基于Wireless HART的管网声波无线监测系统的应用

陈 帅，崔振伟，李凤姿

（1.中国石油规划总院，北京 100083；2.北京中铁科客货运输技术有限公司，北京 100081）

基于Wireless HART的管网声波无线监测系统的应用

陈 帅1，崔振伟1，李凤姿2

（1.中国石油规划总院，北京 100083；2.北京中铁科客货运输技术有限公司，北京 100081）

0 引言

炼油化工作为典型的流程工业，生产过程中存在大量的流体如石油、燃气等，这些介质需要通过管道进行输送。但是，由于管线老化、阀门损坏、介质腐蚀等各种原因，石化企业时常会发生管线泄漏事故，从而导致发生爆炸、中毒等事件的发生，造成重大的财产损失以及环境污染。因此，为了保证企业的安全生产和稳定运行，加强对管道的泄漏监测以及介质排放监测是非常必要的且有重大的经济效益。

目前管道泄漏的诊断方法有热红外成像法、漏磁检测法、负压波检测法、光栅检测法等，但每种方法均有应用的局限性，或者造价昂贵或者系统自身存在一定缺陷。基于声波的管道监测是目前使用较为方便，性价比较高的一种方法。声波监测的原理是当管道发生泄漏时，在泄漏点会产生声波信号，声波信号沿着管壁向远处传播。因此，在管道上安装声波监测传感器并对传感器的信号进行分析，可以监听管道的泄漏情况[1]。

一套完整的声波监测系统包括声波传感器，数据采集卡和数据处理服务器。目前多数的监测系统仍采用有线的方式连接，即从声波传感器到数据采集卡到服务器处理，均通过电缆的形式连接。这种传统的在线监测系统需要在现场大量的布线，而且需要有合适的位置安装设备及接线盒等，成本高，现场施工难度大。而无线网络监测系统无需现场布线，安装简单、维护方便。因此，在一些对数据实时性要求不太苛刻的场合，无线监测系统具有突出的优势。

1 工业无线网络技术

Wireless HART作为工业无线传感网络之一，工作在工业、科技和医疗频段（ISM频段），无需申请即可使用，该频率采用DSSS直接序列扩频技术和FHSS跳频技术来保证安全和可靠性，并采用时分多址（TDMA）技术进行数据传递，在工业领域有着广泛的应用。

Wireless HART具有自组织、多跳、高可靠性、高安全性、低成本等优点，它可以采用全网格拓扑结构、冗余链路进行通讯。因此，即使一条通讯链路受到干扰，无线设备也能够重新选择其他最优冗余链路进行通讯，从而保证数据的有效传输，具有高度的自愈性和可靠性。Wireless HART的现场网络架构分为两层，如图1所示，第一层是现场无线设备组成的自组织网络，数据的多跳传输无需人工介入，网络自身的特性可以避免由于上位PC的故障而导致现场设备的掉线和无法切换路径等问题；第二层是网关和主机系统的无缝集成。网关和主机系统之间可以通过多种通讯接口连接，如以太网通讯接口、Modbus TCP通讯接口、OPC通讯接口、RS-485串口通讯接口等方式。本系统采用以太网方式，通过光缆连接主机。

图1 无线网络架构

2 管线泄漏及介质排放声波模型

当输气管线发生泄漏或者介质排放时，由于管内压力产生变化，从而形成管内特殊的声学事件。通过在管线上安装相应的声波传感器，监测声学事件，进而判断管线泄漏情况以及介质是否正常排放。输气管线中泄漏声波的频率主要集中在管道的截止频率（千赫兹）以下，因此管线中传播的声波主要是平面波。

圆管中平面波的截止频率为[2]：

式中：k10为（1,0）次波的波数分量；f10为圆管中平面波的截止频率，Hz；a为圆管半径，m。

根据试验测试，频率小于100Hz的次生和可听声波部分可以在管内长距离传播，因此，可以认为其以一维平面波模式传播。考虑到媒质粘滞吸收和热传导作用，泄漏及介质排放声波模型如下：

式中，P0为初始时刻声波幅值，Pa；a为声波阻尼吸收系数，m-1；ω为角频率，ω=2πf，而f为声波频率，Hz；ρ0为介质密度，kg/m3； 为介质切变粘滞系数，Pa.s； 为介质容变粘滞系数，Pa.s； 为热传导系数，W/(m.K)；cv为比定容热容，kJ/(kg.K)；cp为比定压热容，kJ/(kg.K)；r为管径，m；c0为传播速度，m/s；σ为调节系数，与管道形状有关。

由于现场管道的半径较小，管道形状多以直管道为主，少量分支。因此，结合现场情况和测试环境，选择调节系数σ=1.2[3]。

3 基于声波模型和无线网络的监测分析

根据管线泄漏声波模型，利用声波传感器和计算机系统分析，对现场介质排放的情况进行测试。测试环境为某石化企业加氢联合装置，通过开关阀门来模拟管线的泄漏，从而判断介质是否排放以及排放量的大小，并验证声波监测的准确程度。测试共选择A、B、C、D、E共5个测点，每个测点实时采集声波信号，同时记录阀门开度，所有数据回传到计算机系统，进行分析处理。传输方式采用Wireless HART无线Mesh网络，通过多跳的方式进行现场数据的传输。测试结果如图2所示（选取C点为例）。

图2 测试结果对比图

从图中可以看出，声波曲线的变化与阀门开度相关，并且与阀门开度曲线呈现明显的正相关性，声波的监测数据可以有效反应管道泄漏的趋势，进而判断介质排放的情况。因此，通过对各点数据的统计分析，可以发现管网中存在泄漏的管道，并进一步发现管道中的泄漏来源于哪个安全阀，从而确定泄漏管道所属装置，及时发现生产异常问题，有效的保证生产的安全和稳定。

4 结论

通过在生产现场的测试应用，基于Wireless HART的无线声波监测系统可以有效的监测管道泄漏情况。该系统相对于传统的有线监测，大大地简化了施工安装工作量，同时也可以及时的反应阀门开度的大小，较好地解决管道泄漏或介质排放的问题。系统的应用还可以帮助用户提升了物料平衡水平，进而促进节能减排，助力企业生产效率和效益的提升。但是由于石化装置金属管网密集，无线网络信号的稳定性受到一定影响，模型的匹配程度还需要进一步提升，但是此系统仍然为在炼化企业进行相关的无线声波监测系统的应用作出了一些探索。

[1]华科,叶昊,王桂增,等.基于声波的输气管道泄漏检测与定位技术[J].华中科技大学学报,2009,37(8):181-183.

[2]何琳,朱海潮,邱小军.声学理论与工程应用[M].北京:科学出版社,2006.

[3]孟令雅,付俊涛,李玉星,等.输气管道泄漏音波信号传播特性及预测模型[J].中国石油大学学报,2013,37(2):124-129.

Application of wireless monitoring system of acoustic wave based on Wireless HART

CHEN Shuai1, CUI Zhen-wei1, LI Feng-zi2

炼化企业生产出现问题时，最明显和直观的反应是火炬尾气的排放会突然增加，因此，对火炬尾气管道的监测可以迅速的掌握装置的运行状况。通过声波传感器对尾气管道的泄漏情况进行监测，分析了尾气管道泄漏声波的产生形式和传播特性，利用管道模型对阀门开度进行验证。同时，通过Wireless HART无线网络传输数据采集信号到计算机分析服务器，对声波信号进行分析比对。结果显示，无线声波监测系统可以较好的反应阀门开度趋势，声波信号的曲线与阀门开度呈现明显的正相关性。通过测试验证，无线声波监测系统可以较好的监测阀门泄漏情况，从而判断介质的排放程度，帮助企业及时的掌握装置的运行状态，及时发现生产运行中出现的问题。

炼化装置；管道泄漏监测；无线网络；Wireless HART；声波模型

陈帅（1986 -），男，河南人，助理工程师，硕士研究生，主要从事炼化企业信息化建设工作。

TP273

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1009-0134(2015)12(上)-0053-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.14

2015-09-11