石油管道监测系统的研究与设计

摘要：结合石油管道在实际应用中存在的问题，通过分析常用的石油管道监测技术，研究和设计了一种石油管道监测系统。论述了石油管道监测系统的3种功能，即管道泄漏监测功能、管道变形监测功能、管道视频监测功能。设计了硬件系统总体结构，包括服务器(主控系统)、客户终端、通信网络、传感器，以及软件系统总体结构，包括数据采集模块、数据库服务器模块、监测与定位模块、通信接口模块、人机界面模块和客户端模块。通过建立石油管道监测系统，能够实现全自动的监测报警与定位，保证了石油管道的正常运行。
关键词：石油管道；监测；系统；智能化；硬件；软件

    石油管道是我国重要能源物资运输的一个重要方面，是国民经济的动脉，在国民经济建设和国防建设中发挥着不可替代的作用。近年来，随着我国经济的持续发展，国家对石油管道的依赖性逐渐提高，政府对管道的监管力度也逐渐加大，因此管道的正常运行涉及到方方面面的利益。石油管道监测是保证石油管道正常运行的重要保障之一，它的主要任务就是监测管道是否有泄漏，管道泄漏的主要原因有两个方
面：一方面是人为非法打孔盗油所造成的油气泄漏，这些泄漏如果不能及时发现，不但会造成较大的直接经济损失，也使管道的安全性出现重大隐患；另一方面是管道时时刻刻都会受到因地震、洪水、滑坡等引起的大地移动、地貌变化、非法的管道占压和分流的影响和自然灾害，如果没有监测手段及时发现，后果将不堪设想。除了监测泄漏之外，还需要监测管道是否变形等情况，或通过视频监控系统监控石油管道周边的情况，以便判断管道安全是否受到外界潜在的威胁。因此，石油管道监测系统的研究与应用成为油田亟待解决的问题，研究设计石油管道监测系统是必要的，先进的管道监测技术可以及时发现泄漏，迅速采取措施，从而大大减少盗油案件发生，减少漏油损失，具有明显的经济效益和社会效益。

1 石油管道监测系统概述
    石油管道监测技术在国外得到了广泛的应用，发达国家立法要求管道必须采取有效的监测系统。一般地，管道监测方法有3类，包括生物法、硬件法、软件法。
    1)生物法 石油管道的生物监测方法是一种传统的监测方法，主要是利用用人或经过训练的动物沿管线行走查看管道附近的异常情况、闻管道中释放出的气味、听声音等。这种方法的优点是直接准确，缺点是实时性差，耗费大量的人力。
    2)硬件法 石油管道的硬件监测方法主要有直观监测器、声学监测器、气体监测器、压力监测器等。①直观监测器是指利用温度传感器测定泄漏处的温度变化。例如，用沿管道铺设的多传感器电缆等。②声学监测器是指当泄漏发生时流体流出管道会发出声音，声波按照管道内流体的物理性质决定的速度传播，声音监测器检测出这种波而发现泄漏。③气体监测器是指使用便携式气体采样器沿管道行走，对泄漏的气体进行检测。
    3)软件法 石油管道软件监测方法是指利用软件系统提供的流量、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软件的方法检测泄漏。发达国家非常重视输油管道的安全运行，管道泄漏监测技术比较成熟，并得到了广泛的应用，有的监测系统还提供先进的图形识别功能。
    目前国内油田长距离石油管道大多数没有安装监测系统，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十分不利。国内石油管道监测技术的研究始于20世纪90年代，但近几年才真正取得突破，并在生产中发挥作用。国内在这一方面进行研究的大学或机构有清华大学自动化系、天津大学精密仪器学院、北京大学、石油大学等。

2 石油管道监测系统功能设计
    石油管道监测系统的主要功能包括3方面：管道泄漏监测功能；管道变形监测功能；管道视频监测功能。
2．1 管道泄漏监测功能
    管道泄漏监测功能要求有2个方面：1)监测管道是否泄漏，2)要求精确定位泄漏地点。监测石油管道是否泄漏的方法主要有2种：直接法和间接法。
    1)直接法 直接法是指利用预置在管道外的检测元件直接测出泄漏介质，这种监测元件一般包括检漏线缆或油敏感元件，这种方法可以检测到微小的渗漏，并能定位，要求在管道建设时与管道同时安装。
    2)间接法 间接法是指通过检测管道运行参数的变化推断出泄漏的发生，例如检测压力、流量等，这种方法的灵敏度不如直接方法高，有较大泄漏时较明显，可在管道建成后不影响生产的情况下安装，并可不断升级。
2．2 管道变形监测功能
    管道变形监测功能就是监测石油管道是否产生形变。引起管道变形的主要原因有地质灾害、人为破坏、气温变换等。管道变形的表现形式包括：1)管道的轴向应变和弯曲应变增加，从而影响管道的纵向强度；2)管道存在严重的环向缺陷和附加拉伸应变时，管道可能发生拉伸断裂；3)管道存在附加压缩应变时，则可能发生屈曲破坏。
    国内外众多研究表明，管道变形问题如果不能实时掌控，其后果可能是灾难性的，严重的可以使管道泄漏或断裂，进而对人身安全构成威胁或对环境产生长期的不良影响。实时了解和掌握地质灾害对管道影响的程度和发展趋势，并据此制定相应的工程处理措施和应急预案，保证管道的完整性，是石油、天然气管道长期安全、经济运行的必要环节。
2．3 管道视频监测功能
    管道视频监测功能是指采用无线远程视频监控系统，通过监控中心实时监控功能，监测管道的实时状况：一方面及时发现潜在的问题，起到预防各种情况的作用；另一方面当发生突发状况时，系统能将现场图像实时传回监控中心，为远程指挥调度提供有力的保障，最大限度地减小各种情况造成的损失。
    石油管道监测系统功能结构如图l所示。



3 石油管道监测系统总体设计
3．1 系统概述
    石油管道监测系统是结合了以往的一些监测方法而研发的一种可靠的比较容易操作的新型的管道监控系统。主要有精确定位和智能化监测。
    1)泄漏地点的精确定位 系统对管道运行状况进行分类识别，迅速准确预报出管道运行情况，检测管道运行故障，具有较强的抗恶劣环境和抗噪声干扰的能力，且能适应复杂的工业现场。
    2)智能化监测 系统建立一个详尽的知识库，知识库中记录了泄漏和各种状况信息，对每种工作状况提取若干特征点，这些特征点准确记录了相关信息，当出现异常时，系统将状况与知识库中的原始状况进行对比，从而确定当前是否存在潜在问题。
3．2 硬件系统总体结构
    系统总体结构包括服务器(主控系统)、客户终端、通信网络、传感器。其中，服务器(主控系统)进行监控中心的指挥控制；客户终端接受主控系统的调控，完成主控系统分配的任务；通信网络负责信息的传输；传感器接收管道传来的信号。硬件系统总体结构如图2所示。


3．3 软件系统总体结构
    系统软件包括数据采集模块、数据库服务器模块、监测与定位模块、通信接口模块、人机界面模块和客户端模块。
    1)数据采集模块 主机上运行，负责与传感器通信，收集采集到的诸多数据。
    2)数据库服务器模块 在主机上运行，负责对所有的实时数据、历史数据和报警信息进行管理和保存。
    3)监测与定位模块 在主机上运行，对每段管线提供实时、全自动和不间断的监测与定位计算。
    4)通信接口模块 在主机上运行，实现主计算机与传感器之间的数据传输。
    5)人机界面 包括总貌画面、实时画面、历史趋势画面和报警画面等主要画面。
    6)客户端模块 供用户查看系统状态，监测管线的界面系统。
3．4 系统界面设计
    系统界面包括系统主界面、报警界面、报警记录、运行日志。
    1)系统主界面 显示首末端的网络状态，首末端压力、压力差、流量、流量差、温度、温度差。
    2)报警界面 系统在监测过程中，若有故障发生时，系统会自动报警、计算故障位置。
    3)报警记录 在发生故障的同时，系统将对各重要的参数进行记录，便于工作人员随时查看。
    4)运行日志 记录系统启动和退出时间、通信信息、以及输油工况的调整等，系统在监测过程中会自动识别出站内的工艺调整，然后存入日志。

4 结束语
    石油管道监测系统具有较高的反应速度，能够实现全自动的监测报警与定位。特别是出现问题后，可通过视频监控系统自动切换至事发地点，同时发送信息给相关负责人。可以根据短信回复对管网做出调整，也可以设定为系统发现问题后按照应急预案自动处理。系统可以及时发现故障，迅速采取措施，具有明显的经济效益和社会效益。