基于次声波的泄漏检测技术在大港滩海油田的应用
一、引言
埕港管线工程包括49km输油管线和52km输气管线，起点为赵东平台，终点为大港原油储运库和天然气处理站，是大港滩海地区油气外输的主动脉，沿途多为虾池鱼塘，周边村落繁多，地方关系复杂，如何及时迅速发现管线的腐蚀穿孔及人为的偷盗打孔造成的泄漏损失，对于埕海油田油气生产的稳定具有重要意义。目前应用于各大油田的长输管线泄漏检测方法主要为声波检测技术、流量差报警技术和流量报警负压波定位技 术三种，埕港管线泄漏检测系统是以次声波法为基本方法，利用管道瞬态模型，采用输量平衡报警，次声波法定位，实现了对油气管道泄漏报警与定位检测的新方案。 二、埕港管线次声波预警系统工作原理 频率小于20赫兹的声波叫做次声波，由于次声波频率低，所以波长往往很长，不易被水和空气吸收，不容易衰减，传的很远。泄漏产生的次声波频率在1赫兹左右，当首末两站间输油管段内某一点发生泄漏时，根据流体力学理论，在流体中产生宽频声波和负压波，在管壁等弹性体内则产生了宽频声波和应力波。其中宽频声波中包含了从次声波到超声波的各个频段。产生的次声波将沿管道利用介质向两端传播，当该次波传播到管道端点时，并分别被设在两端的次声波变送器捕获，随泄漏位置的不同，首末站响应的时间差也不同，根据响应时间差、管道长度、次声波传播速度即可计算出相应泄漏位置。假设管道长度L、次声波波传递速度α（变量）、流速V，由以下公式即可算出管道泄漏位置X0： Δt=t2－t1 瞬时传播速度是介质粘度、密度、管道管径、弹性模量的函数。对由于因管线的工况参数及被输介质的理化性质和温度等引起次声波波的传递速度及衰减速度变化进行必要的补偿和修正，即可实现准确定位。 因管道开关阀门调排量、变频动作均会产生次声波，次声波传感器都有输出，为减少误报警，埕港管线泄漏检测系统采用了输量平衡法报警。由于液体的不可压缩性，当管道充满油以后，流入管道的液体等于流出管道的液体。不考虑流量计的误差，当流出量小于流入量时说明管道发生了泄漏。当进油口增加输量或者减小输量都会打破流量平衡即进站流量不等于出站流量，如果不加报警延迟系统会报警。实际上流量平衡会很快恢复，恢复时间大约10秒左右。因此根据管道的实际情况延迟报警时间减少因流量变化而引起的误报警，而泄露是无法在十几秒钟内恢复流量平衡的所以该系统不会误报。 三、埕港管线次声波预警系统技术特点 精确获得泄漏引发的压力波传播到上下游传感器的信号，需要准确地捕捉到泄漏次声波信号序列的对应特征点。由于不可避免的工业现场的电磁干扰、输油泵的振动等因素，采集到的次声波信号序列附加了大量噪声，如何从噪声当中准确地提取出信号的特征点是定位的关键，而微弱信号的识别能力又是提高系统灵敏度的关键环节。针对管线变频调节流量频繁以及次声波信号微弱的特点采用了小波变换的方法。小波 变换把某一被称为基本小波[也叫母小波（mother wavelet）]的函数ψ（t）作位移τ后，再在不同尺度a下与待分析信号x（t）作内积： ， a＞0 等效的频域表示是： 其基本思想是用一族函数去表示或者逼近一信号，这一族函数称为小波系数，它是通过一小波母函数的伸缩和平移产生其子波来构成的，用其变换系数即可描述原来的信号。小波变换具有多分辨率的特点，即可以由粗及精地逐级分析信号，也可以看成用基本频率特性为y（w）的带通滤波器在不同尺度下对信号作滤波。 由于信号在其变化点处通常是奇异的，因此利用小波变换的时间-尺度热性，可以有效地检测信号的奇异性。此外，小波变换还可以抑制噪声，从而检测出强噪声背景下的信号奇异点，获取信号变化的极值和时间等信息，这些信息为油气管道的泄漏检测和定位提供了重要依据。 四、现场测试及结论 管线选取埕海1-1人工岛至埕海联合站管线，该管线长约18.5 km，管道直径323mm，技术指标为：灵敏度： 0.5L/s；响应时间：在1min内应能检测出管道的突发性事故；精确度：±100m；误报率：<1%。在1-1岛和埕海联合站进行人工模拟放油试验，试验结果表明，系统的反应时间、定位精度等主要技术指标达了设计要求，最终使用达到了误报率为零、灵敏度小于2m3/h的效果。可以证明，埕港输油管道泄漏监测报警定位系统，从理论和结构上突破了常规管道泄漏监测方法和装置的缺陷，采用了次声波及小波分析信号处理方法，提高泄漏监测灵敏度，适合长距离、多管段、复杂条件下的应用。