薛冠鸣 王彩霞
辽宁科技大学
摘要：介绍了 GIS防真系统及其在油气管道泄漏灾害事故模拟中的应用，应用该系统可以实现科学、高效地对管道泄漏事故进行应急救援，减少事故对人的伤害和对环境的破坏，把经济损失降到最小。
关键词：石油天然气；长输管道；泄漏；GIS
近年来，随着石油天然气工业的高速发展和生产规模的扩大，油气输送管道的规格和种类繁多，其长度也成倍增加。与此同时，油气管道的泄漏事故也在增加，因此，提高油气输送管道的管理水平、降低能源损耗、保证管道安全运行十分重要[1]。为了保证油气输送管道的安全运行，许多学者对其故障检测与分析、安全评定、钢管可信性评价以及管道的腐蚀防护等方面进行了研究[2～7]，也取得了一定的成果。
油气输送管道具有重叠覆盖、空间关系复杂以及安全性要求高等特点，因此，油气输送管道的管理必须紧密结合管道生产经营实际，及时获取所需要的管理信息并进行处理。运用地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术可以动态跟踪管道运行的整个过程，获得反映管道运行动态的参数，为此，笔者在油气管道信息管理中引入GIS相关技术，探讨了将 GIS技术应用到油气管道泄漏事故的模拟中，以便科学、高效地应对油气管道泄漏事故，降低其对人们的伤害并减少经济损失为目标[8]，开发研制了基于 GIS的长输管道泄漏灾害仿真系统，分析了管线泄漏检测与定位方法，结合边界条件，确定了输油管道发生泄漏后果的模拟算法。
1 GIS简介
地理信息系统（GIS）是以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析和显示的计算机系统。它采用地理模型分析方法，适时提供多种空间地理信息，辅助相关的地理研究和地理决策 。由于GIS可将地理空间模型化并存储在计算机中，因此它还具有对研究对象进行描述、模拟和预测的功能。相对于常规意义上的信息系统，GIS具有空间分析能力强、数据来源广泛、工作方式直观形象等特点，在对空间数据的查询和分析功能要求较高的领域得到了广泛的应用[9]。
2油气输送管道泄漏的检测与定位
2.1泄漏检测方法
目前，已有的管道泄漏检测方法大体上可分为基于硬件和基于软件两大类。基于硬件的检测方法主要依靠人工分段巡视或者使用各种辅助硬件仪器，对管壁和管道周围环境进行监测以实现泄漏检测。基于软件的方法主要是通过采集实时数据，利用流量和压力变化、动态模型等，通过相关数据的计算和分析确认
泄漏情况，包括流量平衡法、压力差法、模型法以及基于信号处理的方法等[10]。一个高效可靠的管道泄漏
检测与定位系统的性能指标主要有：灵敏性、定位精度、响应时间、误报率、评估能力、适应能力、有效性、维护要求、费用等。
2.2检测及定位原理
管道发生泄漏时，泄漏点处压力下降，泄漏点两侧的流体因压差向泄漏点处补充，这一过程依次向上、下游传递，相当于泄漏点处产生了以一定速度传播的负压力波。根据泄漏所产生的瞬态压力波传播到上、下游的时间差和管内压力波的速度以及首末站的距离可以通过计算出泄漏点的位置[11]。
为了精确获得泄漏时引起的压力波传播到管道首末端的时间差，需要准确地知道由泄漏引起的负压波拐点[12]。但一般采集来的压力信号会受工业现场的电磁干扰、泵的振动等因素影响而失真，如何从其中准确提取压力信号拐点是影响定位精度的重要因素，因此，通常应用可对原始信号进行有效滤波的小波算法准确提取压力信号的拐点。
3仿真系统设计
3.1系统结构
长输管道泄漏灾害仿真系统作为原有地理信息系统平台的功能扩充，系统的Config、代码实现方法和界面风格都沿袭了原有系统的集成，对本系统的功能目标、工作流程、组织结构、数据库的结构等分析确定后，按照总体设计组织结构图，系统采用Dreamweaver设计用户浏览界面，为用户提供直观和简洁的操作，以Microsoft.NET Framework SDK为开发框架，以ArcServer9.2+Microsoft Visual Studio 2005构成开发平台，采用C＃、JavaScript、ASP.NET等多种开发语言作为开发工具进行各个模块的编写[13]。用ArcMAP准备图形资料，将ArcSEVER作为地图应用服务器，将管道地图图形数据和属性数据分别存储，为系统提供调用、处理输油管线及泄漏区域等图形资料[14]。系统采用三层(B/S)结构，其中大部分功能在服务器端运行并由服务器端完成与数据库服务器之间的通信，客户端通过浏览器收集用户请求信息、传送请求信息到服务器端以及负责显示从服务器端返回的结果。系统的其他功能服务都是通过 服务器实现与后端数据库服务器之间的数据交互[15]。
长输管道泄漏灾害仿真系统是建立在大量的管道泄漏事故数据上的，合理的数据组织和数据库表结构的设计是确保长输管道泄漏灾害仿真系统运行成功的关键。所以，合理的数据库结构设计是创建一个能够有效、准确完成系统所需功能数据库的基础[16]。
仿真系统由基本信息、数据浏览、空间查询、输出以及数据管理5个功能模块组成，见图1。
图1 系统功能模块结构图
3.2系统工作流程
在管道发生泄漏后，通过负压波的计算得到泄漏点后，通过匹配数据库中管道长度的网格，确定管道泄漏点在地图中的坐标值，在地图中用鼠标点击该坐标点，然后在弹出的页面中输入管道内、外的各个参数，进行数值模拟计算，快速显示典型土壤泄漏点的地形状况，模拟发生泄漏后的油流面积，显示随着时间变化泄漏区域所影响的范围、管道全线的压力变化、管道泄漏点的压力变化以及管道全线的流量变化等各个曲线值，为管理人员制定应急救援预案提供参考。根据一定时间后的泄漏区域变化，管理人员可及时修改救援方案。系统的工作流程见图2。
3.3系统功能
3.3.1图层属性信息查询
长输管道泄漏灾害仿真系统提供了地图的放大、缩小、漫游、全屏、属性查询以及距离测量等基本功能。在查询页面提供了导航栏，其中包括图层属性查询结果、地图图层内容、导航、鹰眼和管道泄漏模拟共5个部分，方便用户快速浏览和查询地图属性，管线属性及其它的功能。使用时在主页面中点击地图工具栏上的属性查询图标，然后在地图上点击想要查询的地图元素，地图元素的属性信息会在主页面左侧图层属性查询结果窗口中显示出来，查询结果分为3层，第1层为图层名称，第2层为查询图层所包括的元素，第3层为元素的属性信息，包括管线材料、管线长度、埋深、起点、终点和输送油品等信息。
地图图层内容窗口包括了整幅地图所有的图层、各个图层包括的元素及其表示方式，如道路、里程桩、阀门、道路节点和泵站等信息，用户在浏览使用时，可以根据需要勾选对话框来选择最主要的浏览目标，如只浏览地图中的管线，或只浏览地图中的泵站，或者是它们之间的任意组合。
导航功能是为用户在使用时指明地图的方向，用一个方向盘来表示，N表示北方，S表示南方，W表示西方，E表示东方。鹰眼功能主要指示用户当前操作的图层元素在整个地图上的位置，以方便用户的操作。
图2 系统工作流程图
3.3.2管道泄漏模拟
在主页面导航栏中点击管道泄漏模拟，会列出下拉单中的按钮，提示您输入泄漏过程中管线内外的参数，用以模拟计算。在点击按钮之后，将会出现跳转页面，页面中包含了管道在泄漏过程中用以模拟计算的各个参数，包括泄漏点内径、初始流量、流态系数、水击波传播速度、仿真时间、泄漏节点、计算间隔等参数。点击运行之后，用鼠标确定泄漏管线的位置，系统通过模拟计算会显示出在泄漏位置典型土壤下根据土壤渗透率和孔隙度等综合计算的不同时间油品的泄漏范围。
在模拟泄漏范围的同时，系统也可用C#语言动态模拟管道发生泄漏后的压力和流量的变化，以便根据管线发生泄漏后的实际情况，采取相应的应急抢修措施，最大程度的维护管线的运行。管线压力变化曲线包括管道泄漏首端压力曲线图、管道泄漏点压力曲线图和管道泄漏末端压力曲线图。相应的管线流量变化曲线也包括管道泄漏首端监测点流量曲线、管道泄漏流量曲线和管道泄漏末端监测点流量曲线。
4结语
长距离输油管道为油气产品的输送和经济的发展带来了便利，但其输送的介质大多具有易燃，易爆及易泄漏的性质，导致长输管道在使用一段时间以后经常会发生泄漏事故，造成环境污染和经济损失。针对长输管道易发生泄漏事故，应用本介绍的基于GIS的长输管道泄漏灾害仿真系统模拟油气管道泄漏灾害事故，可以提高管线安全管理的信息化水平和事故发生后的模拟能力，为应急预案的制定提供决策支持，使油气管道泄漏事故发生后的应急救援更加科学、高效，减少人身伤害、环境破坏和经济损失。
基于GIS的长输管道泄漏灾害仿真系统的设计与实现是一个复杂的过程，我们在模拟计算的过程中，忽略了重力等条件，并且系统涉及了大量的空间数据处理，由于基础资料和数据的收集困难、研究条件有限，更由于GIS学科是较边沿学科，相关的资料、参考书籍等都很少，故基于GIS的长输管道泄漏灾害仿真系统还需要进一步完善和提高。
参考文献
[1]冯耀荣.当前国际油气管道工业的发展动向[J].油气储运，2001，20(7):1-4.
[2]俞树荣，杨慧来.长输管道的模糊可靠度研究[J].石油化工设备，2009，38（1）：30-33.
[3]谭磊，樊建春.油气管道导波检测仪激励信号源研制[J].石油化工设备，2009，38（2）：12-14.
[4]俞树荣，杨慧来.基于贝叶斯网络的长输管道故障树分析[J].石油化工设备，2009，38（2）：47-50.
论文作者:薛冠鸣,王彩霞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/18
标签：管道论文; 油气论文; 系统论文; 管线论文; 压力论文; 图层论文; 灾害论文; 《防护工程》2018年第12期论文;