第26卷第2期 油 气 储 运
多相流管道泄漏检测技术的发展现状
张东领3
(中国海洋大学工程学院)
尚战龙
(河南新飞电器有限公司)
张东领 尚战龙:多相流管道泄漏检测技术的发展现状,油气储运,2007,26(2)31～34。
摘 要 介绍了国内外用于多相流管道泄漏检测的技术和方法,分析了各种方法的优缺点,给出了其中几种方法的应用实例,指出多相流管道泄漏检测系统需要在精度、稳定性、快速反应等方面进行深入研究,认为泄漏检测系统应该将易于维护和操作、泄漏报警迅速准确、适应能力等要求作为今后研究的重点。
主题词 多相流管道 泄漏检测 检测技术 发展 研究
一、前 言
管道随着服役年限的增加,在其运行期间受到的磨损、腐蚀、自然以及人为等因素的影响,导致泄漏事故时有发生,事故造成的环境污染和生命损失比清理和停工造成的损失更大。因此,及时准确地对管道泄漏进行检测已成为亟待解决的问题。国外从20世纪70年代末开始对管道泄漏进行研究,80年代末进入较实用的商用阶段,但是这些研究主要是针对单相流管道,而对多相流管道泄漏的研究较少。当管道系统中存在两种或三种流体时,各流体的流动方式和性质是不同的,由于这些不确定性因素的增加,使得用于单相流泄漏检测的方法已不再适用。
二、声发射法〔1～3〕
管道泄漏产生的声发射信号是广义的声发射现象,与传统意义上的声发射现象不同。当管道内流体泄漏时,由于管道内外的压力差,流体通过泄漏点向外喷射形成声源,声源向外辐射能量形成声波,这就是管道泄漏的声发射现象。声发射法是将泄漏时产生的噪声作为信号源,由安装在管道上的传感器拾取该信号。当发生泄漏时,声信号由泄漏点沿管道向上下游传播,通过对传感器拾取的信号的处理而进行定位。泄漏量由声波的振幅值来估计,泄漏量随声信号振幅的增加而增加。
声发射法对高压和低流速的多相流管道泄漏检测效果较好,由于传感器安装在管道外面,因此不需要关闭管道系统进行设备的安装和校正。然而,工程现场背景噪声非常复杂,采集信号中包含了复杂分布的噪声,而且系统本身中的电子器件也将引入噪声,例如电磁噪声、热噪声等,所以需要通过先进的数字信号处理技术,降低系统的虚报警率,提高系统对泄漏的识别率。当监测的管道较长时,需要的传感器数目较多,费用较高。但随着分布式光纤声学传感器的应用,一根光纤可代替许多普通声音传感器,降低了监测系统的成本,使该方法应用于长距离管道的泄漏监测成为可能,并且提高了泄漏检测的精度。国外已将声发射监测系统应用于实际工程,美国休斯顿某公司的ASI泄漏监测系统能够在一分钟内检测到泄漏,定位误差仅为传感器监测管道长度的±0.1%。
三、气体监测法〔4,5〕
气体监测法是利用沿管道平行设置的传感器管进行泄漏检测。当发生泄漏时,碳氢化合物气体能扩散进入传感器管,传感器管定期将收集到的气体输送到碳氢化合物检测站,通过泄漏报警系统进行监测,并是通过比较传感器管收集到气体的时间和监测站检测到气体峰值的时间来确定泄漏位置。图1为气体监测法泄漏检测原理图。
3266071,山东省青岛市;电话:134********。
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图1 气体监测法泄漏检测原理图
气体监测法是一种泄漏检测的物理方法,不依赖压力或者体积监控。该系统能检测到软件方法所不能检测的较小的泄漏,适于多流体管道小泄漏的检测。该检测系统在基站安装,传感器管沿着管道安装。其资本投入较高,维修较少。缺点是对泄漏的发生检测速度较慢,其反应时间取决于传感器管输送气体到基站的时间间隔,该系统适用于低反应泄漏检测,可以与快速检测系统联合使用。
西门子公司的L EOS外部气体泄漏监测系统使用低密度聚乙烯传感器进行管道泄漏检测,检测到的最小泄漏量液体为1L/h,气体为0.1m3/h,定位误差小于监测管道长度的0.5%。
四、土壤监测法〔4,6〕
土壤监测法采用气体检测系统进行泄漏检测,通过分析管道周围土壤中的气态碳氢化合物的状态判断泄漏,示踪剂技术是该方法的扩展。该方法采用特有的、无害的高挥发性同位素化合物来监测管道。在每百万的管道容积中加一定量的同位素,对流体的物理特性不产生影响。几周内,任何泄漏出管道外的同位素随着燃料散开,扩散到周围土壤的空气中并且快速气化。探测器安放在管道周围的土壤中,泄漏检测软管沿管道布置。通过探测器和软管收集油气,用气体色度图进行同位素分析,可以检测到油气中一万亿分之一的同位素,其特点如下。
(1)能够检测多相流管道泄漏。
(2)能够检测到所有的泄漏点。
(3)用于已建或新建埋地管道,无需移动管道或影响管道的运行。
(4)为埋地管道泄漏检测提供了在线检测等方法。
(5)定位误差较小,泄漏点误差控制在1m 左右。
(6)长输管道由于需要传感器和化学物质较多,费用较高,因此不适用于较长管道的泄漏检测。
五、实时瞬态模型法〔7～9〕
实时瞬态模型法是近年来国际上重点研究的管道泄漏检测方法,是目前管道泄漏检测准确性、可靠度较高的一种方法。该方法是根据瞬变流的水力模型和热力模型并考虑管道内流体的速度、压力、密度、粘度等参数的变化,建立质量、动量、能量和决定流速的系统状态方程,在一定的边界条件下求解管内流场,通过比较流动变量的预测值和实测值之间的差异进行泄漏检测。当实测值与计算值的偏差大于一定范围时,即认为发生了泄漏。在泄漏定位中使用稳态模型,根据管道内的压力梯度变化可确定泄漏点的位置。将管道中的瞬时流量、压力和温度检测数据传输到监控微机中的通讯设备中,再通过无线发射器与中心计算机通讯。中心计算机中安装有在线仿真软件,该软件主要由实时模块、泄漏检测定位模块和报警模块等组成,其中,实时模块是在线仿真软件的核心模块,描述管道运行的数学模型就在此模块中。为了提高检测的准确性、灵敏度及精度,可在监测管道中间增加若干压力和温度传感器。使用该方法进行泄漏监测时,需要大量的设备进行数据采集,以及全天的SCADA技术支持,费用较高。该方法能很好地对多相流管道进行泄漏检测,能够检测到泄漏量小于总流量1%的泄漏。
1993年,沈阳东北管道设计院与清华大学自动化系合作研制成功了“输油管道泄漏计算机实时监测系统”。该系统只采用压力信号的4种监测方法和3种定位方法,最小检漏量为总流量的0.5%,最大定位误差为被监测管道长度的2%,反应时间小于180s。
六、压力点分析法〔6,10,11〕
压力点分析法PPA(Pressure Point Analysis)是一种基于软件的泄漏检测方法。管道在发生泄漏的前后,管道的一系列压力统计特性是不同的。该方法通过对管道某一点当前的压力信号与其发展趋势进行比较,通过软件分析来决定是否有泄漏发生。当管道处于稳定状态时,压力和速度以及密度分布不随时间变化。在设备供能增大或减小时,流体的速度、压力和密度的变化是连续的。一旦稳定状态
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受到某一事故的干扰,管道将向新的稳定状态过渡。PPA在管道沿线设点检测压力,采用统计的方法分析检测到的压力值,一旦压力平均值低于预定值,系统就会报警。该方法可检测气体、液体和某些多相流管道泄漏,只需要一个或几个检测点的压力信号,不需要建模,存储数据量和计算量都比较小,对气体管道泄漏的响应时间比较快,极易实现。但压力点分析法要求捕捉开始泄漏时的瞬间信息,所以不能检测微渗。其最大缺点是无法定位,同时对泄漏量的评估能力比较差。压力点分析法已被广泛应用于各种距离和口径的管道泄漏检测。
OSB ER T公司采用压力点分析法和流量平衡法开发出了一套泄漏检测系统,于1992年投入商用,并于1994年被美国环保局核定为具有法定的检测地位。此系统在美国、加拿大被广泛应用于油气管道的泄漏检测。美国谢夫隆管道公司(CPL)将PPA法作为其SCADA系统的一部分。试验结果表明,PPA具有优良的检漏性能,能够在10min内确定0.19m3/min的漏失。
七、成分分析法〔4〕
成分分析法是用于多相流管道泄漏检测的一种新方法。稳态时管道中流体的成分和气液质量的比率统计是稳定的,当管道发生泄漏后,流体中的成分和气液的比率要发生变化。该方法通过比较稳态时流体的成分和泄漏后流体成分与气液比率的不同进行泄漏判别。由于流体的成分及气液比率与泄漏孔的大小、位置和泄漏量,流体的性质、温度和流态,以及管道的压力等因素有关,因此,成分分析法是比较复杂的一种泄漏检测方法,目前尚处于试验室研究阶段。
八、光纤传感器检测法〔12～14〕
光纤传感技术是近年来发展的热点,是比较有应用前途的泄漏检测技术。分布式光纤传感系统具有测量准确度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现远距离分布式传感同时又具有体积小、易于安装埋设的优点。光纤既能作为点传感器,又能作为分布式传感器,能够检测大范围的物理和化学特性,这些特性对进行泄漏检测和定位有很大帮助。光纤技术主要通过下列技术进行泄漏检测。
1、 温度监测检漏法
将光纤和管道平行布置检测管道的剖面温度,分布式光纤温度传感器可连续测量沿管道的温度分布情况。天然气、原油等输送管道泄漏时,根据焦耳2汤普生效应,泄漏处温度发生变化,泄漏位置可以通过光纤进行确定。该技术主要用于埋地输气管道。
2、 微小弯曲检测的泄漏检测法
当输送管道发生泄漏时,泄漏出的液体或气体会对光纤施加作用力,使光纤发生弯曲和抖动,导致辐射模增大或减小,使光纤的损耗和输出光功率发生变化。利用这一特性,通过对光纤输出光功率频谱的分析,判定输送管道是否有泄漏等事件的发生,通过对背向散射光的测量来进行定位。
3、 光纤化学传感器检漏法
当有碳氢化合物存在时,传感器的光学性质发生改变,光学性质的改变可以用于泄漏检测。美国拉斯维加斯市的FCI环保公司开发的PETROSENSE光纤传感系统可对水中和气态的碳氢化合物总量进行连续检测,可用于油罐及短距离输油管道的泄漏探测。由于此项技术费用较高,目前尚未有商业应用,但可以作为今后多相流管道泄漏检测研究的主要技术。
随着技术发展和经济方面的原因,石油工业输送的流体已不仅仅是处理过的单一液体,而是由油、水和天然气组成的复杂混合物。对这种管道进行泄漏检测是一种具有挑战性的课题,今后泄漏检测系统应该将易于维护和操作、泄漏报警迅速准确、适应能力强等要求作为研究的重点。
参考文献
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第26卷第2期 张东领等:多相流管道泄漏检测技术的发展现状
油 气 储 运 2007年 天然气的非管输储运技术与展望
3许维秀33 李其京
(荆门职业技术学院) 王秀林 陈光进
(中国石油大学(北京)油气藏流体相态重点研究室)许维秀 李其京等:天然气的非管输储运技术与展望,油气储运,2007,26(2)34～38。
摘 要 天然气的非管输储运技术主要包括压缩天然气、液化天然气、地下储气库、水合物储气、吸附天然气储气和近临界流体储气技术。介绍了非管输储运天然气各种技术的研究与应用现状,分析了存在的问题与发展趋势,提出了非管输储运天然气技术研究与应用的建议。
主题词 天然气 非管输储运 技术 应用 建议
一、前 言 随着世界经济的迅速发展,人口数量的急剧增加,能源消费不断增长,温室气体和各种有害物质排放量的激增,人类的生存环境受到了极大挑战。在这种形势下,清洁的、热值高的、竞争力强的天然气作为一种新的能源正日益受到重视,发展天然气工业已成为世界各国改善环境和经济可持续发展的最佳途径。
我国天然气可开采量约为105000×108m 3〔1〕,
但分布非常不均衡,绝大部分天然气(约占天然气总
量的75%)采用管道输送,但其初始投资大,而且越
洋运输不易实现,对于大部分中小城镇和小规模用
户,敷设输气管道在经济上不可行,已成为制约天然
气利用的重要原因。另外,对于低产气井天然气、油
田放空天然气、油气田在开发过程中获得的分散的
小股量天然气、气田分散单井气、油田伴生气以及海
上采油平台产出的就地无法利用的小股量天然气,
因储气量小、就地无用户和远离管输系统等原因长
期未得到开发利用。低产气井天然气关井,油田放
空天然气直接烧掉的现象屡见不鲜,不能形成油气
田产能,造成了极大的浪费和环境污染。为了进一
步有效地利用及适应天然气的综合利用,天然气的
储运技术已成为人们日益关注的问题。二、天然气的非管输储运技术 目前,天然气的非管输储运技术主要包括压缩天然气(CN G )储气、液化天然气(L N G )储气、地下6, 夏海波 张来斌 王朝辉:国内外油气管道泄漏检测技术的发展现状,油气储运,2001,20(1)。7, 李爱英 王凯全 邵 辉:管道泄漏监测技术及其研究进展,江
苏石油化工学院学报,2002,14(4)。
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然气管道泄漏,传感器技术,2003,22(10)。14,陈华波 涂亚庆:输油管道泄漏检测方法综述,管道技术与设备,2000,(1)。(收稿日期:2005212215)
编辑:刘春阳
3国家自然科学基金资助项目(20176028,90210020)。
33448000,湖北省荆门市;电话:137********。?43?
作 者 介 绍
董绍华 高级工程师,国家注册安全工程师、安全评价师,1972年生,2001年毕业于中国石油大学(北京)油气储运工程专业,获博士学位,现任中国石油北京华油天然气有限责任公司管道安全评价与科技发展中心主任、管道维护分公司副经理,从事管道安全评价、完整性管理与科技开发工作。主要研究方向为管道缺陷评价和完整性评价、管道安全工程、管道检测与维修技术。
陈利琼 副教授,1976年生,2004年获西南石油学院油气博士学位,现在西南石油大学石油工程学院从事油
气储运安全性和可靠性的研究工作。
张东领 1977年生,2000年毕业于焦作工学院机械制造工艺与设备专业,现为中国海洋大学近海工程专业
硕士研究生。
许维秀 副教授,1966年生,1989年毕业于武汉化工学院有机化工专业,现在中国石油大学(北京)做访问
学者,主要从事天然气水合物相关技术的研究工作。
代小华 1980年生,2004年毕业于西南石油学院机械自动化专业,现为西南石油大学研究生院油气储运工
程专业在读硕士研究生。
赵会军 高级工程师,1965年生,1988年毕业于石油大学(北京)石油机械专业,获硕士学位,现在江苏工业
学院从事教学与科研工作,中国石油大学(华东)在读博士生。
秦政先 1981年生,2004年本科毕业于西南石油学院油气储运专业,现为西南石油大学油气储运专业在读
硕士研究生。
陈情来 工程师,国家注册土木工程师(岩土),1974年生,1996年毕业于长春工程学院岩土工程专业,2004
年硕士毕业于中国地质大学环境工程专业,现在中国地质科学院地质力学研究所攻读地质工程专业博士学位,从事长输管道选线、岩土工程专业及地质灾害防治工作。
闫相祯 教授,博士生导师,1956年生,1982年毕业于华东石油学院机械系,1987年硕士毕业于北京科技大
学数学力学系,现在中国石油大学(华东)从事油气工程力学方面的研究工作。
冯玉国 1973年生,1996年毕业于抚顺石油学院机械系储运专业,现为辽宁石油化工大学油气储运专业在
读硕士研究生。
?26?油 气 储 运 2007年