手动阀室一体化泄漏监测终端的研制

2013-10-29邱红辉王洪超王海明

石油工程建设 2013年5期

吴琼，邱红辉，孙异，王洪超，孙巍，王海明

（1.中国石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.河北工业大学电气工程学院，天津 300130）

0 引言

随着油气管道事业的发展，管道泄漏监测技术（包括负压波技术）对管道安全保障的作用越来越大。由于一些管道里程数的不断增大，油气管道站场间及站场与RTU阀室间的距离越来越大，有些地区已经超出了在役负压波泄漏监测系统的有效监测范围。为解决该问题，可行办法是在相隔较远的站场或RTU阀室之间的手动阀室内增设泄漏监测终端。但目前的手动阀室不具备供电条件，且一般占地面积较小，若对其进行改建，会出现因征地、通信和供电等方面原因造成建设成本过高的问题。

为解决上述问题，本文提出了一种集数据存储处理、光纤通信、太阳能供电为一体的具有工业级设计、功耗低、体积小的油气管道手动阀室一体化泄漏监测终端。

1 负压波泄漏监测技术

目前国内油气管道所使用的大部分泄漏监测系统均采用负压波技术，其监测原理是：当管道发生泄漏事件时，在泄漏点处会产生负压波，该压力波会向管道上下游传播，利用安装在管道上下游的高精度压力变送器（PT）可以监测到该负压波信号，从而判断管道是否发生泄漏；利用该负压波信号到达上下游的时间差，可以定位该泄漏点的具体位置。但如果上下游PT间距离过大，可能导致负压波信号过度衰减，无法被正确监测。负压波泄漏监测原理如图1所示。

图1 负压波泄漏监测原理示意

图中，设t1和t2为发生泄漏后管道上、下游压力变送器分别捕捉到负压波到达的时刻（s）；设v为负压波传播速度（m/s）；x为泄漏点到管道上游PT的距离（m）；L为管道上下游PT之间的距离（m），则可推导出x的计算公式为：

式中 Δt——上下游PT接收到负压波信号的时间差（即 t2-t1） /s。

2 一体化泄漏监测终端

该终端共分为三个子系统：泄漏监测子系统、电源控制子系统、通信管理子系统。终端工作原理如图2所示。泄漏监测及通信管理子系统均采用低功耗模块化设计，整个系统通过与管道同沟敷设的光纤与远端监控计算机通信。

图2 一体化泄漏监测终端工作原理示意

2.1 泄漏监测子系统

泄漏监测子系统包括泄漏监测传感器和泄漏监测控制模块。泄漏监测传感器通过信号电缆将采集到的信号发送给泄漏监测控制模块，泄漏监测控制模块再将信号进行数字采样处理后发送给通信管理子系统，同时保存最新数据。

2.2 电源控制子系统

电源控制子系统主要包括电源控制模块、蓄电池和太阳能电池板三部分。太阳能电池板和蓄电池均可独立对系统供电，电源控制模块可根据天气状况在两者之间自由切换。当因连续恶劣天气导致蓄电池电量不足时，电源控制模块会将此信息发送给远端监控计算机。

2.3 通信控制子系统

通信控制子系统包括通信控制模块和光纤交换机。该子系统功能是：将泄漏监测实时数据上传至远端监控计算机；接收监控计算机发送来的系统设置信息；保证泄漏监测终端与整个泄漏监测系统时间同步。

3 一体化泄漏监测终端设计

（1）因为油气管道手动阀室内部面积小，而且大部分空间被设置为防爆区域，剩余空间有限，所以必须要求一体化泄漏监测终端占地面积小。图3为一体化泄漏监测终端在兰郑长成品油管道11#手动阀室的平面布设示意图，监测终端整体占地面积不超过3.5 m2。

图3 一体化泄漏监测终端布设示意/m

（2）因为整个监测终端采用太阳能电池板和蓄电池供电，而太阳能电池板的装设需要考虑安装方位，蓄电池的装设需要考虑环境的温度、湿度和防水要求，所以监测终端采用如图4所示的总体安装方式。

泄漏监测传感器信号传输用铠装电缆，该电缆经去铠后与SCADA通信光缆通过泄漏监测传感器电缆穿线孔和光纤穿线孔进入到防水蓄电池槽，然后与接地线、蓄电池电缆及蓄电池保温箱温度传感器信号线捆绑在一起进入走线管道，穿过空心支撑柱，最后通过出线孔后接入到固定在支撑柱上的一体化泄漏监测终端柜；由电池板固定支架支撑的太阳能电池板朝向正南方向，通过电源线直接接入到一体化泄漏监测终端柜。

图4 一体化泄漏监测终端安装示意

（3）因为手动阀室内部一般使用碎石铺设地面，所以为保证一体化泄漏监测终端安装的稳定性，需要设计用来固定泄漏监测终端的稳固基座，其设计结构如图5所示。

图5 一体化泄漏监测终端基座设计示意/mm

（4）为节省功耗，终端从阀室外引入与油气管道同沟敷设的SCADA系统通信光缆进行数据传输，保证了泄漏监测数据的实时性。

4 系统特点及优势

本文所提出的一体化泄漏监测终端首次将泄漏监测技术应用到油气管道手动阀室，解决了因管道场站、RTU阀室间距过长导致的泄漏监测系统失效问题，保证了生产安全。

一体化泄漏监测终端在满足功能需求的前提下，结构紧凑，占地面积小，完全满足在手动阀室进行安装的条件，同时利用油气管道同沟敷设的SCADA通信光缆的两芯光纤向监控中心传输泄漏监测数据。整个一体化泄漏监测终端成本仅为15万元，免去了阀室供电改造、通信改造和征地等费用（进行RTU阀室改造的费用不低于90万元），经济优势明显，而且安装及运行维护便利。

终端采用低功耗嵌入式架构，终端各模块均为低功耗工业级模块，整体功耗低于15 W，系统工作状态稳定，使用寿命长，能适应苛刻的现场环境要求。