管道泄漏定位报警监控系统

2020-04-22郭祥宇胡旺文黄寒冰朱家玮吴博

装备维修技术 2020年21期

郭祥宇胡旺文黄寒冰朱家玮吴博

摘要：在当前国际运输中，管道运输是原油运输的重要手段，在管道运输的过程中，管道泄露检测就成为了保证经济收益的重要手段之一。但由于人工检查大量耗费人力物力，且无法做到24小时不间断的检查。本文基于对管道泄漏定位的需要，设计了一种管道运输泄漏定位系统。管道运输泄漏定位系统由差动式电容压力传感器、传感器信号检测电路、放大电路、滤波电路及工控机、报警电路和系统软件等构成。

关键词：差动式电容压力传感器;原油泄漏检测;检测电路;测控系统;负压波测量

1设计背景

管道泄漏报警监控系统对水管内流量及压力进行实时测量，通过对管道的瞬态模型进行计算，从而测出管道泄漏位点，并根据现场的实际情况进行分析，确定是否报警以及警报等级。如若发生管道泄漏但未能及时察觉，很有可能会发生火灾，甚至有引发爆炸，造成巨大的人員伤亡。一旦发生了管道泄漏，巡线、停产、抢险、补漏等需要动用大量人力物力，浪费大量时间，这其中的经济损失十分巨大。如果可以采取必要的科技手段，对运输管道进行实时监测，迅速而准确的判断出具体泄漏位置并报警。就能及时处理突发事件，将由于管道泄漏所造成的损失降到最低。而管道泄漏定位报警监控系统由于可以实时检测并进行反馈，一旦发生泄漏，会及时的进行报警，以提示工作人员去修理和维护泄漏的管道，可以极大情况的减小各种由于管道泄漏处理不及时而导致的问题。

2设计方案

2.1管道泄漏定位报警监测系统技术要求

管道泄漏定位报警监测系统能实时监测输油管道的运行状况，对液体（原油或其他液体）输送管道全天时分秒监测，一旦管线发生穿孔泄漏，则监测系统可通过其信息管理系统及时报警，并定点定位地进行工程监控。输油管道泄漏监测报警定位系统主要有数据采集系统、数据通讯系统、中央分析处理系统三大部分组成。

3设计内容

3.1测控系统结构

系统总体运行示意图及网络结构见图表1、图表2所示：

该系统不仅可以实时的监测管道内部的运行状态，还可以监测管道泄漏以及确定泄漏点的位置。为了监测管道泄漏，在一条平直的管道两端分别设置压力传感器，实时监测管道内压力的变化。

3.2测控系统原理

（1）负压波泄漏监测原理

当管道发生泄漏后，泄漏点产生的负压波会以波动的形式向管道上下游传播，利用安装在管道上下游的压力传感器即可监测到该负压波信号，从而判断管道是否发生泄漏。利用该负压波到达上下游的时间差，可以定位该泄漏点的具体位置。

（2）负压波在管道内的传输速度

负压波在管道内的传播速度取决于液体的弹性、液体的密度以及管道的弹性，公式如下：

式子中：α——管道内压力波的传播速度，m/s;

K——液体的体积弹性系数，Pa;

ρ——液体的密度，kg/m3;

E——管道的弹性，Pa;

D——管道的直径，m;

e——管壁厚度，m;

C1——与管道约束条件相关的修正系数。

3.2传感器选择

（1）差动式电容压力传感器

电容式压力传感器是利用电容敏感元件将被测压力转换成电信号输出的压力传感器。所需要的输入能量较低，自然环境对它的影响较小，环境适应性好。

（2）压电式测力传感器

这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等，压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。由于管道运输几乎都是处于户外，环境较为恶劣，且作为输入的负压波信号震动较为微小，故使用差动式电容压力传感器。

3.3分析系统可能产生的误差

（1）压力传感器本身的误差：由于制作工艺的不同，导致压力传感器本身的性能不同，且压力传感器在不同的工作环境，其动态性能和稳态性能会有所不同，会因为这些不同而导致该系统本身存在测量误差。

（2）系统本身的误差：由于该系统长期运行在户外，在自然环境中存在各种各样的信号干扰，总存在计算之外的干扰信号，导致系统本身在计算上存在误差。

（3）分析时产生的误差：在传感器将信号传输给计算机后，计算机将对信号进行分析，以判断该信号是否是由于泄漏导致的负压波所产生的，但由于计算机是由程序以及算法判断的，程序不可能完全完善，导致会存在误判。

3.4误差解决方法

（1）在组装电路时，尽量选择符合标准的元器件，选择符合电路设计的压力传感器，尽量选择性能与标准接近的元器件。这样就能有效的避免由于元器件的工艺或是性能等指标导致的误差。

（2）使用多个压力传感器进行测量，并将测量结果进行比较，以减小系统带的偶然误差。

（3）改进计算机算法，如使用小波变化，它在时域和频域都具有表征信号局部特性的能力，是一种窗口大小可以改变，即时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。

4总结

由于原油本身较为特殊，输油管道一旦发生泄漏将严重威胁公众安全，带来人员伤亡、财产损失、环境污染和不良社会影响等严重后果，而泄漏监测系统可帮助操作人员及时发现泄漏情况，降低安全、环境风险，减少财产损失。泄漏监测系统能24小时的不间断的监控，能有效的避免这些损失。

对一个实际的泄漏监测系统，总是希望泄漏检测的灵敏度和定位精度越高越好，泄漏检测的误报警越少越好。但在实际中，同时具有灵敏度高与误报警率低是相矛盾的，要求在高泄漏检测灵敏度的条件下具有高定位精度也是不现实的，必须从实际要求出发，抓住矛盾的主要方面，对各种性能指标进行综合考虑，提出一个合理的可实现的折衷指标。

参考文献：

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[2]赵会军，武伟强，王克华，王小兵，周宁，王树立.基于次声波法的油气管道泄漏检测与定位.油气运输，2012，31（3）：215-218

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[4]伍青，李保国，靳春义，殷振兴.管道泄漏实时监控系统的原理及其应用.油气储运，2003，22（8）：38-40.44

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[6]邵煜，葛传虎，叶昊，王桂增，谭东杰.基于负压波的管道泄漏检测与定位系统评价.油气储运，2008，27（4）5-9

作者简介：

郭祥宇（2001-），男，安徽宿州，本科生，主要研究方向为嵌入式系统。

胡旺文（2001-），男，湖北武汉，本科生，主要研究内容为嵌入式系统。

吴博（2000-），男，河南郑州，本科生，主要研究方向为机械结构。

朱家玮（2001-），男，河南郑州，本科生，主要研究内容为嵌入式系统。