石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合石油管道在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，通過分析常用的石油管道監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究和設(shè)計(jì)了一種石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。論述了石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的3種功能，即管道泄漏監(jiān)測(cè)功能、管道變形監(jiān)測(cè)功能、管道視頻監(jiān)測(cè)功能。設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，包括服務(wù)器(主控系統(tǒng))、客戶終端、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器，以及軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器模塊、監(jiān)測(cè)與定位模塊、通信接口模塊、人機(jī)界面模塊和客戶端模塊。通過建立石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警與定位，保證了石油管道的正常運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：石油管道；監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)；智能化；硬件；軟件

    石油管道是我國(guó)重要能源物資運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要方面，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)脈，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用。近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，國(guó)家對(duì)石油管道的依賴性逐漸提高，政府對(duì)管道的監(jiān)管力度也逐漸加大，因此管道的正常運(yùn)行涉及到方方面面的利益。石油管道監(jiān)測(cè)是保證石油管道正常運(yùn)行的重要保障之一，它的主要任務(wù)就是監(jiān)測(cè)管道是否有泄漏，管道泄漏的主要原因有兩個(gè)方
面：一方面是人為非法打孔盜油所造成的油氣泄漏，這些泄漏如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不但會(huì)造成較大的直接經(jīng)濟(jì)損失，也使管道的安全性出現(xiàn)重大隱患；另一方面是管道時(shí)時(shí)刻刻都會(huì)受到因地震、洪水、滑坡等引起的大地移動(dòng)、地貌變化、非法的管道占?jí)汉头至鞯挠绊懞妥匀粸?zāi)害，如果沒有監(jiān)測(cè)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)，后果將不堪設(shè)想。除了監(jiān)測(cè)泄漏之外，還需要監(jiān)測(cè)管道是否變形等情況，或通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控石油管道周邊的情況，以便判斷管道安全是否受到外界潛在的威脅。因此，石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用成為油田亟待解決的問題，研究設(shè)計(jì)石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必要的，先進(jìn)的管道監(jiān)測(cè)技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，迅速采取措施，從而大大減少盜油案件發(fā)生，減少漏油損失，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述
    石油管道監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)達(dá)國(guó)家立法要求管道必須采取有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。一般地，管道監(jiān)測(cè)方法有3類，包括生物法、硬件法、軟件法。
    1)生物法 石油管道的生物監(jiān)測(cè)方法是一種傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，主要是利用用人或經(jīng)過訓(xùn)練的動(dòng)物沿管線行走查看管道附近的異常情況、聞管道中釋放出的氣味、聽聲音等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是直接準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性差，耗費(fèi)大量的人力。
    2)硬件法 石油管道的硬件監(jiān)測(cè)方法主要有直觀監(jiān)測(cè)器、聲學(xué)監(jiān)測(cè)器、氣體監(jiān)測(cè)器、壓力監(jiān)測(cè)器等。①直觀監(jiān)測(cè)器是指利用溫度傳感器測(cè)定泄漏處的溫度變化。例如，用沿管道鋪設(shè)的多傳感器電纜等。②聲學(xué)監(jiān)測(cè)器是指當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)流體流出管道會(huì)發(fā)出聲音，聲波按照管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)決定的速度傳播，聲音監(jiān)測(cè)器檢測(cè)出這種波而發(fā)現(xiàn)泄漏。③氣體監(jiān)測(cè)器是指使用便攜式氣體采樣器沿管道行走，對(duì)泄漏的氣體進(jìn)行檢測(cè)。
    3)軟件法 石油管道軟件監(jiān)測(cè)方法是指利用軟件系統(tǒng)提供的流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，通過流量或壓力變化、質(zhì)量或體積平衡、動(dòng)力模型和壓力點(diǎn)分析軟件的方法檢測(cè)泄漏。發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視輸油管道的安全運(yùn)行，管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用，有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還提供先進(jìn)的圖形識(shí)別功能。
    目前國(guó)內(nèi)油田長(zhǎng)距離石油管道大多數(shù)沒有安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要靠人工沿管線巡視，管線運(yùn)行數(shù)據(jù)靠人工讀取，這種情況對(duì)管道的安全運(yùn)行十分不利。國(guó)內(nèi)石油管道監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，但近幾年才真正取得突破，并在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。國(guó)內(nèi)在這一方面進(jìn)行研究的大學(xué)或機(jī)構(gòu)有清華大學(xué)自動(dòng)化系、天津大學(xué)精密儀器學(xué)院、北京大學(xué)、石油大學(xué)等。

2 石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
    石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能包括3方面：管道泄漏監(jiān)測(cè)功能；管道變形監(jiān)測(cè)功能；管道視頻監(jiān)測(cè)功能。
2．1 管道泄漏監(jiān)測(cè)功能
    管道泄漏監(jiān)測(cè)功能要求有2個(gè)方面：1)監(jiān)測(cè)管道是否泄漏，2)要求精確定位泄漏地點(diǎn)。監(jiān)測(cè)石油管道是否泄漏的方法主要有2種：直接法和間接法。
    1)直接法 直接法是指利用預(yù)置在管道外的檢測(cè)元件直接測(cè)出泄漏介質(zhì)，這種監(jiān)測(cè)元件一般包括檢漏線纜或油敏感元件，這種方法可以檢測(cè)到微小的滲漏，并能定位，要求在管道建設(shè)時(shí)與管道同時(shí)安裝。
    2)間接法 間接法是指通過檢測(cè)管道運(yùn)行參數(shù)的變化推斷出泄漏的發(fā)生，例如檢測(cè)壓力、流量等，這種方法的靈敏度不如直接方法高，有較大泄漏時(shí)較明顯，可在管道建成后不影響生產(chǎn)的情況下安裝，并可不斷升級(jí)。
2．2 管道變形監(jiān)測(cè)功能
    管道變形監(jiān)測(cè)功能就是監(jiān)測(cè)石油管道是否產(chǎn)生形變。引起管道變形的主要原因有地質(zhì)災(zāi)害、人為破壞、氣溫變換等。管道變形的表現(xiàn)形式包括：1)管道的軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變?cè)黾?，從而影響管道的縱向強(qiáng)度；2)管道存在嚴(yán)重的環(huán)向缺陷和附加拉伸應(yīng)變時(shí)，管道可能發(fā)生拉伸斷裂；3)管道存在附加壓縮應(yīng)變時(shí)，則可能發(fā)生屈曲破壞。
    國(guó)內(nèi)外眾多研究表明，管道變形問題如果不能實(shí)時(shí)掌控，其后果可能是災(zāi)難性的，嚴(yán)重的可以使管道泄漏或斷裂，進(jìn)而對(duì)人身安全構(gòu)成威脅或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生長(zhǎng)期的不良影響。實(shí)時(shí)了解和掌握地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道影響的程度和發(fā)展趨勢(shì)，并據(jù)此制定相應(yīng)的工程處理措施和應(yīng)急預(yù)案，保證管道的完整性，是石油、天然氣管道長(zhǎng)期安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要環(huán)節(jié)。
2．3 管道視頻監(jiān)測(cè)功能
    管道視頻監(jiān)測(cè)功能是指采用無線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，監(jiān)測(cè)管道的實(shí)時(shí)狀況：一方面及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問題，起到預(yù)防各種情況的作用；另一方面當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，系統(tǒng)能將現(xiàn)場(chǎng)圖像實(shí)時(shí)傳回監(jiān)控中心，為遠(yuǎn)程指揮調(diào)度提供有力的保障，最大限度地減小各種情況造成的損失。
    石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖l所示。



3 石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)概述
    石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是結(jié)合了以往的一些監(jiān)測(cè)方法而研發(fā)的一種可靠的比較容易操作的新型的管道監(jiān)控系統(tǒng)。主要有精確定位和智能化監(jiān)測(cè)。
    1)泄漏地點(diǎn)的精確定位 系統(tǒng)對(duì)管道運(yùn)行狀況進(jìn)行分類識(shí)別，迅速準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出管道運(yùn)行情況，檢測(cè)管道運(yùn)行故障，具有較強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境和抗噪聲干擾的能力，且能適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。
    2)智能化監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)建立一個(gè)詳盡的知識(shí)庫，知識(shí)庫中記錄了泄漏和各種狀況信息，對(duì)每種工作狀況提取若干特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)準(zhǔn)確記錄了相關(guān)信息，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)將狀況與知識(shí)庫中的原始狀況進(jìn)行對(duì)比，從而確定當(dāng)前是否存在潛在問題。
3．2 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括服務(wù)器(主控系統(tǒng))、客戶終端、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器。其中，服務(wù)器(主控系統(tǒng))進(jìn)行監(jiān)控中心的指揮控制；客戶終端接受主控系統(tǒng)的調(diào)控，完成主控系統(tǒng)分配的任務(wù)；通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)信息的傳輸；傳感器接收管道傳來的信號(hào)。硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。


3．3 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器模塊、監(jiān)測(cè)與定位模塊、通信接口模塊、人機(jī)界面模塊和客戶端模塊。
    1)數(shù)據(jù)采集模塊 主機(jī)上運(yùn)行，負(fù)責(zé)與傳感器通信，收集采集到的諸多數(shù)據(jù)。
    2)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器模塊 在主機(jī)上運(yùn)行，負(fù)責(zé)對(duì)所有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警信息進(jìn)行管理和保存。
    3)監(jiān)測(cè)與定位模塊 在主機(jī)上運(yùn)行，對(duì)每段管線提供實(shí)時(shí)、全自動(dòng)和不間斷的監(jiān)測(cè)與定位計(jì)算。
    4)通信接口模塊 在主機(jī)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)主計(jì)算機(jī)與傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。
    5)人機(jī)界面 包括總貌畫面、實(shí)時(shí)畫面、歷史趨勢(shì)畫面和報(bào)警畫面等主要畫面。
    6)客戶端模塊 供用戶查看系統(tǒng)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)管線的界面系統(tǒng)。
3．4 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面、報(bào)警界面、報(bào)警記錄、運(yùn)行日志。
    1)系統(tǒng)主界面 顯示首末端的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，首末端壓力、壓力差、流量、流量差、溫度、溫度差。
    2)報(bào)警界面 系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過程中，若有故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警、計(jì)算故障位置。
    3)報(bào)警記錄 在發(fā)生故障的同時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)各重要的參數(shù)進(jìn)行記錄，便于工作人員隨時(shí)查看。
    4)運(yùn)行日志 記錄系統(tǒng)啟動(dòng)和退出時(shí)間、通信信息、以及輸油工況的調(diào)整等，系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過程中會(huì)自動(dòng)識(shí)別出站內(nèi)的工藝調(diào)整，然后存入日志。

4 結(jié)束語
    石油管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的反應(yīng)速度，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警與定位。特別是出現(xiàn)問題后，可通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)切換至事發(fā)地點(diǎn)，同時(shí)發(fā)送信息給相關(guān)負(fù)責(zé)人?？梢愿鶕?jù)短信回復(fù)對(duì)管網(wǎng)做出調(diào)整，也可以設(shè)定為系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題后按照應(yīng)急預(yù)案自動(dòng)處理。系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，迅速采取措施，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。