吳 瓊，邱紅輝，孫 異，王洪超，孫 巍，王海明

（1.中國(guó)石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

隨著油氣管道事業(yè)的發(fā)展，管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)（包括負(fù)壓波技術(shù)）對(duì)管道安全保障的作用越來(lái)越大。由于一些管道里程數(shù)的不斷增大，油氣管道站場(chǎng)間及站場(chǎng)與RTU閥室間的距離越來(lái)越大，有些地區(qū)已經(jīng)超出了在役負(fù)壓波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)范圍。為解決該問(wèn)題，可行辦法是在相隔較遠(yuǎn)的站場(chǎng)或RTU閥室之間的手動(dòng)閥室內(nèi)增設(shè)泄漏監(jiān)測(cè)終端。但目前的手動(dòng)閥室不具備供電條件，且一般占地面積較小，若對(duì)其進(jìn)行改建，會(huì)出現(xiàn)因征地、通信和供電等方面原因造成建設(shè)成本過(guò)高的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理、光纖通信、太陽(yáng)能供電為一體的具有工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)、功耗低、體積小的油氣管道手動(dòng)閥室一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端。

1 負(fù)壓波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)油氣管道所使用的大部分泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均采用負(fù)壓波技術(shù)，其監(jiān)測(cè)原理是：當(dāng)管道發(fā)生泄漏事件時(shí)，在泄漏點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓波，該壓力波會(huì)向管道上下游傳播，利用安裝在管道上下游的高精度壓力變送器（PT）可以監(jiān)測(cè)到該負(fù)壓波信號(hào)，從而判斷管道是否發(fā)生泄漏；利用該負(fù)壓波信號(hào)到達(dá)上下游的時(shí)間差，可以定位該泄漏點(diǎn)的具體位置。但如果上下游PT間距離過(guò)大，可能導(dǎo)致負(fù)壓波信號(hào)過(guò)度衰減，無(wú)法被正確監(jiān)測(cè)。負(fù)壓波泄漏監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

圖1 負(fù)壓波泄漏監(jiān)測(cè)原理示意

圖中，設(shè)t1和t2為發(fā)生泄漏后管道上、下游壓力變送器分別捕捉到負(fù)壓波到達(dá)的時(shí)刻 （s）；設(shè)v為負(fù)壓波傳播速度 （m/s）；x為泄漏點(diǎn)到管道上游PT的距離 （m）；L為管道上下游PT之間的距離 （m），則可推導(dǎo)出x的計(jì)算公式為：

式中 Δt——上下游PT接收到負(fù)壓波信號(hào)的時(shí)間差 （即 t2-t1） /s。

2 一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端

該終端共分為三個(gè)子系統(tǒng)：泄漏監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、電源控制子系統(tǒng)、通信管理子系統(tǒng)。終端工作原理如圖2所示。泄漏監(jiān)測(cè)及通信管理子系統(tǒng)均采用低功耗模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)與管道同溝敷設(shè)的光纖與遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信。

圖2 一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端工作原理示意

2.1 泄漏監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

泄漏監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括泄漏監(jiān)測(cè)傳感器和泄漏監(jiān)測(cè)控制模塊。泄漏監(jiān)測(cè)傳感器通過(guò)信號(hào)電纜將采集到的信號(hào)發(fā)送給泄漏監(jiān)測(cè)控制模塊，泄漏監(jiān)測(cè)控制模塊再將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣處理后發(fā)送給通信管理子系統(tǒng)，同時(shí)保存最新數(shù)據(jù)。

2.2 電源控制子系統(tǒng)

電源控制子系統(tǒng)主要包括電源控制模塊、蓄電池和太陽(yáng)能電池板三部分。太陽(yáng)能電池板和蓄電池均可獨(dú)立對(duì)系統(tǒng)供電，電源控制模塊可根據(jù)天氣狀況在兩者之間自由切換。當(dāng)因連續(xù)惡劣天氣導(dǎo)致蓄電池電量不足時(shí)，電源控制模塊會(huì)將此信息發(fā)送給遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

2.3 通信控制子系統(tǒng)

通信控制子系統(tǒng)包括通信控制模塊和光纖交換機(jī)。該子系統(tǒng)功能是：將泄漏監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)；接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的系統(tǒng)設(shè)置信息；保證泄漏監(jiān)測(cè)終端與整個(gè)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)間同步。

3 一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

（1）因?yàn)橛蜌夤艿朗謩?dòng)閥室內(nèi)部面積小，而且大部分空間被設(shè)置為防爆區(qū)域，剩余空間有限，所以必須要求一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端占地面積小。圖3為一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端在蘭鄭長(zhǎng)成品油管道11#手動(dòng)閥室的平面布設(shè)示意圖，監(jiān)測(cè)終端整體占地面積不超過(guò)3.5 m2。

圖3 一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端布設(shè)示意/m

（2）因?yàn)檎麄€(gè)監(jiān)測(cè)終端采用太陽(yáng)能電池板和蓄電池供電，而太陽(yáng)能電池板的裝設(shè)需要考慮安裝方位，蓄電池的裝設(shè)需要考慮環(huán)境的溫度、濕度和防水要求，所以監(jiān)測(cè)終端采用如圖4所示的總體安裝方式。

泄漏監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)傳輸用鎧裝電纜，該電纜經(jīng)去鎧后與SCADA通信光纜通過(guò)泄漏監(jiān)測(cè)傳感器電纜穿線(xiàn)孔和光纖穿線(xiàn)孔進(jìn)入到防水蓄電池槽，然后與接地線(xiàn)、蓄電池電纜及蓄電池保溫箱溫度傳感器信號(hào)線(xiàn)捆綁在一起進(jìn)入走線(xiàn)管道，穿過(guò)空心支撐柱，最后通過(guò)出線(xiàn)孔后接入到固定在支撐柱上的一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端柜；由電池板固定支架支撐的太陽(yáng)能電池板朝向正南方向，通過(guò)電源線(xiàn)直接接入到一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端柜。

圖4 一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端安裝示意

（3）因?yàn)槭謩?dòng)閥室內(nèi)部一般使用碎石鋪設(shè)地面，所以為保證一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端安裝的穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)用來(lái)固定泄漏監(jiān)測(cè)終端的穩(wěn)固基座，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端基座設(shè)計(jì)示意/mm

（4）為節(jié)省功耗，終端從閥室外引入與油氣管道同溝敷設(shè)的SCADA系統(tǒng)通信光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證了泄漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

本文所提出的一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端首次將泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到油氣管道手動(dòng)閥室，解決了因管道場(chǎng)站、RTU閥室間距過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效問(wèn)題，保證了生產(chǎn)安全。

一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端在滿(mǎn)足功能需求的前提下，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，完全滿(mǎn)足在手動(dòng)閥室進(jìn)行安裝的條件，同時(shí)利用油氣管道同溝敷設(shè)的SCADA通信光纜的兩芯光纖向監(jiān)控中心傳輸泄漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。整個(gè)一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端成本僅為15萬(wàn)元，免去了閥室供電改造、通信改造和征地等費(fèi)用 （進(jìn)行RTU閥室改造的費(fèi)用不低于90萬(wàn)元），經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，而且安裝及運(yùn)行維護(hù)便利。

終端采用低功耗嵌入式架構(gòu)，終端各模塊均為低功耗工業(yè)級(jí)模塊，整體功耗低于15 W，系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，能適應(yīng)苛刻的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前一體化泄漏監(jiān)測(cè)終端在中國(guó)石油管道分公司下轄的蘭鄭長(zhǎng)成品油管道河南段11#、34#、46#、49#手動(dòng)閥室得到推廣和應(yīng)用，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行1年左右，大大拓展了泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)輸油氣管道上的應(yīng)用范圍。

[1]中國(guó)石油管道公司.油氣管道安全預(yù)警與泄漏檢測(cè)技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2010.114-115.

[2]SY/T 6671-2006,石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝區(qū)域一級(jí)、0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)區(qū)域劃分推薦作法[S].

[3]王立坤，周琰，金翠云.輸油管道新型泄漏監(jiān)測(cè)及定位系統(tǒng)研制[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10（3）:152-162.

[4]鄧?guó)櫽?，楊振坤，王?基于負(fù)壓波的管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003，11（7）:481-489.

[5]王博，孟鵬，王榮敏.基于負(fù)壓波原理的管道泄漏監(jiān)測(cè)軟件研究[J].石油工程建設(shè)，2010，36（2）：114-116.