iSafe油气管道泄漏在线监测系统解决方案文档格式.docx

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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内检测技术相结合、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。

2.2iSafe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，传感器接收到的管内音波信号通过电缆传给ACU（AcousticControllerUnit，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内外产品对比分析

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ATMOSPine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FutureFiberTechnologies公司（FFT）开发和研制的光纤管道安全防御系统（FFTSecurePipeTM）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米范围内、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。

目前国内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、北京大学、西南石油大学、中国计量院等都在这一方面做过研究。

国内公司有华北油田新贝达公司、北京昊科航公司、东营五色石测漏技术有限公司等。

但国内研究机构和国内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。

此外还有一些国内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。

2.4iSafe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。

根据国内外的实践结果，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：

Ø

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，在国内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

音波以管道内部介质为载体，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

声波沿管道内介质向两端传播。

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：

其中：

X––––泄漏点距首端测量点的距离（m）；

L––––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。

iSafe管道泄漏监测系统运行需要客户提供计算机通信网络支持。

图2.1iSafe管道泄漏监测系统原理图

2.6.1ACU终端（声学监控终端）

iSafe管道泄漏监测系统ACU终端主要功能列表如下：

●数据采集：

iSafeACU采集音波传感器数据；

●GPS授时：

将音波数据与GPS时间进行同步；

●数据传输：

向iSafe服务器传送音波数据；

●工作状态监控：

对音波传感器、GPS及网络状态进行自检；

●数据存储显示：

对音波数据进行存储与显示。

iSafe管道泄漏监测系统ACU终端主要功能是采集音波信号并传输到泄漏监测服务器，安放在站场或者阀室、控制室，能够采集管道内流体内传播的音波信号，经过信号调理，GPS同步，然后转换成数字信号，通过先进的信号处理算法判断该声波信号是否为泄漏信号。

ACU终端还具有自检功能，能够实时的将传感器、GPS等设备的工作状况进行显示。

ACU终端包括音波传感器、GPS和信号处理机等部件。

图2.2iSafe声学监控终端ACU

湿式音波传感器：

iSafe管道泄漏监测系统的主传感器采用专用湿式音波传感器。

湿式音波传感器灵敏度高，能够将管道中的声波信号转换为电流信号，传输给前端处理模块。

湿式音波传感器的监听范围通常在30~50公里。

湿式传感器采用4-20mA标准电流信号进行传输，工作温度为-40~85摄氏度。

为保证信号不受到干扰，线缆通常选用2*1.5铠装对绞屏蔽信号电缆，通常，信号电缆长度小于300米。

湿式传感器和压力传感器的典型安装方式如下图所示：

图2.3湿式音波传感器和压力传感器的安装方式

信号调理模块：

经过长距离传输后，管道泄漏产生的音波信号衰减较大。

信号调理模块将对音波信号进行调理，提取有效音波信号，并传递给ACU，同时对传感器的工作状态进行实时监控，一旦出现异常，也会在第一时间将故障信息传递给ACU，保证系统的正常工作状态。

GPS：

GPS同步是系统精确定位的重要手段，为了保证ACU采集的同步性，每个站点都需要安装GPS来实现同步的数据采集，GPS天线需要安装在每个站点的ACU室屋顶，无遮挡的高处，高于屋顶0.5米以上。

通过GPS获取精准的时间，便于对各监控节点进行精确时间同步。

GPS时间同步设备采用高输出精度的GPS接收机（±

100ns）来实现。

低功耗ACU：

低功耗ACU安装在管道沿线的站场或者阀室。

并配套蓄电池组和太阳能充电系统、电源线、信号线、GPS馈线、GPS避雷器、浪涌保护器等使用，将现场传感器采集到的信号通过ACU运行采集的程序，利用采集卡把音波信号转换为数字信号，并通过通信网络传送给泄漏监测服务器，整个ACU采用蓄电池组和太阳能充电系统进行供电，功率5W~10W。

低功耗ACU的通讯通常采用4G/3G/GPRS的方式。

图2.3低功耗ACU方案

2.6.2iSafe-RTU终端

iSafe-RTU终端主要功能是实时采集多通道的压力信号，并通过Modbus总线或OPC服务将压力数据传输到泄漏监测服务器，安放在站场或者阀室、控制室。

iSafe-RTU需要通过GPS授时模块进行分布式的数据同步。

iSafe-RTU终端包括压力传感器、GPS和RTU等部件。

2.6.3泄漏监测服务器

iSafe管道泄漏监测系统服务器主要功能列表如下：

●泄漏检测及定位；

●对音波数据进行接收并实时显示；

●对音波信号进行实时分析；

●历史数据分析；

●配置管道信息；

●对数据进行存储。

泄漏监测服务器由硬件和软件组成，硬件一般使用高性价比、高稳定性的PC服务器，软件是拥有自主知识产权的管道泄漏监测软件。

系统硬件要求处理器为至强2.0GHz以上CPU，内存大于4GB，单块硬盘容量大于600GB。

该服务器主要完成将不同地点的ACU数据进行汇聚，系统软件与ACU通信，建立并维护各ACU的通讯信道；

利用各GPS时钟信号对其发送的数据进行精确时间同步。

系统软件可从SCADA系统获取流量、压力、在线密度等参数，以进一步提高系统可靠性，降低误报率。

系统软件处理和识别各ACU的音波数据，判断管道是否发生泄漏。

依据管网的拓扑结构以及音波信号到达各ACU的时间差，计算泄漏位置。

系统软件保存各个ACU传送来的原始数据以及中间数据，以便进一步分析处理。

管道泄漏发生的时间、地点等关键信息保存在数据库中，程序重新启动后泄漏信息仍然保留。

泄漏监测系统软件运行人机界面，人机界面显示管道走向，在管道上显示安装ACU的监控节点位置。

发生泄漏时，系统发出声音报警，并在管道泄漏的位置显示泄漏图标，同时在监控画面的泄漏信息栏上标明泄漏时刻、泄漏位置等信息。

系统软件具有自动诊断功能，能够对断电自启动，通信链路、声波采集、GPS等模块进行自动诊断、报警、提示。

人机界面可查看系统的具体参数，如果系统工作不正常可以发现出错部位及原因。

2.6.4通讯系统

iSafe管道泄漏监测系统使用计算机网络进行通信。

ACU的音波数据通过通讯网络传送到泄漏监测服务器，监控终端与泄漏监测服务器也通过通讯网络相连接。

iSafe管道泄漏监测系统通常直接使用管道SCADA系统现有的通信网络。

为保证网络通信可靠性，建议系统通信使用已有光纤网络。

如果管道没有通信网络，需要另购网络设备，通过ADSL\3G等方式组建计算机网络。

ACU与服务器之间传送的数据已经过加密，可以通过公网传输。

另外系统有严格的数据完整检查和出错重传机制，保证每条数据都准确可靠地传递，在网络环境恶劣情况下能正常工作。

2.7系统数据框架

2.8系统集成应用

iSafe管道泄漏监测系统与SCADA系统、人机界面及其他第三方软件采用OPC标准进行通信。

iSafe管道泄漏监测系统可以通过OPC接口从SCADA系统获取压力、温度和流量等数据，以进一步提高系统可靠性，降低误报率。

iSafe管道泄漏监测系统通过OPC接口向人机界面软件，如Citect,IFix和Labview等提供系统运行状态，管道泄漏报警灯信息。

用户在人机界面的各种操作也通过OPC接口传递给iSafe管道泄漏监测系统核心模块。

iSafe管道泄漏监测系统支持通过OPC接口与其他系统进行通信，具有高度的灵活性。

这些系统包括：

三参数法管道泄漏监测系统、模拟仿真系统、管壁声波预警系统、管道光纤预警系统、视频监控系统等。

三、实施方案

3.1系统部署环境要求

在油气安全泄漏监测系统方案确定后，需要对系统所在安装区域进行现场考察，经过对以往很多项目的现场考察结果来看，一般安装仪器设备的区域现场环境都比较复杂；

且每个项目的现场实施和工程方案都具有唯一性，所以只能主要归纳油气安全泄漏监测系统现场施工方案的主体设备的安装，主体设备的安装包含以下四个主要设备的安装。

具体内容如下：

1、ACU的安装方案；

2、传感器安装方案；

3、GPS安装方案；

4、泄漏监测服务器的安装方案；

经客户确认的下列数据和图纸，均为设计的基本依据：

1）相关管道的基础数据，包括：

管道长度、管径、运行压力、流量范围以及其他相关数据。

2）相关站场的工艺布置图

3）相关站场的供电原理图

4）相关站场的工艺流程图

5）相关站场的建筑平面布置与电缆敷设图

6）相关站场的机柜典型安装示意图

7）相关站场的PLC机柜、端子接线图

8）相关站场的变送器安装示意图

9）相关站场的GPS天线安装示意图

3.2硬件产品规格说明

3.2.1声学监控终端ACU主机的产品规格如下：

产品名称

iSafe-ACU2000-Dn（n表示拥有该ACU拥有n通道模拟输入）

系统配置

硬盘500G（可支持双通道传感器连续存储3年数据）

重量

≤19KG

尺寸

长X高X深=432mmX132mmX530mm

供电，功率

交流220VAC，72W

接口

4通道次声波传感器输入端口，4通道状态显示灯，

1电源开关，1xDB15VGA，2xUSB2.0，2x以太网口。

操作温度

环境空气流通:

-5°

C~55°

C（根据IEC60068-2-1,IEC60068-2-2,IEC60068-2-14）

存储温度

-20°

C~80°

C

相对湿度

10%~93%（无凝露）

3.2.2iSafe-RTU终端的产品规格如下：

iSafe-RTU-Dn（n表示拥有该RTU拥有n通道模拟输入）

物理接口

工业以太网（1个千兆以太网RJ-45插孔）

电源

通过iSafe-RTU背板总线，15V

电流消耗

来自背板总线，350mA；

功率损耗，5.3W。

绝缘测试电压

707VDC（型式测试）

设计、尺寸和重量

模块规格为紧凑型模块，单宽带

防护等级

IP20

约350g

尺寸（WxHxD）

35x142x129mm

安装选项

安装在iSafe-RTU机架中

3.2.3监测服务器主机的产品规格如下：

CPU类型

Intel至强E5-2600v2

CPU主频

1.8GHz

CPU型号

XeonE5-2603v2

主板芯片组

IntelC602

内存

DDR3，8GB

硬盘描述

500GB3.5英寸SATA7200Rpm硬盘

显示器描述

DellUltraSharp系列高性能显示器

显卡芯片

NVIDIAQuadroNVS310

网卡描述

英特尔82579千兆以太网控制器

3.3施工和安装要求

3.3.1ACU的安装

ACU安装在主机柜内，主机柜安装在站场设备间。

安装位置必须保证无强电、强磁和强腐蚀性设备的干扰；

（一般安装在各个站点）主机安装场所应干燥、灰尘小、且通风良好；

主机安装位置便于馈线、电源线、地线的布线；

主机安装在室内。

安装主机的室内不得放置易燃品；

室内温度、湿度不能超过主机工作温度、湿度的范围。

机柜外型尺寸：

可以根据现场业主要求进行选择外形尺寸进行配备，ACU放置于主机柜中并且用螺钉穿过ACU面板刚性固定于主机柜中的承重支架上。

ACU和机柜的防护等级为IP50。

主机柜内装ACU，最大功率为80W，电源要求是220V交流电；

机柜供电电源线及ACU信号线GPS信号线等一般从地下走暗线.。

下表为ACU的正常工作环境：

–30–65℃

储存温度

–45–85℃

0–95%，不凝固状态（NonCondensing）

输入电压

220V/50Hz

输入电流（正常状态）

3A&

24VDC

ACU设有2个通信网口，2个USB数据接口，一个VGA口一个GPS接口和若干个传感器信号接口系统通信需要1个标准网口，一个备用网口，在现场调试安装中通过通信网口与业主局域网系统相连接并分给ACU一个IP地址。

USB数据接口主要用于拷贝数据等。

VGA口主要用于现场安装完成以后通过VGA口连接液晶显示器进行各个站点的临时调试，GPS接口主要用于连接站点外的GPS天线通过GPS受时同步各个站点的时间ACU主机附件还包括传感器接线端子、电源接线端子、空气开关、插座、GPS避雷器等。

图1ACU

系统安装位置及数量：

●ACU的安装根据现场管线的长度及地形位置进行最优安装设计一般每个站点安装一台ACU。

●ACU连接传感器需要铠装电缆铠装电缆的数量及长度需要根据现场来确定，在现场施工中铠装电缆必须埋穿管埋地走暗线。

安装位置：

●ACU的安装位置应该选择在传感器附近的设备间，该设备间尽量靠近传感器安装位置。

需要业主配合或协调事项：

●需要业主找到合适的设备间放置RTU；

●需要业主在设备间内提供稳定的220V交流电，功率能达到上述要求；

●需要业主在设备间内提供一根可联网的网线，并分配一个IP地址；

●需要业主协助设备间屏蔽电缆、GPS天线的布线、埋地等。

3.3.2传感器安装

●低频声波传感器通过引压管安装到主管道。

传感器接口包括1/2NPT内螺纹、外螺纹等多种接口形式。

传感器与管道之间应设置取样截止阀。

低频声波传感器的安装要求和安装方式可参考压力变送器的安装方式。

●系统使用的传感器的常用管道接口为1/2NPT内螺纹，传感器一般在现场安装的时候会通过3通来接入管道，一般选择管道上原来装的压力表和压力传感器位置进行改装，但是压力表和压力传感器一般是外螺纹M20×

1.5,而3通螺纹是1/2NTP所以压力表和一字表之间还要再加M20×

1.5转1/2NTP转接头通过3通及转接头后方可正常安装业主的仪器仪表和我们音波音波传感器，在安装音波传感器之前需要布置音波传感器的信号线，信号线走线为暗线，通过现场的地下走线管和走线槽走到我们需要的位置地面处信号线在地面处以后通过防爆软管引到音波传感器上，在用信号线连接传感器之前先用万用表测量信号线有无短路情况