基于次声波传感的输气管道泄漏监测技术应用研究.docx

摘要：基于次声波传感技术日益成熟，已经有管道运行企业将此技术应用在输气管道泄漏在线监测。通过远程实时监测气管道声音信号，进行数据分析，判断声音信号变化从而定位报警气体泄漏。本文根据应用的次声波输气管道泄漏监测技术进行综合分析，提出：几方基于次声波传感的监测技术，安装设置和工艺要求基本一致；在一定压力下对于中间无工艺改变的直连管段有效监测距离可达50km;在一定压力环境下能够监测露天孔径大于3mm的天然气泄放，定位误差30m左右；不能表明对裂缝等管道失效能否有效监测，且未对埋地管道泄漏进行测试，不能明确当管道泄漏被土壤等外部因素干扰是否能够有效监测；当一段被监测管道相继出现多个失效点，造成泄漏，可能会出现漏报的情况；信号识别和数据分析是基于能量释放，对微小渗漏等缓慢释放能量的情况，监测效果较差。1背景近年来，随着泄漏监测技术的日益更新，有着多种方法成果应用，比如负压波法、声波法、光纤测温法等。但是针对天然气管道，这几种方法应用遇到了诸多问题。首先由于管道输送介质的特性，气体具有可压缩性，在油管道成熟应用的方法在输气管道应用效果不明显；其次光纤监测，前提一定要有敷设质量和运维良好的光纤，同时由于光纤灵敏度高，测温方式存在多种外部干扰，比如天气、农耕浇水等对监测效果有很大的干扰。声波法，是目前国内比较推崇的方法，特别是次声波，次声的声波频率很低，在20HZ以下，波长却很长，同时空气等对其吸收甚小，传播距离比一般的声波、光波和无线电波都要传得远。目前，国内几家管道运行企业已经应用了基于次声波的输气管道泄漏监测技术。2技术原理2.1定位原理主站软件信号处理系统到A传感器距离为X图1定位原理图根据多方所采用的输气管道泄漏监测技术，其基本原理，即当管道泄漏时，在泄漏处将产生能量释放，从而产生次声信号沿着管道内流体介质向两端传播，安装在管道两端的次声波传感器能够捕获该信号，通过对信号进行分析处理，从而确定管道是否发生泄漏，并通过计算泄漏信号到达相邻两个分站的时间差，准确计算出泄漏位置，定位原理如图1所示。假设泄漏点离上游传感器A的距离为X.1为传感器A至传感器B之间的距离，TI和T2分别是传感器A和B收到泄漏信号的时间，C为次声波在天然气中的传播速，则泄漏点计算公式如下：1+(T1-T2)×C=22.2技术构成图2次声波传感器图3数字化仪基于次声波传感的监测系统多由以下几部分组成：次声波传感器、GPS、数字化仪（现场数据采集处理器+中心数据汇集处理器）和监控主机组成。次声波传感器（如图2）分别安装于天然气分输站站内的管道出入口处及阀室内，阀室采用太阳能供电；数字化仪（如图3）安装在值班室；主站系统安装在调度中心。传感器与数字化仪及主控系统之间通过光纤局域网或4G网络进行数据互通，基本监测原理如图4。图4输气管道泄漏监测系统示意图图4输气管道泄漏监测系统示意图在首端出口阀门外侧安装1台次声波传感器、1台数字化仪。次声波传感器与数字化仪之间通过专用4芯屏蔽仪表电缆连接，数字化仪与中心站通讯采用光纤局域网或3/4G方式通讯。在末端出口阀门外侧安装1台次声波传感器、1台数字化仪。次声波传感器与数字化仪之间通过专用4芯屏蔽仪表电缆连接，数字化仪与中心站通讯采用光纤局域网或4G方式通讯。中心站配置一台服务工作站C报警信息由中心站发出声光报警，以实现全自动报警，报警信息包括泄漏时间，泄漏的管段，泄漏点到首、末站的距离，地图定位。3技术应用分析对比3.1技术应用概况A管道公司分站1至分站6（106.8km）天然气管线（图5所示），整条管线共计安装6套传感器，设置4套监控中心。图5示意图B管道公司泄漏监测技术主要应用在分站1至分站3（27.4km）天然气管线（图6所示），整条管线共计安装3套传感器，设置1套监控中心。图6示意图C管道公司泄漏监测技术主要应用在3段管道上，分别在调控中心和分输站1建设监测主站2座、3条管线建设子站3座。泄漏监测传感装置6套，其中，分输站1安装了3套（安装位置：出站截断阀后），分输站2安装了2套（安装位置：入站截断阀前），分输站3安装了1套（安装位置：站入站截断阀前），如图7所示。图7示意图三公司根据实际工况，均开展了多次应用测试，情况对比统计表如表1所示：应用单位应用管线基本情况系统组成安装方式实际验证技术指标A管道公司D406,106.8km,压力5-7MPa传感器、数据采集、数据分析、GPS,中心数据显示端传感器需连接管道，垂直管道安装D3孔径放气能够监测定位，定位误差÷30mB管道公司D273.1,27.4km,压4-7MPa传感器、数据采集、数据分析、GPS.中心数据显示端传感器需连接管道，垂直管道安装D2孔径放气能够监测定位，定位误差÷30mC管道公司分输站I一分输站2,D325,D273»6.7km,压力IMpa以下：分输站分输站3,传感器、数据采集、数据分析、GPS、中心传感器需连接管道，垂D6、D1O孔径放气能够监测定位表1天然气管道泄漏监测系统应用情况对比3.2简要分析根据数据和现场应用情况可知：3家管道公司所应用的次声波泄漏监测技术，监测和定位原理相同，安装设置和工艺要求基本一致。基于次声波传感的泄漏监测技术能够在一定运行压力的天然气管道上进行应用。从目前成功应用的案例表明，监测距离主要与管道运行压力、破坏孔径的大小有关。根据测试在一定压力下对于中间无工艺改变的直连管段有效监测距离可达50km;在一定压力环境下能够监测露天孔径大于3mm的天然气泄放，定位误差30m左右。泄漏监测技术对于振动较为敏感，对管道周边其他行为造成管道振动，可能出现过一定的误报。次声波泄漏监测技术声音识别和数据分析是基于能量释放，对微小渗漏，监测效果较差。目前测试方式基本都是对管道进行开孔放空测试,不能表明对裂缝等管道失效能否有效监测，且未对埋地管道泄漏进行测试，不能明确当管道泄漏被土壤等外部因素干扰是否能够有效监测;当一段被监测管道相继出现多个失效点，造成泄漏，可能会出现漏报的情况。4结论从多方应用情况来看，基于次声波的泄漏监测技术在天然气管道的应用总体是有效的，能够用于小孔放空泄漏的实时在线监测，对于微泄漏的应用尚无成功案例。同时次声波监测技术应用受管道运行工艺参数和泄漏能量释放大小的影响，有一定的局限性。且对于管网的气管道，特别是进出气点多的情况，将加大基于次声波的天然气泄漏监测背景干扰。因此泄漏监测技术还需进行完善，以提高技术的适用性，不仅需要考虑埋地管道边界条件干扰，还需要针对裂缝等管道失效造成的微小泄漏监测进行探究，从而提高管道安全管理技术水平。