面向管道泄漏的定位報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翟雙良

摘要：在氣體或者液體的運(yùn)輸，管道運(yùn)輸是主要的運(yùn)輸方式，管道運(yùn)輸在我國(guó)占有重要地位，具有成本低，節(jié)省能源，安全性高，供給穩(wěn)定等特點(diǎn)。在運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)管道是否泄漏以及泄漏位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是保證管道運(yùn)輸?shù)陌踩砸约肮?jié)省能源、保護(hù)環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文針對(duì)管道泄漏及定位監(jiān)測(cè)的需要，設(shè)計(jì)了一種管道泄漏定位報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的管道泄漏定位報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)管道的安全運(yùn)輸，提高運(yùn)輸效率，減少管道維護(hù)成本能起到關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變式管道壓力傳感器;差壓式流量傳感器;定位報(bào)警;檢測(cè)系統(tǒng)

引言

管道泄漏定位報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)需要安裝在連續(xù)無(wú)分支的管道運(yùn)輸起始端與末端，通過(guò)檢測(cè)管道壓力與流量的變換來(lái)判斷是否發(fā)生泄漏并定位泄漏位置并聲光報(bào)警，以地圖和文字方式顯示泄漏位置方便查找，可以顯示開(kāi)始泄漏時(shí)間。檢測(cè)系統(tǒng)輔以流量檢測(cè)，可以減少漏報(bào)與誤報(bào)發(fā)生次數(shù)。本系統(tǒng)具有成本低，安裝方便，檢測(cè)靈敏度高，誤報(bào)幾率低等優(yōu)點(diǎn)。

一、管道泄漏定位報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)概況

管道泄漏定位報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)需要安裝在連續(xù)無(wú)分支的管道運(yùn)輸起始端與末端，通過(guò)檢測(cè)管道壓力與流量的變換來(lái)判斷是否發(fā)生泄漏并定位泄漏位置并聲光報(bào)警，以地圖和文字方式顯示泄漏位置方便查找，可以顯示開(kāi)始泄漏時(shí)間。檢測(cè)系統(tǒng)輔以流量檢測(cè)，可以減少漏報(bào)與誤報(bào)發(fā)生次數(shù)。本系統(tǒng)具有成本低，安裝方便，檢測(cè)靈敏度高，誤報(bào)幾率低等優(yōu)點(diǎn)。

二、應(yīng)用場(chǎng)合及需求分析

本系統(tǒng)可以很好的適應(yīng)幾乎所有使用管道運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合，在液體運(yùn)輸方面，如石油運(yùn)輸、南水北調(diào)、北方暖氣輸送等等。氣體運(yùn)輸也可以準(zhǔn)確快速地檢測(cè)泄漏并定位泄漏點(diǎn)。管道運(yùn)輸已經(jīng)是我國(guó)的主要運(yùn)輸方式之一，目前世界上長(zhǎng)輸管道總長(zhǎng)度己超過(guò)200萬(wàn)km，但是由于管道設(shè)備老化（腐蝕）和人為原因（施工，破壞，偷盜等）。管道泄漏事故經(jīng)常發(fā)生。一些暖氣供應(yīng)公司，由于用戶私放管道熱水，使得管道壓力變小，可能導(dǎo)致供暖設(shè)備故障。在天然氣運(yùn)輸，其泄漏不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而且還有一定的危險(xiǎn)性。使用本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以及時(shí)的檢測(cè)泄漏并定位泄漏點(diǎn)，挽回?fù)p失，因此本系統(tǒng)具有極好的應(yīng)用需求。

三、設(shè)計(jì)方案

負(fù)壓波檢漏法。當(dāng)輸送管道發(fā)生泄漏的時(shí)候，以泄漏處為參考點(diǎn)，由于管道在泄漏處存在內(nèi)外壓強(qiáng)差，使得泄漏處的液體或氣體快速流失，壓力突降，以泄露前的壓力作為參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，泄漏時(shí)產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波，該負(fù)壓波以一定速度向首站和末站傳輸，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，兩端檢測(cè)到負(fù)壓，根據(jù)檢測(cè)到的負(fù)壓力波的波形特征。就可以判斷是否發(fā)生了泄漏，再根據(jù)負(fù)壓波到達(dá)首站與末站的時(shí)間差，以及負(fù)壓波傳輸速度，就可以對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。負(fù)壓波檢漏法不需要數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量小，適用于發(fā)生快速的、突發(fā)性泄漏的場(chǎng)合，并且大多數(shù)只用壓力信號(hào)，特別適合我國(guó)管道應(yīng)用。采用負(fù)壓力波進(jìn)行，泄漏檢測(cè)和定位主要有相關(guān)分析法、時(shí)間序列法和小波變換法三種。

測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理。在運(yùn)輸管道的首站依次安裝一個(gè)流量傳感器與一個(gè)壓力傳感器，在管道末站依次安裝一個(gè)壓力傳感器與一個(gè)流量傳感器。原理：當(dāng)首站加大運(yùn)輸流量時(shí)，首站流量與壓力均會(huì)加大，末站流量與壓力也增大，當(dāng)首站排量下調(diào)時(shí)，首站與末站壓力均會(huì)下降，且下降時(shí)間不同，與負(fù)壓波類似，但是由于末站與首站流量相同，即管道沒(méi)用發(fā)生泄漏，本系統(tǒng)可以避免這種誤報(bào)情況。由其他環(huán)境或認(rèn)為因素引起的水壓波動(dòng)基于此原理也可以避免誤報(bào)。當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，首站壓力下降，流量上升，末站壓力下降，流量下降。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由信號(hào)產(chǎn)生電路，信號(hào)放大電路，數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)據(jù)分析，顯示及報(bào)警這幾部分組成。其中信號(hào)產(chǎn)生電路即傳感器電路，由于傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常小，需要加放大電路和濾波電路來(lái)獲得可采集的信號(hào)，再由A/D轉(zhuǎn)換器采集并打包上傳數(shù)據(jù)，最后由控制室分析處理數(shù)據(jù)并當(dāng)發(fā)生泄漏的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警。

壓力傳感器選擇，應(yīng)變式壓力傳感器是當(dāng)流體壓力變化時(shí)會(huì)使得測(cè)量部件產(chǎn)生彈性形變，使貼附到上面的應(yīng)變片發(fā)生形變，從而使得應(yīng)變片阻值發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化量來(lái)測(cè)量壓力的大小。常用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力。

應(yīng)變式傳感器使用方便、原理簡(jiǎn)單、成本也低，易于制造和生產(chǎn)。而且在本系統(tǒng)中，主要是對(duì)其壓力動(dòng)態(tài)變化的測(cè)量，對(duì)其響應(yīng)速度要求較高并且穩(wěn)定性要求也較高，因此壓電式傳感器不適合，電容式傳感器的測(cè)量電路復(fù)雜以及比應(yīng)變式生產(chǎn)工藝復(fù)雜將導(dǎo)致其成本高，所以本系統(tǒng)的壓力傳感器使用應(yīng)變式壓力傳感器。

流量傳感器選擇，差壓式流量傳感器通過(guò)管道內(nèi)的節(jié)流裝置，將管道內(nèi)的流體瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流前后的壓力差來(lái)測(cè)量。電磁式流量傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量導(dǎo)電性流體的體積流量的，但是本系統(tǒng)可能用于非導(dǎo)電的流體，故不能使用此傳感器。渦輪流量傳感器是通過(guò)安裝在管道中的一個(gè)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪，通過(guò)測(cè)出葉輪的轉(zhuǎn)速來(lái)算出流速?gòu)亩?jì)算流量。由于需要測(cè)量管道的壓力，即再在節(jié)流裝置上加一個(gè)壓力傳感器即可組成差壓式流量傳感器來(lái)測(cè)量流體流量。

結(jié)論

管道泄漏的時(shí)候會(huì)在泄漏處產(chǎn)生一個(gè)向管道兩端傳輸?shù)呢?fù)壓波，計(jì)算負(fù)壓波到達(dá)首站與末站的時(shí)間差，由于負(fù)壓波的傳播速度與管道內(nèi)流體速度也可以得到，通過(guò)上述公式可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。

但是由于計(jì)算得到的時(shí)間差受采樣器的采樣頻率影響，用性能更好的采樣器可以提高系統(tǒng)精度，同時(shí)溫度變化會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓波傳播速度的變化，需要對(duì)管道的溫度進(jìn)行采集，對(duì)傳播速度進(jìn)行相應(yīng)的修正，可以更加精確的確定泄漏點(diǎn)位置。