智慧燃气:城市燃气管网泄漏检测系统的现状及发展

   智慧城市     2019-04-17     秀方案    齐研科    381    0    
核心提示:随着我国燃气事业的高速发展,燃气安全技术越来越受到重视,传统的安全检测已经不能满足人们对燃气安全生产运行的要求。以计算机为基础的信息时代,燃气管网也进入了数字化的进程中,城市燃气安全运行管理有了更为先进准确的手段。

  城市燃气网管安全运行的主要问题就是泄漏问题。本文通过对城市燃气管网特点的分析,总结了现有的城市燃气泄漏检测系统,主要分析对比了SCADA系统在城市燃气管网泄漏检测中的各种技术的优缺点,在系统和技术层面给出了意见。

关键词
:泄漏检测技术 SCADA系统 城市燃气管网

0引言
随着我国燃气事业的高速发展,燃气安全技术越来越受到重视,传统的安全检测已经不能满足人们对燃气安全生产运行的要求。以计算机为基础的信息时代,燃气管网也进入了数字化的进程中,城市燃气安全运行管理有了更为先进准确的手段。本文主要对基于城市燃气管网的特点,目前城市燃气故障(泄漏)检测系统中的存在的问题进行分析,讨论目前存在的问题。希望能够在一定程度上对检漏系统的设计和改造过程中有一定的帮助。

1 城市燃气管网的特点
城市燃气管网是直接面对燃气用户的,有着不同于长输管线的特点,而这些特点又会增加检漏系统设计的难度
(1)布线方式:
城市燃气管道设计一般从环形管网出发,因此管网节点多。同时城市的人工障碍物多,影响管道的走向。城市燃气管网还可能存在不同程度的冗余,增加了自动化检测的难度和成本。
(2)道路路面
地下燃气管道一般沿城市道路,人行道或绿化地带内敷设。路面的材料的透气程度存在很大差别,泄漏燃气可能无法溢出路面而向其它地方汇集产生爆炸隐患。如沥青路面,水泥混凝土路面,土壤等。另外不同等级的道路其动载荷也不同,对管道的影响也不同。

(3)管道的地下环境
城市地下管道比较复杂,除燃气管道外,还有给排水道路,各种地沟以及城市供暖系统
(4)管道及燃气参数
城市燃气的需求是月、日、时而变化,各种调压器,调压站在随着用气需求而进行动作以及燃气调度造成整个管网各项参数的变化。城市中存在不同种类、不同压力的燃气,存在着不同材料的燃气管道。

2
 现有的城市燃气泄漏检测系统
(1)传统的检测系统
《城镇燃气设计规范》和《城镇燃气管网抢修和维护技术规程》为主的国家标准构成了城市燃气安全体系的核心。国家标准中规定了各种燃气设施的安全设计、运行与维护所要达到的要求,这些标准特别是强制性条文使得城市用气安全有了保障。在规范和规程中的检漏体系,主要是规定了人工巡检的机制,对燃气管网系统的管道及其附件,设备的安全检查。
人工巡检实质上就是间断性的检测,随着检测特点的不同可分为固定式和便携式。固定式是指将检测设备固定在某点如用户厨房,检测井,阀门井中,对某一空间进行的监测,一旦发生泄漏并达到一定浓度时,便发出报警信号。便携式是指巡检人员携带检测设备可对燃气管道的各个点进行检测,就有高度的灵活性和灵敏度。现有的便携式检测设备很多,灵敏度都很高,基于的原理也都不一样。

(2)发展中的新系统
目前,在我国城市燃气管网运行管理正稳步进入计算机监控运行。统计各大城市城市城镇燃气管网的运行管理系统,SCADA管道监测控制与数据采集系统得到了广泛的使用。到目前,北京,上海,重庆,天津,合肥等大中城市的燃气管网运行管理都在使用,并在燃气调度和泄漏检测方面取得良好的效果。
 
SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与远程调度相结合的自动化系统。主要有调度控制中心,场站,现场仪表,通讯系统四部分组成。实现对燃气管网的实时中央监控和管理操作。[6]基于SCADA系统的检漏技术就是利用其提供的大量实时的管道燃气参数(温度,压力,流量,流速等)和通讯系统,采用不同原理的检测方法来对管道进行泄漏检测。为了提高检测的准确度,一般采用多种方法同时对管道进行检测,通用的检测原理有:压力流量分析法、质量体积平衡法。现有的SCADA检漏系统设计时,根据应用对象的不同,会采用不同的方法,如美国加利福尼亚Bakers油田到拉斯维加斯地区的Pacific原油管道系统,采用压力波分析,压力流量分析和质量体积平衡。美国谢夫隆管道公司(CPL)将压力点法(PPA)作为SCADA系统的一部分。以统计检漏法为核心的ATMOSPIPE泄漏检测系统也可以与SCADA系统对接。[1-4]
 
压力流量分析法:在管道的出口或入口设置压力和流量测量设备,如所测压力或流量的变化幅度大于预设值,则发出泄漏警报。[1]
质量体积平衡法:质量或体积平衡法的基础也是对流量进行测量,不同点是将流量的变化归纳为质量或体积平衡图,可根据压力/温度的波动和变化对流量进行校正。在质量或体积平衡图上,泄漏引起的流量突变可以得到较清楚地显示,能比第一种形式检测到更小的泄漏量[1]
 
压力点检漏法(PPA):PPA法是利用压力波原理发展的一种新型检漏方法。该方法依靠分析由单一测点取得数据,在场站或干线上某位置上安装一个压力传感器,泄漏时漏电产生的负压波向检测点传播,引起该点压力(或流量)变化,分析比较检测点数据与正常工况的数据,可检测出泄漏。[2]
 
压力波检漏法:当管道发生泄漏事故时,由于压差产生的低压波沿管道上下传播,通过检测压力波,对漏点定位。
统计检漏法:该方法根据管道的入,出口测取的流体流量和压力,连续计算泄漏的统计概率。对与最佳检测时间,使用序列概率比实验方法。当泄漏确定之后,可通过测量流体流量和压力及统计平均值估算泄漏量,用最小二乘法进行泄漏定位。该方法最主要的突破在于无需复杂的管道模型就可到达较高的检测性能。[3]
 
壳牌公司的管道检漏统计系统适用于气体和液体管道,也适用于多级入口和多级出口管道,在正常的管道运行期间,可检测出很小的泄漏量。由于该系统无需复杂的管道模型,只需很少的工作就可使该系统满足各种运行要求。该系统可根据入口和出口所测的压力及流量进行设计,计算技能低于传统的软件系统,系统的维护简单易行。[4]

(3)自发报警系统
由于城市人口密集,通讯方便。燃气管网发生泄漏,一旦被人群发觉,会迅速自发报警,相应部门得到信息及时处理。

3 现有系统存在的问题及发展趋势
(1) 传统的检漏系统的缺陷
传统的检漏系统在时间和空间上存在着许多漏洞如夜间或人员稀少的燃气泄漏突发事件,一旦在这些时间和地方出现事故,不易发现,造成损失和危害。城市燃气管网较长,巡检的周期也很长。传统的检漏系统重在检测,而不是监测,因此才有了计算机控制的管网自动化技术。

(2) 现有的各种检测方法的缺陷。
流量/压力变化、质量/体积平衡和压力点分析法易于维护,费用低,但不能确定泄漏位置,也不能适应发生变化的运行条件[1]压力波法但对于缓慢增加的泄漏反应弱,甚至无效[4]统计检漏法仅检测管线入、出口的压力和流量值所需参数少,这是其优点之一,但也不可避免的带来问题。因为多点同时泄漏与单点泄漏对出入口压力流量的影响是一样的,很难区分。但如果不加以区分,如果发生多点同时泄漏时,所采用的单点定位方法就没有意义。[3]
 
从SCADA系统发展来看,它较多的运用在长输管线,但由于城市燃气管网不同于长输管线的特点使得对以往较适用的检测方法在适用性上还有很多问题。实际上由于SCADA系统本身可以提供大量的燃气数据信息,所以一般都采用基于管道燃气数据的算法模型。但是城市管网的特点对各种检测方法的数学模型的建立产生了很大程度上影响。如城市燃气参数变化(工况变化)、各级管道管材不同、管道冗余等。而数学模型建立的好坏将直接影响检漏系统的实际使用效果,数据误差可能会导致较高的误报率。同时各种算法模型对于微小泄漏的检测着比较困难,特别是对所以连续性检测还不能做到对泄漏检测全方位监测。

(3)发展趋势
连续性检测技术使得检测变成了监测,在时间和空间保证了连续性,使得燃气管网处于实时的监控之中。但连续性检测系统本身存在着一定的缺陷,它的灵敏度和定位精度相对较低,微小泄漏难以察觉,误报率也现对较高。间断性泄漏检测法敏感性和定位精度有着无可比拟的优越性,误报率也非常低。如人或狗巡线(嗅觉)、取样分析法、光学检测法,遥感激光法等,通过对管线进行沿线逐步测量发现管道是否存在泄漏和其他故障。面对处于复杂城市环境,因而对其安全性有更高要求的城市燃气管网,连续性检测和间断性检测,计算机监测和人工巡查,只有运用多种手段才能使得人们对燃气系统安全运行得到可靠保证。同时利用各种分析手段对管道进行风险评价,对不同等级的管道运用不同的技术手段以保障其经济适用性。
 
基于神经网络的管道泄漏检测方法不同于已有的基于管道准确流动模型描述的泄漏检测方法,能够运用自适应能力学习管道的各种工况,对管道运行状况进行分类识别,是一种基于经验的类似于人类的认知过程的方法,该方法还可以应用到管道堵塞、变形等多种故障。对于运行工况比较复杂的城市燃气管网可以利用这些特点设计检测系统,目前已有单位申请了该种检测方法的发明专利,具有广泛的应用前景

4 结束语
随着检测技术的不断提高如卫星监视系统,城市燃气管道的数字化程度越来越高,计算机管理体系越来越智能化,城市燃气安全、经济的运行将会有更加多的保障。

重庆燃气集团公司  齐研科
重庆大学 江  涛 高  扬

参考文献
[1] 常景龙 李铁.输气管道泄漏检测技术的选择和优化.油气储运,2000,19(5):42-45
[2] 王效东 黄坤等.油气管道泄漏检测技术发展现状. 管道技术与设备,2008,(1):24-26
[3] 邱东强 涂亚庆.管道统计检漏法的现状及问题研讨.设计与研究,2002,(3):1-2
[4] 付道明 孙军等.国内外管道泄漏检测技术研究进展.石油机械,2004,32(3):48-51
[5] 唐秀家颜大椿.基于神经网络的管道泄漏检测方法及仪器.北京大学学报(自然科学版),1997,33(3),319-327
[6] 花景新 张增刚 马志远.燃气管道供应.北京:化学工业出版社,2007.7
[7] 黄小美 李百战彭世尼等.基于层次分析和模糊综合评判的管道风险评价.燃气与热力,2008,28(2):B13-18

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