也开启
了管道输送技术的探索。1865 年10 月美国人 S.V.锡克尔用管径 50 毫米、长 4.6
米的搭焊熟铁管，修建了第一条长为 9，756 米的输油管道，沿线设三台泵每小时
输原油 13 立方米。第二次世界大战期间，美国修建了两条当时管径最大、距离最
长的管道：一条原油管道管径 600 毫米、连同支线全长 2，158 公里，日输原油 47，
770 立方米；另一条成品油管道管径 500 毫米、全线总长 2，745 公里，日输成品
油37，420 立方米[1]。这两条管线中的泵站均采用电动离心泵，并设有程序启、停
和输量调节设施。这标志着管道技术有了很大的发展。
70 年代以后，管道运输技术又有了较大的提高，大型管道相继建成。1972 年
建成的苏联至东欧五国的“友谊输油管道”，管径为 1，220 毫米、全系统总长 9，
739 公里、年输原油 1亿吨。1977 年建成的纵贯美国阿拉斯加南北、穿过北极圈
的原油管道，管径 1，200 毫米、全长 1，280 公里，设计年输原油 1.2 亿吨。中东
国家的管道运输也在迅速发展，如沙特阿拉伯的东西石油管道，管径 1，
220 毫米、
全长 1，195 公里。随着海洋油、气田的开发，海洋输油管道逐渐由浅海走向深海，
如从北海油田至英国的原油管道等。
经过一百多年的发展，管道运输也已经成为与铁路、公路、航空、水运并行
的五大运输手段之一。目前，全世界大型输油管线总长超过 200 万公里，并且以
每年 4-5 万公里的速度在递增。相较其他几种运输方式,管道运输具有以下特点[2, 3]：
⑴ 运量大，效率高。一条管径 720 毫米的管道，可年输送易凝、高粘原油 2，000
万吨以上，相当于一条铁路的运量；一条管径 1，220 毫米管道的年输量则可高达
1 亿吨以上。
⑵ 管道多埋于地下。其埋入地下的部分一般占管道总长的 95%以上，永久占用的
土地少；管道还可以从河流、湖泊甚至海洋的水下穿过；也可以翻越高山、横越
沙漠，允许铺设坡度比公路和铁路大，便于选取捷径有效缩短运输距离。
⑶ 受恶劣气候条件的影响较小，可以长期稳定的运行。
⑷ 便于管理，易于远程监控；维修量小，劳动生产率高。
⑸ 耗能低，损耗少。输送每吨轻质原油的能耗只有铁路的 1/12-1/7，同时在封
热输油管道的泄漏检测及定位系统研究
2
闭的管道中运输大大减少了挥发损耗。
正是由于管道运输在输送液体、浆体、气体等散装物品方面所具有的独特优
势，管道工业在国民经济的发展中占有重要的地位。
§1.1.2 我国管道运输发展情况及现状
管道运输在我国某种意义上可以说是一种既古老又年轻的运输方式。早在公
元2世纪，我国就有了用竹管送水的方法，后来四川省中部发明了用竹管输送天
然气和卤水，推动了井盐工业的发展。到了 10 世纪末期，四川自流井输送天然气
的竹管道就有 10 多条，总长达二三百公里。但是以钢管为材料，具有机械动力装
置的现代化管道运输在旧中国基本上不存在。
新中国成立后，随着石油和天然气生产的发展，管道运输业得到了相应的发
展。50 年代初，首先在甘肃省的玉门油矿铺设了一些短距离的输油管道。1958 年，
我国修建了从克拉玛依油田到独子山炼油厂的第一条全长为 147 公里的原油干线
管道，揭开了我国长距离管道运输的历史。70 年代随着大庆、辽河等油田的相继
开发，长输管道建设进入了一个新的发展时期，陆续建成了大庆-铁岭、铁岭-秦皇
岛、铁岭-大连、秦皇岛-北京等 2，200 多公里的原油管道。1974 年还修建了中国-
朝鲜的跨国输油管道。此外随着胜利、华北、中原等油田的开发，1979 年又先后
建成了鲁宁线（临沂-南京）、任沧线（任丘-沧州）、濮临线（濮阳-临沂）、中洛线
（濮阳-洛阳）等长输管线[4]。80 年代又建成了当时具有世界水平的东黄复线。90
年代后，我国的长输管线建设进入了快速发展时期，相继建成花格线（花土沟-格
尔木）、阿塞线（阿尔善宝力格-塞汗塔拉）、陕京线、库鄯线（库尔勒-鄯善）等 2，
100 多公里的管道，油气长输管道每年铺设长度超过 400 公里，逐渐完善了东北、
华北、华东管网。经过 40 多年的发展，我国的油气输送管道从无到有、从小到大
不断完善，截至到 2002 年，我国石油、天然气管道总长已近 3万公里，年输送能
力达 682 亿吨，全国石油、天然气产量的 90%通过长输管道源源不断地输向炼油
厂、化工厂及海运码头[5]。
尽管我国的管道运输事业已有了很大的发展，长输管道建设初具规模，但是
与世界拥有 145 万公里的管道相比则实在太少，仅占 1%左右，这与我国原油年产
1.4 亿吨、列居世界前五位的产油大国极不相称。因此，长输管线的积极建设以及
深入研究管道设备技术、充分发挥管道运输的重大作用，已成为我国目前管道运
输发展的迫切任务。
§1.1.3 管道运输面临的问题
相比其他的运输方式,管道运输虽然拥有诸多独特的优点，但是也存在一些问
第一章 绪论
3
题。随着运输管道投入使用年限的增长，管材的老化、外界腐蚀以及不法分子人
为破坏等因素的存在，使得管道泄漏事故时有发生。据统计资料表明，目前世界
上总管网中有超过一半以上的管道已经使用了 30 年甚至更长的时间，管材的老化
已经使得管道事故发生的概率明显增大，再加之人为因素的破坏，管道泄漏事故
更是时有发生。由于管输介质多具有危险性和污染性，一旦发生泄漏事故不仅会
带来自然资源的浪费甚至会引起巨大的生命财产损失以及严重的环境污染，这个
问题是任何使用管道运输的国家都必须面对的[6,7]。
厄瓜多尔是南美第五大产油国，日产原油 53 万桶。2006 年9月4日厄瓜多尔
国营石油公司出具的调查报告显示：06 年以来，厄瓜多尔境内共发生了 117 起原
油泄漏事件，致使境内主要产油区亚马逊地区的植被及河流严重污染、生态环境
日趋恶化。其中 8月中旬，该公司位于厄东北部库亚贝诺国家公园区域的一条输
油管道遭人为破坏后发生泄漏，约 500 桶原油流入保护区内的库亚贝诺河，造成
该河流域严重污染，约 12 公里长的浮油层侵入该保护区的 3个湖泊。厄瓜多尔环
保部说，这次原油泄漏严重污染了库亚贝诺国家公园约 3.5 万公顷植被，该地区的
生态环境需要几年时间才可能恢复[8]。墨西哥的油气管道老化情况较为严重，据墨
西哥石油研究所提供的数据表明该国有超过三分之一以上的石油管道已有 30 多年
的历史，恶性管道事故频有发生。2005 年1月8日墨西哥石油公司在韦拉克鲁斯
州的一输油管道发生大面积泄漏事故，尽管事故发生后工作人员及时采取了措施，
并将当地几百户居民迁至别处，但仍有数百人出现因呼吸道受强烈刺激而引起的
咳嗽、恶心呕吐等中毒症状。据统计这次管道泄漏事故造成了至少 769 名当地居
民住院接受治疗，泄漏出的 5，000 多桶的原油严重污染了方圆 3公里的土地。同
年4月13 日墨西哥国家石油公司在韦拉克鲁斯州的奇塔尔镇附近的一条管道发生
氨气泄漏事故，泄漏的氨气冒出地面后引发了剧烈的爆炸，导致了 5名工人中毒
死亡、另有数人下落不明紧急疏散疏 6，000 多名居民。2000 年8月19 日美国墨
西哥州东南部城镇卡尔斯巴德附近的一条天然气管道发生泄漏事故并引发了爆
炸，该事故至少造成了 10 死亡、2人严重烧伤[9]。
我国在役的长输管线中大部分管道是 60-70 年代建立的，已进入中老龄期，正
处于事故的多发阶段。此外，在我国的管道泄漏事故中除了自然腐蚀穿孔和偶然
的外部机械撞击造成的泄漏外，由不法分子人为打孔偷盗国家资源而引起的管道
事故也占有很高的比例。从上个世纪 90 年代初开始，在正常运行的油气管道上打
孔盗油成了一些不法分子谋取不义之财的手段。2001 年11 月6日沈阳输油管理处
管段的铁大线 42 公里+20 米处，发生了一起盗油分子打孔盗油事件，造成原油大
量喷发泄漏损失原油 180 立方米，全线停输达 7个多小时。鲁宁输油管道是我国
热输油管道的泄漏检测及定位系统研究
4
“北油南输”的一条重要管道，全长 700 多公里，负责将胜利油田的石油输送到
江苏的九江、扬子等 9家大型炼油厂，截止到目前，这条管道已被打孔上百次。
2002 年11 月21 日，鲁宁线曲阜段被不法分子用钻头钻开，原油从直径 3.2 厘米
的钻孔中喷涌了 5个多小时，100 多吨原油被无端浪费更造成鲁宁输油管道的一度
停输。秦京线输油管道担负着向北京燕山石化公司年输送 700 多万吨原油的输油
任务，该管线自 1998 年6月发生首次打孔盗油案件以来，至 1999 年年底共发生
打孔盗油事件 11 起，从 2000 年年初至 2002 年3月间已发生打孔盗油事件 70 多
起，而且手段越来越狡猾、隐秘。打孔盗油事件给国家带来的损失是巨大的，据
不完全统计，在管道上每发生一次打孔盗油事件所带来的直接经济损失约为 58 万
元左右，仅 2001 年一年间在我国长输管道上发现的打孔盗油事件已超过 1000 起，
不仅带来了惨重的经济损失更为严重的是这同时也给管道的安全运输造成了极大
的危害[10]。
因此为了维护管道运输的正常运行，同时也为了打击不法分子的盗油活动，
一方面需要加强、完善管道维修、管理机制以及加大盗油犯罪活动的打击力度，
防范泄漏于未然；另一方面对于泄漏事故发生后，为了尽可能减小泄漏带来的损
失和危害，需要可靠、有效的泄漏检测手段。
§1.2 管道泄漏检测技术
管道泄漏检测的主要目的就是减少泄漏物质的损失以及尽量降低泄漏物带来
的环境污染和人身伤亡、财产损失等危害，因此对检漏技术方法一般有以下要求：
⑴ 实时性：理想的泄漏检测系统能在泄漏发生后，实时地检测出泄漏的发生，以
便工作人员立即采取措施，减少损失。
⑵ 准确性：当泄漏发生后，能够准确地测报出泄漏，不应因为其他干扰情况发出
泄漏误报警。
⑶ 定位精度：长输管道的延伸距离长，检漏系统要能够提供给工作人员准确地泄
漏点位置，即便维修人员及时修复破损管道。
⑸ 可维护性：检漏系统的装置易于工作人员的维修和调整。
⑹ 性价比：对检漏系统的建设、运行和维护投入的费用与系统所提供的性能之间
的比值。
到目前为止，对管道泄漏检测技术方法的研究已有几十年的历史，在此期间所
设计和应用的诸多泄漏检测系统基本都是遵循以上原则而进行设计的[11,12]。
§1.2.1 国外管道泄漏检测技术的发展情况
由于管道技术最先在国外得到应用和发展，因此他们对管道泄漏的检测技术
第一章 绪论
5
的研究和应用也开始的较早,其主要的方法如下[13,14]：
1955 年美国最早将放射物检测法应用于管道泄漏的检测中。该方法将放射性
标记物如嗅-82、碘-131、钠-24 等加入到管输介质中，通过检测这些放射性物质的
量来确定是否发生了泄漏。这种方法的缺点在于检测操作的周期长，不适用于在
线实时检测，因而逐渐被弃用。
Toshio Fukuda 于1979 年提出了一种基于压力梯度时间序列分析的管道泄漏检
测方法[15]。该方法通过子回归模型对管道压力梯度序列使用统计的方法进行分析，
实现管道泄漏的检测。该方法所建立的回归模型中不包含管道流体模型，对仪表
精度的要求不高，但是这种方法的模型可能会偏离实际管道而且对管道的动态变
化敏感、抗干扰能力较差。
Digernes,T 在1980 年提出了“故障模型滤波器”的方法[16]。它给出了一套“故
障模型”，其中每个模型对应一种故障类型，用该方法对管道运行情况进行检测，
与哪个模型一致就认为发生了那类故障。该方法需要对管道及管道内流体参数进
行准确地测量并建立管道运行模型，其缺点是对仪表的要求高、运算量大并且适
应性差。
L.Billman 和R.Isermann 于1987 年提出了采用非线性模型的非线性状态观测
器[17]的方法。该方法能跟踪管道故障的变化，对管道中间状态也可以估计但是在
实际应用中建立一套管道的精确数学模型往往是很困难的，并且各项参数还可能
会随时间变化，所以该方法的分析结果会和实际有一定的偏离。
XueJun Zhang1993 年提出了基于动态质量平衡的气体和液体管道的统计检漏
法[18]。该方法根据管道入口的流量和压力，连续计算压力和流量之间的关系变化，
当泄漏发生时，流量和压力之间的关系较之正常情况会发生变化，应用序列概率
比试验（SPRT）和模糊识别技术可检测到该变化，从而可实现对管道泄漏的检测。
当确定泄漏发生后，用最小二乘法进行泄漏位置的计算。这种方法的优点在于原
理简单，不必建立管道动态模型适应性好，但是定位的精度较差。
Verde 在2001 年提出了一种管线中的泄漏定位方法[19, 20]，它采用最小线性度
的状态观测器估算流量偏差，并用泄漏点的一系列非线性方程计算泄漏点的位置。
这种方法只做了短距离管道试验，在长输管线中的使用能力还有待进一步的研究。
§1.2.2 我国管道泄漏检测方法研究状况
我国对管道泄漏技术的研究相对于其它国家开始的较晚，主要在八十年代以
后得到长足的发展。
陶洛文等人于 1986 年提出了一种通过辨识管内不恒定流的数学模型来确定故
障位置的方法[21]，先辨识出管线的数学模型，再对数学模型加尖锋脉冲，通过分
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论...................................................................................................................1§1.1管道运输概况.....................................................................................................1§1.1.1管道运输的发展史及其特点......................................

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