CN116045220A - 一种多相流管道泄漏监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相流管道泄漏监测方法及系统，其中，该方法包括：实时获取被监测多相流管道沿线的多个观测点的现场采集数据；所述现场采集数据包括：液体流量、气体流量、管道压力、温度、介质密度和粘度；在T时刻当任意两个观测点现场采集数据存在差值，且所述差值大于阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点；分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的的次声波信号，确定所述被监测多相流管道的泄漏点位置。该方法可以及时发现泄漏，并且准确定位泄漏点；可靠性更高，误报率低；有助于管理人员采取及时有效的操作和措施，减小管道泄漏造成的损失和危害。

Description

一种多相流管道泄漏监测方法及系统

技术领域

本发明涉及管道泄漏监测技术领域，特别涉及一种多相流管道泄漏监测方法及系统。

背景技术

油井生产出的流体是含有原油、伴生气、水和杂质的多相流体，而油气混输系统中以气液混输技术应用最广，气液混输的实质是管道内的气液两相流动。且混输管道中可能存在高程落差大、段塞流管段、不满管运行、非连续输油等情况。

另外，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形响，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。

虽然，目前存在一些监测方法，多是基于单机版监测，部署在单个站点，监控分散，无法满足无人值守站的要求，系统没有闭环管理。现有技术中的管道泄漏监测方法，多是针对单相流管道，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端检测的方法己不再适用。

因此，需要研发一种多相流管道泄漏监测方法，以克服现有技术中针对多相流泄漏无法准确判断和定位的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多相流管道泄漏监测方法及系统，解决了针对多相流管道无法及时发现泄漏、且无法准确定位泄漏点的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

第一方面，本发明实施例提供一种多相流管道泄漏监测方法，包括以下步骤：

S1、实时获取被监测多相流管道沿线的多个观测点的现场采集数据；所述现场采集数据包括：液体流量、气体流量、管道压力、温度、介质密度和粘度；

S2、在T时刻当任意两个观测点现场采集数据存在差值，且所述差值大于阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点；

S3、分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的的次声波信号，确定所述被监测多相流管道的泄漏点位置。

进一步地，还包括：

S4、将所述泄漏点位置作为泄漏报警发送给与管理人员关联的移动终端及服务器终端。

进一步地，还包括：

S5、当所述服务器终端接收到被监测多相流管道的泄漏警报时，发出控制远程停泵的指令，并生成报警日志。

进一步地，所述步骤S1中，根据多相流管道沿线的多个观测点的同一种型号的传感器获得现场采集数据；所述传感器根据北斗授时模块统一进行授时。

进一步地，所述步骤S1中传感器类型包括：多相流量计、压力变送器、温度传感器和次声波传感器。

进一步地，所述步骤S1还包括：对所述现场采集数据，采用小波去噪、缺失值处理、异常值处理进行数据清洗与降噪处理。

进一步地，所述步骤S2，包括：

采用输差分析法，在T时刻当任意两个观测点的液体流量和/或气体流量所对应的参数之间存在第一差值，且所述第一差值大于第一阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点。

进一步地，所述步骤S2，包括：

采用动态模拟计算法，在T时刻基于第一观测点的液体流量、气体流量、温度、介质密度、粘度和管道数据；构建流体力学方程来模拟管道的流量、压力分布图，推算第二观测点的相关参数；

当推算第二观测点的相关参数与第二观测点的实际测量值相比存在第二差值，且所述第二差值大于第二阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点。

进一步地，所述步骤S3，包括：

分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的次声波信号，根据公式(1)计算出泄漏点位置：

其中，L为所述两个观测点之间的距离；a为所述次声波信号的传播速度；Δt为第一观测点的次声波传感器接收到所述次声波信号的时间t₁与第二观测点的次声波传感器接收到所述次声波信号的时间t₂之差；当Δt为正值时，X为所述泄漏点距第二监测点的距离；当Δt为负值时，X为所述泄漏点距第一监测点的距离。

第二方面，本发明实施例还提供一种多相流管道泄漏监测系统，包括：

获取模块，用于实时获取被监测多相流管道沿线的多个观测点的现场采集数据；所述现场采集数据包括：液体流量、气体流量、管道压力、温度、介质密度和粘度；

判断模块，用于在T时刻当任意两个观测点现场采集数据存在差值，且所述差值大于阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点；

确定模块，用于分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的的次声波信号，确定所述被监测多相流管道的泄漏点位置。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供的一种多相流管道泄漏监测方法，包括：实时获取被监测多相流管道沿线的多个观测点的现场采集数据；所述现场采集数据包括：液体流量、气体流量、管道压力、温度、介质密度和粘度；在T时刻当任意两个观测点现场采集数据存在差值，且所述差值大于阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点；分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的的次声波信号，确定所述被监测多相流管道的泄漏点位置。该方法可以及时发现泄漏，并且准确定位泄漏点；可靠性更高，误报率低；有助于管理人员采取及时有效的操作和措施，减小管道泄漏造成的损失和危害。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多相流管道泄漏监测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的多相流管道泄漏监测的硬件系统原理图；

图3为多相管道泄漏前后压力和流量的变化曲线图；

图4为声波检测漏点的原理图；

附图中，1-中心站；2-基站天线；3-现场数据采集处理器；4-多种类型的传感器；5-北斗卫星；6-管道。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供的一种多相流管道泄漏监测方法，是针对在运行中的多相流管道，即：首端接入后，末端也有介质流出，且根据管道长度预计介质已经充盈管道后进行的泄漏监测。参照图1所示，具体包括：

S1、实时获取被监测多相流管道沿线的多个观测点的现场采集数据；所述现场采集数据包括：液体流量、气体流量、管道压力、温度、介质密度和粘度；

S2、在T时刻当任意两个观测点现场采集数据存在差值，且所述差值大于阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点；

S3、分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的的次声波信号，确定所述被监测多相流管道的泄漏点位置；

S4、将所述泄漏点位置作为泄漏报警发送给与管理人员关联的移动终端及服务器终端；

S5、当所述服务器终端接收到被监测多相流管道的泄漏警报时，发出控制远程停泵的指令，并生成报警日志。

该方法在实施时，所基于的硬件设备，如图2所示，采用分布式设计原理，在中心站1设立前端泄漏监测单元，承担数据采集、预处理、数据分析和存储功能，警报信息发送至与管理人员关联的移动终端及服务器终端。另外，分析结果还可以推送至云服务服务器，所产生的大数据，有助于实现机器学习、大数据分析，综合应用功能的实现等。分站包括基站天线2、现场数据采集处理器3、多种类型的传感器4；其中基站天线2可还接收北斗/GPS卫星5的统一授时，同样中心站1也同步接收统一授时。确保整个系统时间统一。现场数据采集处理器3布设在管道6周边的土壤或管壁上。

本实施例中，该方法可针对管道路的高程变化大，存在油气混输，非连续输油、不满管运行等复杂现状，采用单一算法的泄漏监测局限性大的问题。本发明实施例基于多泄漏检测算法融合理念，实现各类算法之间的互补，实现精准监测；可以及时发现泄漏，并且准确定位泄漏点；可靠性更高，误报率低；有助于管理人员采取及时有效的操作和措施，减小管道泄漏造成的损失和危害。

下面对上述各个步骤进行详细的说明：

S1步骤中，是通过基于多相流管道沿线的多个观测点的同一种型号的传感器获得现场采集数据；各传感器都是基于北斗授时模块统一进行授时的，确保时间一致。所涉及到的传感器包括：多相流量计、压力变送器、温度传感器和次声波传感器等。所使用的传感器布设在管道周边的土壤或管壁上，比如次声波传感器布设在管壁上；每个传感器都连着全球导航卫星系统北斗/GPS同步时钟；接收时钟同步信号，并进行相应的处理，以得到时钟同步信号和绝对时间戳并将其发送给采集单元；采集单元接收处理后的同步信号，达到整个系统的同步。

其中，比如在每个观测点所采用的多相流量计，均为同一型号；其他类型的传感器均如此设置。相同型号的传感器输出相同幅度的频谱，本实施例的方法中，采用相同型号的传感器分别采集同一种数据，避免物理条件不同造成的误差。

以流量计为例，每个观测点均采用同一品牌同一型号流量计，建议具体采用质量流量计，可解决含气量不稳定造成的排量不准确情况。

以压力变送器为例，每个观测点采用同一品牌同一型号压力变送器，比如常规选择使用罗斯蒙特3051TG系列压力变送器，要求量程与管道实际输送压力匹配，精度优于0.075％。而对于压力偏低，负压波动不明显的管道，推荐使用WIKA威卡E10系列压力变送器。该变送器属于模拟变送器，需在管道上独立安装。

另外，该S1步骤中，还包括：对现场采集数据，采用小波去噪、缺失值处理、异常值处理进行数据清洗与降噪处理。现场采集的压力、流量等信号原始数据，存在电磁波、输油泵振动等干扰，采用小波去噪、缺失值处理、异常值处理等算法对原始数据进行数据清洗与降噪处理，提升泄漏信号的细节表现。另外，也可以采用FFT去噪：去掉非平稳信号的时变信息；奇异值去噪：过滤异常数据；小波去噪：时变信号分析，主要的去噪模块；正态性检验：去由仪表故障等引起的突变值，监测仪表是否正常运行。

步骤S2中，采用输差分析法可包括如下三种方式：

1.采用输差分析法，在T时刻当任意两个观测点的液体流量和/或气体流量所对应的参数之间存在第一差值，且第一差值大于第一阈值A时，判断该两个观测点之间存在泄漏点；

比如，上游观测点液体流量计数据为6.35m³/h，而下游观测点液体流量计数据为6.21m³/h，在管内温度不变的情况下，二者相差0.14m³/h，相比第一阈值A(比如为0.1)较大，则判断该两个观测点之间存在泄漏点。如图3所示，泄漏之前，液体流量平稳不存在差值，泄漏之后，上游观测点液体流量增加，下游观测点液体流量减少，二者之前存在明显差值。

另外，在多相流管道中，随着管道输送距离的变化，管道内压力、温度都会产生变化，从而回导致气体从液体中释放或因为温度降低也会有凝结为液体。也可以考虑采用质量作为判断阈值(密度和压力可测，质量存在细微变化，变化的合理范围就是——阈值)，单位为t/h。

气体流量的判断过程也是如此；

如图3所示，泄漏之前，管道压力线性变化，平稳存在固定差值，泄漏之后，管道压力线性出现拐点；可以通过两观测点之间的压力损失值，是否超过了阈值进行判断。

2.采用傅里叶原理，使用FFT方法对液体流量差值、气体流量差值和管道压力差值的绝对值进行变换，得到同一时刻下各自的系数，然后将任意两种或三种系数的绝对值之和，与固定阈值B比较，判断该两个观测点之间存在泄漏点。

比如其中的两种系数或三种系数之和，与固定阈值B(比如0.6)比较，当大于该阈值B时，判断该两个观测点之间存在泄漏点。

在步骤S2中，还可以采用动态模拟计算法：

在T时刻基于第一观测点的液体流量、气体流量、温度、介质密度、粘度和管道数据；构建流体力学方程来模拟管道的流量、压力分布图，推算第二观测点的相关参数；

当推算第二观测点的相关参数与第二观测点的实际测量值相比存在第二差值，且第二差值大于第二阈值C时，判断该两个观测点之间存在泄漏点。

本实施例中，通过依靠管道内介质流体参数、泵状态、管道数据(管道尺寸、壁厚、材质等)判断是否存在泄漏点。

在上述步骤S2的两种方式中，要保证输油管道泄漏监测能有效地发挥作用，实际上流量信号起着重要的作用，输差分析，相比其他比如压力波判断泄漏更直接，误报较少，但无法定位。

在实际生产中，管道铺设高低起伏较大，并且存在油气混输现象，加之实际泄漏量有大有小，因此用单一算法的泄漏检测判断方法，必然存在一定的局限性，因此采用多算法融合泄漏检测算法，实现各类算法之间的互补，达到快速发现泄漏的目的。

在具体实施时，也可以同时采用上述两种方法，实现优势互补，减少误报，实用可靠。

本实施例中，即在管道两端安装多相流流量计，通过累计输差对比来判断泄漏的发生；或用管道仿真模拟方法来推算预测流量，与实际流量差值，来判断泄漏的发生。

当管道正常运行时上、下游站点的流量差在某一定值浮动，理想状态下管道发生泄漏，上游站的流量上升，下游站的流量下降，流量差增大，流量差超过某阈值即判断管道泄漏。

由于管道存在多相流、工况不稳定、管道有地势多变、含气量不稳定等现状，管道实际运行管存变化大，泄漏流量差阈值区间非常大，而常规流量平衡算法无法满足高精度的泄漏监测需求。因此，本实施例基于输差分析法、动态模拟计算法，可以实现管道瞬时输差、累计输差的精确监测。

上述所有的阈值不是一成不变的，采集每条管道的长期运行数据建立动态的输差变化模型，针对不同输送状态的管道，可以调整对应的阈值参数。

步骤S3中，最后通过声波检测漏点位置；

具体包括：

分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的次声波信号，根据公式(1)计算出泄漏点位置：

其中，L为所述两个观测点之间的距离；a为所述次声波信号的传播速度；Δt为第一观测点的次声波传感器接收到所述次声波信号的时间t₁与第二观测点的次声波传感器接收到所述次声波信号的时间t₂之差；当Δt为正值时，X为所述泄漏点距第二监测点的距离；当Δt为负值时，X为所述泄漏点距第一监测点的距离。

声波检测漏点，具有反应快、能定位的优点；在上述已经判断存在漏点的区段中，通过该声波检测实现漏点的精准定位。声波检测方法原理：参照图4所示，当管道发生泄漏时，在泄漏点处会产生噪声，噪声沿管道向两端传播，通过在管道两端设置好的传感器可以接受这种声波，从而探测泄漏，同时根据传感器接受到声波的时间差可对泄漏点进行定位。管道声波泄漏监测具有快速高效、反应灵敏、定位精确、误报率极低、操作简便以及次声波传感器安装便利等显著特点，声波技术可以轻松解决任何介质的压力管道。

具体的，当管道发生破裂时，管道内输送介质在泄漏瞬间产生具有一定特征的声波，并沿管道内介质向两端传播；现场数据采集处理终端接收声波信号，与北斗授时时钟一起通过网络传输给泄漏监测定位服务器；泄漏监测定位服务器进行实时识别处理，确定管道是否发生泄漏，同时利用管段两端接收到信号的时差，判断泄漏发生位置。根据泄漏声波到达管道两端的时间差及测算的声速，计算泄漏点的位置。

例如，第一次声波传感器和第二次声波传感器可以通过阀门或连接法兰安装在被检测管道内。第一次声波传感器和第二次声波传感器检测到的次声波信号可以传送至声学控制单元或数字信号处理器进行时间同步、噪声抑制、干扰抵消以及时间估计处理。

步骤S4中，将泄漏点位置作为泄漏报警发送给与管理人员关联的移动终端及服务器终端；以便做出处理。该步骤中，监测系统将含有泄漏点位置的报警信息发送给应用服务器，进而推送到管理人员关联的移动终端，以便及时做出处理。

步骤S5中，当服务器终端接收到被监测多相流管道的泄漏警报时，发出控制远程停泵的指令，并生成报警日志。

该步骤中，应用服务器接收到被监测多相流管道的泄漏警报时生成报警日志；报警特征较为明显时，通过PLC的双向通讯协议，发出控制远程停泵的指令，实现远程停泵，及时控制。

另外，对发生报警的信息自动记录，形成报警日志。以便基于条件查询浏览、单条管线报警日志查阅、历史曲线追溯。

本发明实施例提供的一种多相流管道泄漏监测方法，通过采用融合多技术为一体的综合监测手段，准确性高：最小可检测到的泄漏量0.5％；灵敏度高：当泄漏量≥5％时，而反应时间≤1分钟；当泄漏量＜3％时，反应时间≤3分钟。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了多相流管道泄漏监测系统，由于该系统所解决问题的原理与前述基于多相流管道泄漏监测方法相似，因此该系统的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例还提供一种多相流管道泄漏监测系统，包括：

获取模块，用于实时获取被监测多相流管道沿线的多个观测点的现场采集数据；所述现场采集数据包括：液体流量、气体流量、管道压力、温度、介质密度和粘度；

判断模块，用于在T时刻当任意两个观测点现场采集数据存在差值，且所述差值大于阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点；

确定模块，用于分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的的次声波信号，确定所述被监测多相流管道的泄漏点位置。

该系统可以及时发现泄漏，并且准确定位泄漏点；可靠性更高，误报率低；有助于管理人员采取及时有效的操作和措施，减小管道泄漏造成的损失和危害。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种多相流管道泄漏监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、实时获取被监测多相流管道沿线的多个观测点的现场采集数据；所述现场采集数据包括：液体流量、气体流量、管道压力、温度、介质密度和粘度；

S2、在T时刻当任意两个观测点现场采集数据存在差值，且所述差值大于阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点；

S3、分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的的次声波信号，确定所述被监测多相流管道的泄漏点位置。

2.根据权利要求1所述的一种多相流管道泄漏监测方法，其特征在于，还包括：

S4、将所述泄漏点位置作为泄漏报警发送给与管理人员关联的移动终端及服务器终端。

3.根据权利要求2所述的一种多相流管道泄漏监测方法，其特征在于，还包括：

S5、当所述服务器终端接收到被监测多相流管道的泄漏警报时，发出控制远程停泵的指令，并生成报警日志。

4.根据权利要求1所述的一种多相流管道泄漏监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据多相流管道沿线的多个观测点的同一种型号的传感器获得现场采集数据；所述传感器根据北斗授时模块统一进行授时。

5.根据权利要求4所述的一种多相流管道泄漏监测方法，其特征在于，所述步骤S1中传感器类型包括：多相流量计、压力变送器、温度传感器和次声波传感器。

6.根据权利要求4所述的一种多相流管道泄漏监测方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：对所述现场采集数据，采用小波去噪、缺失值处理、异常值处理进行数据清洗与降噪处理。

7.根据权利要求1所述的一种多相流管道泄漏监测方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：

采用输差分析法，在T时刻当任意两个观测点的液体流量和/或气体流量所对应的参数之间存在第一差值，且所述第一差值大于第一阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点。

8.根据权利要求1所述的一种多相流管道泄漏监测方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：

采用动态模拟计算法，在T时刻基于第一观测点的液体流量、气体流量、温度、介质密度、粘度和管道数据；构建流体力学方程来模拟管道的流量、压力分布图，推算第二观测点的相关参数；

当推算第二观测点的相关参数与第二观测点的实际测量值相比存在第二差值，且所述第二差值大于第二阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点。

9.根据权利要求1所述的一种多相流管道泄漏监测方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：

分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的次声波信号，根据公式(1)计算出泄漏点位置：

其中，L为所述两个观测点之间的距离；a为所述次声波信号的传播速度；Δt为第一观测点的次声波传感器接收到所述次声波信号的时间t₁与第二观测点的次声波传感器接收到所述次声波信号的时间t₂之差；当Δt为正值时，X为所述泄漏点距第二监测点的距离；当Δt为负值时，X为所述泄漏点距第一监测点的距离。

10.一种多相流管道泄漏监测系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于实时获取被监测多相流管道沿线的多个观测点的现场采集数据；所述现场采集数据包括：液体流量、气体流量、管道压力、温度、介质密度和粘度；

判断模块，用于在T时刻当任意两个观测点现场采集数据存在差值，且所述差值大于阈值时，判断该两个观测点之间存在泄漏点；

确定模块，用于分别获取在T时刻时设置在所述两个观测点的次声波传感器所采集的的次声波信号，确定所述被监测多相流管道的泄漏点位置。

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