基于虚拟仪器的原油管道泄漏监测系统 泄漏事故, 接线端子, 环境污染, 开发平台, 采集卡

yuyang911220

应用领域：维护/现场测试
使用产品：LabVIEW, Application Builder, Signal Processing Tool kit, PCI-6023E数据采集卡（10块）以及相应电缆和接线端子
挑战：近年来我国原油泄漏事故频仍，造成巨大经济损失和环境污染，需要及时发现并能精确定位的监测系统。
应用方案：使用National Instruments公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW和数据采集卡，监视管道运行状况，并利用电话线路构成通信网络，建立一个实时性较好的监测系统。
介绍：本文介绍了负压波法监测原油管道泄漏的原理，并针对中国原油的特点，提出了改进方法。结合LabVIEW的特点，本文分析了基于虚拟仪器的泄漏监测系统的数据采集、信号处理和整体结构。该系统反映灵敏，定位精度高，在胜利油田临盘-济南和华东石油管理局沧州-临邑两条管线已经取得了明显的效果。
一、泄漏监测与定位的原理
随着管道的建设，各种监测技术也在不断发展，目前应用于管道泄漏监测的主要有压力梯度法、负压力波法、流量平衡法、超声波检测法等物理方法和一些化学方法，这些方法的特点和应用场合各不相同。国外虽然有比较成熟的技术，但是不能够适应中国原油输送的特点，而且价格昂贵。在国内，多家大学和油田均做过一定研究，但到目前为止，只有天津大学研制的系统成功地应用于现场，取得了显著的经济效益。
我国近年来的原油泄漏主要是因为人为破坏造成的，特点是持续时间短、泄漏量较大，属于突发性事故，我们采用负压力波检测法。1997年我们为华东石油管理局濮阳-滑县的管线设计了一套泄漏监测系统，是在DOS操作系统下用C语言实现的，其主要缺点是无法实现多任务，数据采集和通信不能同时进行。从2000年初至今，我们使用LabVIEW平台，设计并不断完善了基于虚拟仪器的原油管道泄漏监测系统，已经成功地安装于临盘-济南和沧州-临邑的两条管线上。
负压力波法是一种声学方法，所谓压力波实际是在管输介质中传播的声波。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。泄漏点两边的液体由于压差而向泄漏点处补充。这一过程依次向上下游传递，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。定位的原理如图1所示，L为管道长度，X为泄漏点，t1，t2为负压波传播到上下游的时间。图2为采集到的负压波波形，纵坐标单位为MPa。



图1 负压波定位原理



图2 负压波波形
常规的负压波法定位公式为：

(1)
其中a为管输介质中压力波的传播速度，Dt为上、下游传感器接收压力波的时间差。
此公式的前提是压力波速为常数，但是声波的速度与媒质的密度、压力、比热和管道的材质都有关。由于国外大多是轻质油，常温输送即可，原油的密度沿管线变化不大，所以波速可以看作常数。而我国的原油具有高粘度、高含蜡和高凝点的特点，必须加热输送。由于管道传输距离长，散热明显，一般沿程的温度变化约十几到二十几摄氏度，所以压力波的传播速度并不是一个常数，受温度影响很大。考虑到液体的弹性、密度和管材的弹性的因素，压力波传播速度a重新写为：

（2）

其中K为液体的体积弹性系数，r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为与管道约束条件有关的修正系数。其中体积弹性系数K和密度r都是温度的函数。所以采集压力的同时还要采集管道的温度用来校正压力波的传播速度。
流量在监测中也是一个重要的参数。因为我国很多原油管道都不是密闭输送，收油端直接接入大罐，本身压力就很低，再加之大罐的滤波作用，压力的变化可能会淹没在一片噪声之中。若同时监测流量的变化，也可以及时发现泄漏，弥补压力灵敏度低的缺点。另外，除了泄漏，泵站内部的操作，如调泵、调阀，也会产生负压波。我国的现状要求只能在站内安装一台压力变送器，所以仅靠压力就不能判断负压波是站内产生的还是站外产生的。而流量变化对于泄漏和站内操作具有不同性质，通过分析流量变化就可以甄别负压波的来源。
基于以上考虑，我们采取压力流量联合判断的方法，分别在管道的出口和进口加装合适量程的压力变送器、温度变送器和流量变送器，不间断采集原油的压力、温度和流量，监视管道的运行状况。压力变送器和温度变送器输出标准的4~20mA电流模拟信号，流量变送器输出的是脉冲。由于模拟量的采集速率不是很高，大约为几百Hz，脉冲的频率约为700多Hz，我们选用低价的多功能卡PCI-6023E，利用其两路模拟量单端输入和一个通用24位计数器。从功能、价格和开发周期等因素来考虑，这款采集卡都非常适合我们的要求。对于微弱信号的提取效果明显，可以观察到万分之几MPa的微小变化。在临-济线和沧-临线上共使用了10块PCI-6023E，连续工作的稳定性很好。
为了节约存储空间，我们采用二进制格式保存文件。压力和温度每一小时一个文件，流量因为是累积量，每一天一个文件，供泄漏定位和查阅历史数据之用。