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。
2.4 iSafe管道泄漏监测系统的优势和特点iSafe管道泄漏监测系统综合了音波法、负压波法、质量平衡法等多种管道泄漏监测技术的优势，进一步提高了发现油气管道泄漏的速度和对管道泄漏位置判定的准确度。
iSafe管道泄漏监测综合方案发挥质量平衡法综合计算判断泄漏量的长处，通过负压波、音波法弥补质量平衡法响应时间慢、不能准确定位的缺点，提高整个系统的灵敏性、准确性、可靠性和鲁棒性。
同时，通过负压波、音波法对各种检测参数进行综合判断，从而达到负压波法弥补音波法对于非常缓慢的泄漏不易检测的缺点；同时，音波法弥补负压波法瞬时泄漏不易识别和容易同其他非泄漏因素引起的压力下降相混淆的不足。
最终实现泄漏监测报警系统具有响应时间短、灵敏度高（0.5%流量）、误报率低、定位准确、避免漏而不报的特点。
iSafe管道泄漏监测系统的推广和应用，必将大大提高管道泄漏监测的性能和质量，为管道的安全运行提供强有力的保障。
根据国外的实践结果，音波法融合负压波法可以监控气体管道、液体管道和多相流管道的泄漏，可用于监控地面管道、埋地管道、海底管道和各种复杂的管网系统。
iSafe管道泄漏监测系统具有如下优点：➢极小的泄漏孔径，最小可测泄漏孔径6-20毫米，具体管段参数受相应的背景噪声、运行压力等影响；➢最小可测泄漏率0.5~1.5%；➢定位精度高，定位误差小于±100m；➢非常低的误报率，正常情况下，系统误报率小于30次/年；➢有效作用距离长，系统监控距离可达30~50公里，最长可延长到100公里；➢泄漏报警数据能够在泄漏检测主机上存储至少6个月；➢系统能够对自身工作状态进行自检，能够实时将传感器、GPS等工作状态进行显示；➢设备稳定可靠，在国多条管道上得到成功的应用，具备本地化的技术支持和维护。
2.5 总体技术框架音波以管道部介质为载体，以声速向两端传播。
由于音波信号频率低，传输衰减小，可以实现远距离传播。
音波管道泄漏监测仪安装在管道的上下游段，捕捉泄漏声波信号，并根据泄漏声波到达管道首、末端声波管道泄漏监测仪的时间差（这个时间差由GPS 进行授时），计算出泄漏点的具体位置。
iSafe 管道泄漏监测系统工作原理如下：➢ 管道泄漏瞬间，输送介质从泄漏点高速流出，将产生高强度音波，次 声波沿管道介质向两端传播。
➢ ACU 通过安装在管段两端的传感器接收到音波信号，识别音波信号，判断管道是否发生泄漏，并通过网络将处理结果传送到服务器。
➢ 泄漏监测服务器进行实时处理，如果管道发生泄漏，泄漏监测服务器利用管段两端ACU 接收音波信号的时间差，计算出泄漏发生位置。
负压波法泄漏监测定位计算方法与音波法基本相同，通过计算泄漏信号传输到安装在管段两端传感器（对于负压波为压力变送器，对于音波为音波传感器）的时间差，结合信号在流体中的传输速度，就可以计算泄漏点位置。
定位示意图如图2所示。
图2 负压波法定位示意图 定位公式：X L a t =+∆2 其中：X –––– 泄漏点距首端测量点的距离（m ）；传感器传感器12L ––––管道全长（m）；a ––––管输介质中声波的传播速度（m/s）；t––––接收上、下游传感器信号的时间差（s）。
2.6 系统功能框架iSafe管道泄漏监测系统框图如下所示。
该系统主要设备是ACU和泄漏监测服务器。
