负压波法管道泄漏监测定位系统实践与探索
慕喜平+武博+王立
摘 要：输油管道发生泄漏不仅会给企业带来巨大的经济损失，而且会造成十分严重的环境污染，所以研究和开发一套有效的输油管道泄漏检测及定位系统具有重要的意义。本文以负压波为原理，以LabVIEW与MATLAB为系统开发平台，结合传感器技术、数字信号处理技术和通信技术，设计研发了输油管道泄漏实时检测及定位系统。
关键词：小波变换；管道泄漏；监测
1 实施背景
1、油田安全生产的需要。
原油输送管道是油田生产的生命线，如果管线发生穿孔，将会导致原油漏失、环境污染等一系列不良后果，如果采取先进的科技手段，对输油管线进行实时监测，迅速准确的判断出泄漏位置。就能使突发事件得到及时处理，使损失降到最低限度。
2、打破泄漏监测技术垄断的需要。
市场上有部分公司研制管道泄漏监测定位系统，其实验环境都是理想的输送液体管道，而我们的输油管道多处于山峁沟壑之间。所以，他们的产品不一定适用于我们的输油管道在线监测，安装费用较高，15万元/套，只能对重点输油管线加装。所以，打破这种技术垄断，研发适用于长庆油田输油管道在线监控系统是有重要意义的。
2 主要做法
1、成立科研项目技术攻关小组
2016年3月以来，在厂部的大力支持与领导下，由厂信息中心牵头组织，成立管道泄漏监测定位系统科研项目技术攻关小组。领导小组定期召开会议，总结阶段任务进展情况，明确下阶段的重点任务，分析科研项目中存在的问题，进行集中解决和处理。
2、宣传营造氛围，推进项目工程施工
2016年3月至2016年8月，化子坪采油作业区积极响应厂部号召，成立项目工程实施小组。加大对该科研项目推广宣传，营造浓厚科研气氛，提高员工对该项目工程的认知度，推进该项目工程建设。
3、编制管道泄漏监测定位系统科研项目实施方案
2016年5月，厂信息中心牵头，化子坪作业区积极配合，集体讨论，编写《管道泄漏监测定位系统科研项目开题设计报告》以及《管道泄漏监测定位系统科研项目实施方案》。
3 项目实施过程
1、搭建管道泄漏监测实验环境
在管线两端加装罗斯蒙特高精度压力变送器，可实时监测管线压力，同时在途经林79-75井组处（距离镰一转1500m），加装仿真泄漏的阀门，用来模拟管线泄漏。
2、验证负压波的存在，对方案可行性进行评估
检索采油四厂2015年以来所有管道泄漏事件，从SCADA系统工业库调用历史数据，采用小波变换法滤波，然后进行奇异性分析，发现管道泄漏时，确实有负压波传输至上、下游压力变送器。所以，采用负压波法对管道泄漏监测定位有一定的可行性。
3、研发管道泄漏监测定位系统
一是硬件系统设计
以数据采集卡为处理核心，研制小型数据采集系统，用来实时采集被监测输油管线两端压力传感器压力值。
①电源滤波器：考虑到站点电网不稳定，安装有多台大功率变频器等设备，电源滤波器用来滤除电网50Hz干扰。
②24V稳压电源：将220V交流电压转换为24V直流电压，用来给数据采集卡、IV隔离器、光纤收发器供电。
③数据采集卡：用来实时采集现场压力变送器压力值，并将数据传回至管道泄漏检测平台。
④隔离配电器：考虑到部分站点地网铺设不完善，无法将设备共地连接，隔离配电器主要用来消除共地环流，保障采样精度。
⑤纳米晶磁环滤波器：主要用来消除50-100MHz高频干扰，保障采样精度。
⑥光纤收发器：因“源场作用”，为了更准确的检测负压波信号，需将压力变送器安装至距离站点100-200m管线上，需通过光缆传输信号，故加装光纤收发器设备。
二是软件系统设计
通过LABVIEW平台，自主G语言开发设计，实现上、下游压力信号同步采集；利用MATLAB平台，自主M语言编程，实现基于图像处理的算法，精确判断压力变化拐点，测定泄漏位置。
①数据采集卡初始化子程序
上位机监控平台向数据采集卡发送采集命令时，首先需要对数据采集卡采样频率、通道、量程变换等参数进行设置。
②数据采集卡采集子程序
上位机触发数据采集卡采样后，数据采集卡依据内部硬件时钟进行实时采样，利用LABVIEW并行处理技术，实现上下游数据采集卡同步采集。
③压力数据滤波子程序
采用MATLAB自带的DB6小波，实现小波变换滤波，滤除噪声信号，保障压力数据准确可靠，为后期泄漏监测算法提供可用数据。
④泄漏监测定位算法子程序
为快速检测和准确定位压力曲线上的负压波，提出一种基于图像处理的算法。该方法将压力数值转化为图像灰度值，将压力曲线上的负压波起始点定位等价为图像的边缘检测。
⑤报警子程序
当发生泄漏事故时，LABVIEW通过驱动电脑声卡，发出报警声音，提醒值班员工，以便在第一时间将问题解决。
⑥截屏子程序
当压力曲线出现抖动时，LABVIEW触发截屏子程序，截屏保存，方便员工查看历史曲线。
4、静止承压管线上测试
封堵实验管线两端，将管线用清水打压至2.6MPa，然后将研制的数据采集系统安装至管线两端，实时采集现场压力信号。然后通过放空闸门放水，开展多次泄漏测试，两端均能监测到负压波，并能判定泄漏位置，得出负压波的传输速度约1000m/s。
5、真实输油管线上开展测试
将镰二增外输原油导入实验管线，镰一转处未测到负压波。可以实时报警，但无法定位。导致这种现象的主要原因，就是管线末端，存在较大的高程差，流体重力效应，导致管线未充满管道。
测试后期：将镰一转进站闸门进行适度关闭，提升压力。镰二增外输压力1.85MPa，镰三增处测到的压力1.42MPa，镰一转处压力0.85MPa，通过20多次的放油测试，发现镰一转、镰三增处均能监测到负压波，可以实时报警，并能准确定位。
6、真实输油管线上安装试运行
经过大量实验探索，管线泄漏监测定位要领全部得到掌握，对化五转、化七增外输管线加装管道泄漏监测定位系统，主要对系统稳定性进行评估，其次，针对员工要求，进一步完善系统功能。
4 取得效果
1、初步探索出管道泄漏监测的机理
应力波法是一种很有效的方法，但我们的输油管线属于地埋，应力波衰减较大，最大监测长度1公里，不适用于站点外输管线。负压波法，主要依靠管线泄漏引起物质损失，两端流体不断向泄漏点处补充，形成了由泄漏点向两端发送的负压波，该方法简单可靠，在长庆油田比较适用。
2、研发了一套管道泄漏监测定位系统
通过坚持不懈的钻研，研制了一套基于数据采集卡为处理核心的数据采集系统，并用LABVIEW与MATLAB混合编程的方式，设计开发了一套泄漏监测算法软件平台，界面友好，操作简单，采样频率500Hz，采样精度0.01%，泄漏报警响应仅需数秒，定位误差小于管线全长的5%，具有完整的自主知识产权。
3、建立了一支创新团队
通过细化岗位、组织推动、创新载体等做法，成立了化子坪作业区艾信创新工作小组，小组成员共计5人，主要由技能带头人以及技术标兵等组成。小组成员主要完成了管道泄漏监测定位系统、SCADA短信层级报警推送系统、可燃气体信号GPRS无线传输系统、井组及站点计量装置研发等任务。
4、确立了一套解决问题的新方法——焦点辐射法
本着“有条件要上，没有条件创造条件也要上”的信念，以存在的复杂问题为焦点，对其进行分层次孤立，逐步放大孤立范围，向外辐射状排查，寻找问题根源，然后对症下药。
参考文献
[1]]曹虎.企业技术创新及其综合评价模型研究[J].山东科技大学，2010：5-6.
[2]王明安.隐性知识在企业技术创新中的作用研究[J].湖南大学，2013：9-8.
[3]傅家骥.技术创新学[M].北京：清华大学出版社，2015：141-150.
摘 要：输油管道发生泄漏不仅会给企业带来巨大的经济损失，而且会造成十分严重的环境污染，所以研究和开发一套有效的输油管道泄漏检测及定位系统具有重要的意义。本文以负压波为原理，以LabVIEW与MATLAB为系统开发平台，结合传感器技术、数字信号处理技术和通信技术，设计研发了输油管道泄漏实时检测及定位系统。
关键词：小波变换；管道泄漏；监测
1 实施背景
1、油田安全生产的需要。
原油输送管道是油田生产的生命线，如果管线发生穿孔，将会导致原油漏失、环境污染等一系列不良后果，如果采取先进的科技手段，对输油管线进行实时监测，迅速准确的判断出泄漏位置。就能使突发事件得到及时处理，使损失降到最低限度。
2、打破泄漏监测技术垄断的需要。
市场上有部分公司研制管道泄漏监测定位系统，其实验环境都是理想的输送液体管道，而我们的输油管道多处于山峁沟壑之间。所以，他们的产品不一定适用于我们的输油管道在线监测，安装费用较高，15万元/套，只能对重点输油管线加装。所以，打破这种技术垄断，研发适用于长庆油田输油管道在线监控系统是有重要意义的。
2 主要做法
1、成立科研项目技术攻关小组
2016年3月以来，在厂部的大力支持与领导下，由厂信息中心牵头组织，成立管道泄漏监测定位系统科研项目技术攻关小组。领导小组定期召开会议，总结阶段任务进展情况，明确下阶段的重点任务，分析科研项目中存在的问题，进行集中解决和处理。
2、宣传营造氛围，推进项目工程施工
2016年3月至2016年8月，化子坪采油作业区积极响应厂部号召，成立项目工程实施小组。加大对该科研项目推广宣传，营造浓厚科研气氛，提高员工对该项目工程的认知度，推进该项目工程建设。
3、编制管道泄漏监测定位系统科研项目实施方案
2016年5月，厂信息中心牵头，化子坪作业区积极配合，集体讨论，编写《管道泄漏监测定位系统科研项目开题设计报告》以及《管道泄漏监测定位系统科研项目实施方案》。
3 项目实施过程
1、搭建管道泄漏监测实验环境
在管线两端加装罗斯蒙特高精度压力变送器，可实时监测管线压力，同时在途经林79-75井组处（距离镰一转1500m），加装仿真泄漏的阀门，用来模拟管线泄漏。
2、验证负压波的存在，对方案可行性进行评估
检索采油四厂2015年以来所有管道泄漏事件，从SCADA系统工业库调用历史数据，采用小波变换法滤波，然后进行奇异性分析，发现管道泄漏时，确实有负压波传输至上、下游压力变送器。所以，采用负压波法对管道泄漏监测定位有一定的可行性。
3、研发管道泄漏监测定位系统
一是硬件系统设计
以数据采集卡为处理核心，研制小型数据采集系统，用来实时采集被监测输油管线两端压力传感器压力值。
①电源滤波器：考虑到站点电网不稳定，安装有多台大功率变频器等设备，电源滤波器用来滤除电网50Hz干扰。
②24V稳压电源：将220V交流电压转换为24V直流电压，用来给数据采集卡、IV隔离器、光纤收发器供电。
③数据采集卡：用来实时采集现场压力变送器压力值，并将数据传回至管道泄漏检测平台。
④隔离配电器：考虑到部分站点地网铺设不完善，无法将设备共地连接，隔离配电器主要用来消除共地环流，保障采样精度。
⑤纳米晶磁环滤波器：主要用来消除50-100MHz高频干扰，保障采样精度。
⑥光纤收发器：因“源场作用”，为了更准确的检测负压波信号，需将压力变送器安装至距离站点100-200m管线上，需通过光缆传输信号，故加装光纤收发器设备。
二是软件系统设计
通过LABVIEW平台，自主G语言开发设计，实现上、下游压力信号同步采集；利用MATLAB平台，自主M语言编程，实现基于图像处理的算法，精确判断压力变化拐点，测定泄漏位置。
①数据采集卡初始化子程序
上位机监控平台向数据采集卡发送采集命令时，首先需要对数据采集卡采样频率、通道、量程变换等参数进行设置。
②数据采集卡采集子程序
上位机触发数据采集卡采样后，数据采集卡依据内部硬件时钟进行实时采样，利用LABVIEW并行处理技术，实现上下游数据采集卡同步采集。
③压力数据滤波子程序
采用MATLAB自带的DB6小波，实现小波变换滤波，滤除噪声信号，保障压力数据准确可靠，为后期泄漏监测算法提供可用数据。
④泄漏监测定位算法子程序
为快速检测和准确定位压力曲线上的负压波，提出一种基于图像处理的算法。该方法将压力数值转化为图像灰度值，将压力曲线上的负压波起始点定位等价为图像的边缘检测。
⑤报警子程序
当发生泄漏事故时，LABVIEW通过驱动电脑声卡，发出报警声音，提醒值班员工，以便在第一时间将问题解决。
⑥截屏子程序
当压力曲线出现抖动时，LABVIEW触发截屏子程序，截屏保存，方便员工查看历史曲线。
4、静止承压管线上测试
封堵实验管线两端，将管线用清水打压至2.6MPa，然后将研制的数据采集系统安装至管线两端，实时采集现场压力信号。然后通过放空闸门放水，开展多次泄漏测试，两端均能监测到负压波，并能判定泄漏位置，得出负压波的传输速度约1000m/s。
5、真实输油管线上开展测试
将镰二增外输原油导入实验管线，镰一转处未测到负压波。可以实时报警，但无法定位。导致这种现象的主要原因，就是管线末端，存在较大的高程差，流体重力效应，导致管线未充满管道。
测试后期：将镰一转进站闸门进行适度关闭，提升压力。镰二增外输压力1.85MPa，镰三增处测到的压力1.42MPa，镰一转处压力0.85MPa，通过20多次的放油测试，发现镰一转、镰三增处均能监测到负压波，可以实时报警，并能准确定位。
6、真实输油管线上安装试运行
经过大量实验探索，管线泄漏监测定位要领全部得到掌握，对化五转、化七增外输管线加装管道泄漏监测定位系统，主要对系统稳定性进行评估，其次，针对员工要求，进一步完善系统功能。
4 取得效果
1、初步探索出管道泄漏监测的机理
应力波法是一种很有效的方法，但我们的输油管线属于地埋，应力波衰减较大，最大监测长度1公里，不适用于站点外输管线。负压波法，主要依靠管线泄漏引起物质损失，两端流体不断向泄漏点处补充，形成了由泄漏点向两端发送的负压波，该方法简单可靠，在长庆油田比较适用。
2、研发了一套管道泄漏监测定位系统
通过坚持不懈的钻研，研制了一套基于数据采集卡为处理核心的数据采集系统，并用LABVIEW与MATLAB混合编程的方式，设计开发了一套泄漏监测算法软件平台，界面友好，操作简单，采样频率500Hz，采样精度0.01%，泄漏报警响应仅需数秒，定位误差小于管线全长的5%，具有完整的自主知识产权。
3、建立了一支创新团队
通过细化岗位、组织推动、创新载体等做法，成立了化子坪作业区艾信创新工作小组，小组成员共计5人，主要由技能带头人以及技术标兵等组成。小组成员主要完成了管道泄漏监测定位系统、SCADA短信层级报警推送系统、可燃气体信号GPRS无线传输系统、井组及站点计量装置研发等任务。
4、确立了一套解决问题的新方法——焦点辐射法
本着“有条件要上，没有条件创造条件也要上”的信念，以存在的复杂问题为焦点，对其进行分层次孤立，逐步放大孤立范围，向外辐射状排查，寻找问题根源，然后对症下药。
参考文献
[1]]曹虎.企业技术创新及其综合评价模型研究[J].山东科技大学，2010：5-6.
[2]王明安.隐性知识在企业技术创新中的作用研究[J].湖南大学，2013：9-8.
[3]傅家骥.技术创新学[M].北京：清华大学出版社，2015：141-150.
