泄漏报警技术

泄漏报警技术（精选五篇）

泄漏报警技术 篇1

西部某油田腐蚀环境恶劣,管道穿孔事故多发于高含水/高含硫管线、污水/注水管线及老管线等,并跨越河流、村庄和民族聚居区,导致油气泄漏的潜在风险很高。因此,为提升管线隐患预测、风险管控及应急指挥等管理水平,笔者在充分调研目前的泄漏报警技术后,引进次声波法和分布式光纤法两种泄漏报警技术,并开展了现场应用测试,对系统的关键技术指标进行了评价,以期为油田进一步推进泄漏报警装置的应用进而降低油气泄漏环境安全风险提供技术支持。

1 泄漏报警技术(1)

20世纪70年代,德国学者Rlsermann和Siebert H首次提出了一种通过流量和压力信号检测管道泄漏的方法,而直到80年代末才开始进入现场测试和商品化应用阶段[1]。早期的管道泄漏检测方法主要基于硬件方法(连续实时监测受限),而随着现代控制理论和信息化技术的快速发展,软硬件相结合并以软件为主的管道泄漏检测方法逐渐成为研究热点[2],即利用控制理论、信号处理及计算机技术等对压力、流量、密度、粘度及温度等管道和流体信息进行采集、处理和估计,通过建立数学模型,对信号降噪并提取故障特征,从而实现管道安全状态监测和泄漏点定位报警[3]。

目前,油气田采用的管道泄漏报警方法主要有5种,分别是次声波泄漏检测方法、负压波泄漏检测方法、分布式光纤泄漏检测方法、红外成像泄漏检测方法和流量平衡检测方法。对比不同方法的原理和优缺点(表1)[4,5,6]可知,次声波法的灵敏度、定位能力及费用等各项技术指标相对较优,适合在油气田推广使用;分布式光纤法费用较高,但其灵敏度、定位能力和保护距离都有优势,也适合在油气田推广使用。

2 次声波法的测试应用

2.1 技术原理和系统组成

西部某油田根据实际生产需要,选择一条典型原油管道作为次声波法泄漏报警系统投运前的测试对象。该管道长约15km,规格323.9mm×7.1mm,管道首站有3个加压泵,首站压力1.3MPa,末站压力0.7MPa。管道介质为稠油,密度平均0.871 3g/cm3;粘度在5.33~419.62mm2/s之间,属于常规原油,流动性较好;含水量20%~30%,含少量气体,起点输送温度70℃,输量50~70m3/h。

次声波法泄漏报警系统(图1)包括基站(首站和末站)、中心站及通信网络等部分。其工作原理是:在油气泄漏的瞬间压力平衡打破,引起瞬时音波振荡,次声波通过流体沿着管壁向首、末站扩展[7];声波传感器安装在管道两端,在线拾取次声波信号,通过数据采集器进行A/D转换滤波后传递给中心站的上位机软件;上位机软件通过对次声波信号进行特征量提取来判断泄漏发生的位置。

泄漏点位置x的计算式为:

式中L———首、末站传感器的距离,m;

v———次声波的传播速度,m/s;

Δt———泄漏点次声波传播到A、B两点的时间差,s。

系统共设置了两处监测点,即在A站出站管线和B站进站管线上分别安装了两台声波信号传感器,并在A站和B站非防爆区设置了两个基站RTU(远程终端数据采集和处理系统)。为实现系统时间同步,在首、末站各安装了一套GPS,固定在离采集终端较近的屋顶,并超出屋顶30cm,且四周没有遮挡物。系统通信方式选择局域网。

2.2 系统测试结果分析

在距离A站10km的管道上开孔设置放油阀,在放油阀出口分别垫入孔径为3、5、7mm的垫片模拟泄漏孔径。测试过程中孔板由较小孔径逐渐更换至较大孔径,每一孔径下放油测试3次,每次放油时间5s,放油间隔不小于20min。测试人员分两组,分别在操作现场和控制室,分别对放油时刻、报警时刻、放油位置和报警位置进行记录,测试结果见表2。可以看出,该系统各项技术性能指标良好,具有较高的泄漏监测和定位能力,可实现对最小泄漏孔径3mm的可靠检测与定位,定位误差小于50m;管道发生泄漏时,系统能在1min内报警,而且泄漏孔径越大,响应时间越短。

3 分布式光纤法的测试应用

3.1 技术原理和系统组成

为了测试分布式光纤法的各项技术指标,对某天然气管道开展应用测试。该管道全长4.6km,规格为168.3mm×12.0mm,介质以气态为主(占90%以上),伴生气(含C1、C2、C3)平均密度0.6g/cm3,C1平均含量92.80%,C2平均含量1.51%,C3平均含量0.47%,首站压力4.9MPa,末站压力2.1MPa,起点输送温度约40℃。

分布式光纤法泄漏报警系统(图2)主要包括分布式光纤温度传感器、放大电路和数据采集模块,其中在C站到D站沿管道铺设一条感温传感光纤,在控制室安装软件运行平台(负责数据显示与存储、管道状态实时监控与管理),在C站配制光电检测仪(负责光信号的收发与转换处理,并将处理后的信号返回到计算机信号处理系统进行分析)。系统的工作原理为:激光光源向光纤注入激光脉冲,然后利用后向散射光(拉曼散射光)进行实时信号分析处理,以获取整根光纤的温度应变曲线;当管道发生泄漏时,油气介质温度将会明显高于周围环境温度,当后向散射光返回至光纤入射端时,可测量到入射光和反射光之间的时间差t。则发生散射的位置(泄漏点)距入射端的距离x'可表示为[8,9]:

式中c———真空中的光速,c=3×108m/s;

n———光纤的折射率。

3.2 系统测试结果分析

选择距C站620m处和D站光缆末端作为测试点,每个测试点测量3次,每次间隔不少于30min。测试过程中用毛巾包裹光缆,并通过在毛巾上浇注热水(90~100℃)的方式对光缆进行加热,每次连续均匀浇注1min。同时,对测试过程中的加温位置、报警位置、加温时刻和报警时刻进行记录,结果见表3。可以看出,分布式光纤法泄漏报警系统具有较高的泄漏监测和定位能力,系统能在10s内发出警报,且定位精度小于20m。

4 结束语

西部某油田选择较优的次声波法和分布式光纤法开展了现场管道泄漏测试,并对各项技术性能指标进行了评价。次声波法可监测到的最小泄漏孔径为3mm,响应时间不大于1min,定位精度小于50m;分布式光纤法的响应时间不大于10s,定位精度小于20m。两种方法均能实现对现场管道的泄漏检测和处理,尤其是分布式光纤法的各项技术指标都较优,但该方法需要沿线铺设光纤,费用相对较高。因此,建议对两种泄漏检测报警方法进一步优化,提高其定位精度并降低响应时间,显示泄漏点经纬度坐标,方便技术人员查找泄漏点,进一步提高应急快速反应能力。由此可见,两种方法各项系统技术性能指标良好,用于油田地面管道泄漏报警是可行的,为油田进一步推广管道泄漏报警技术提供了重要依据。

参考文献

[1]王雪亮,苏欣,杨伟.油气管道泄漏检测技术综述[J].天然气与石油,2007,25(3):19~23.

[2]王效东,黄坤,朱小华,等.油气管道泄漏检测技术发展现状[J].管道技术与设备,2008,(1):24~26.

[3]李辉,冯建国,廉明明,等.油气管道泄漏监测与定位方法分析综述[J].中国石油和化工标准与质量,2014,(4):117~118.

[4]陈朋超.长输管道安全预警系统若干关键技术研究[D].天津:天津大学,2010.

[5]周琰,靳世久,曾周末,等.分布式光纤管道安全检测定位技术研究[J].光电子·激光,2008,19(7):922~924.

[6]阚玲玲,梁洪卫,高丙坤,等.基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计[J].化工自动化及仪表,2011,38(6):653~655.

[7]赵会军,武伟强,王克华,等.基于次声波法的油气管道泄漏检测与定位[J].油气储运,2012,31(3):215~218.

[8]刘冰,王洁,吴健宏,等.分布式光纤测温系统在LNG储罐泄漏和冷却温度监测中的应用[J].化工自动化及仪表,2014,41(12):1445~1447.

煤气泄漏报警及智能排险系统设计 篇2

由于一般的可燃性气体主要构成气体成份都是CO, 所以系统主要通过检测空气中的CO浓度来确定煤气浓度的。当燃气泄漏后, 检测空气中可燃气体浓度超过报警值时, 系统给出警报的同时驱动排气扇工作, 直至检测到CO浓度达到安全值, 警报解除。煤气检测报警系统由可燃气体传感器、运算放大器、模数转换器、单片机及声光报警器等组成。

该系统功能如下:

1) 准确检测空气中的CO浓度, 并将其浓度值进行显示。

2) 根据空气中的CO浓度水平控制指示灯模式。

3) 当检测到空气中的CO浓度达到危险级别时, 系统给出报警并紧急启动风扇排险。

2 系统设计

2.1 电源电路的设计

电源采用直流电源变压器输出15V的电压, 其电源连接电路如图1所示, 直流15V再经过电容滤波, 7812、7805集成稳压器稳压成为稳定的+12V及+5V电源。

2.2 信号采集模块的分析

本设计中气体传感器选用MQ5燃气传感器, 它适用于家庭或工业上对液化气, 甲烷, 煤气的监测装置。MQ5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡 (Sn O2) 。当传感器所处环境中存在可燃气体时, 传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

设计中MQ5的连线及等效电路如图2所示, 其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电阻, RL是外接负载电阻, 用来调整输出的模拟量电压范围, 具体数值应根据A/D转换器的输入范围来确定, 本系统中A/D转换的输入范围是0~3.3V, 这样RL选用量程为10K的可变电阻, 保证测量的量程足够用。

2.3 主控模块的选择

该设计采用SPCE061A型单片机。SPCE061A型单片机是凌阳科技公司推出的一款16位微处理器, 具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点, 内嵌32K字闪存FLASH, 处理速度高, 能够很方便地完成普通单片机的功能, 其内部有两路10位数/模转换 (DAC) 输出通道和7通道10位电压模/数转换器 (ADC) 和单通道声音模/数转换器, 可以满足将较复杂的电路模/数转换和数/模转换的需求, 不需要外接转换芯片, 节省成本, 降低电路的复杂程度。

气体浓度显示采用了凌阳单片机配套的SPLC501液晶模组。采用凌阳的SPLC501芯片作为LCD驱动和控制器, 为128*64点阵图形液晶显示器。

2.4 报警电路的设计

如图3所示为光报警电路原理图。其中, “灯指示”为红色电路的功能是当燃气泄漏后, 检测空气中可燃气体浓度超过报警值时, 在声音报警的同时进行的光报警。即IOB11输出为高电平“1”时, 发光二极管导通指示灯亮, 当输出低电平“0”时, 发光二极管灭, 如此反复便可使报警指示灯闪烁报警。同理, 当检测到空气中可燃气体浓度达到提示限未达报警限时, “灯指示”为黄色的二极管闪烁。“灯指示”为绿色的电路功能:当燃气泄漏并达到声光报警的浓度, 报警并开启排风扇后, 延时一段时间, 直到燃气排净, 指示灯 (绿) 亮。

2.5 驱动电路的设计

现代自动化控制设备都存在一个电子与电气电路的相互连接问题, 一方面要使电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件 (电动机、电磁铁、电灯) , 另一方面又要为电子电路和电气电路提供良好的电隔离, 以保护电子电路和人身的安全, 电子继电器便能完成这一桥梁作用。所以, 我们把这种继电器用在本设计中。

如图4所示为开启排风扇驱动电路原理图。采用JZC-23F型继电器, 其控制电压为5V。从图中单片机接口IOB6输出高电平“1”时, 三极管9014导通, 继电合JK, 电动机运行, 电磁阀关闭。且在继电器电路中的线圈个二极管以吸收继电器线圈断电时产生的反电势, 防止干扰。

摘要：本文研究并设计制做出了一套“煤气泄漏报警及智能排险系统”, 该系统通过准确监测空气中一氧化碳浓度对煤气是否泄漏做出判断, 若发现有煤气泄漏会给出警报并驱动风扇排风达到智能排险。

关键词：气体传感器,CO,声光报警,驱动

参考文献

[1]何道清, 张禾.传感器与传感器技术[M].科学出版社, 2008.S

[2]杜刚, 张东霞.16位单片机原理及应用学习与实验指导[M].中国电力出版社2008, 12.

[3]凌阳.16位单片机应用基础[M].北京航空航天大学出版社, 2003.

泄漏报警技术 篇3

目前, 以超临界、超超临界机组为代表的高参数机组类型逐渐成为我国火力发电的主力机组。这些机组一方面因其具有较高的环保、经济和社会效益而得到了广泛应用和巨大发展, 另一方面由于其固有的超高的机组运行参数, 在实际生产运行中, 随着运行时间的推移, 锅炉各受热面爆管泄漏的事故发生率也呈现逐渐上升趋势。及早、及时、有效发现锅炉的此类事故, 不仅有利于合理调整机组的运行方式和停机时间, 更重要的是可以最大限度地避免在高压对冲作用下, 泄漏介质 (高参数的汽、水) 对泄漏点临近的受热面、管的再次损伤, 保护机组的主要设备, 提高机组的可利用率。

锅炉炉管泄漏自动报警系统是通过安装在锅炉炉膛水冷壁、过热器、再热器、水平烟道、尾部竖井及锅炉大包内等部位的声波传感器、前置放大器等一次测量元件, 实时、连续采集炉内的各种噪声, 并将采集到的声音信号转换为电信号, 传送至系统主机, 由系统主机进行信号的转换和深度分析, 判定是否在这些部位发生有炉管泄漏事故、发生泄漏的位置、泄漏强度和范围, 并决定是否报警。当技术人员收到报警后, 根据显示的报警信息, 进一步进行现场确认, 并据此调整机组的运行方式和制定相应的抢修方案和抢修措施。

目前, 在一些机组的实际运行中, 锅炉炉管泄漏自动报警系统由于受到设计、安装和现场实际生产环境等各方面缺陷的影响, 普遍存在实际使用效果不理想的现象。其中设计缺陷又成为影响系统发挥应有功能的主要因素。本文以某厂600MW超临界机组直流型锅炉为例, 主要针对炉管泄漏系统的设计缺陷, 同时结合设备安装和实际生产环境等几个方面来一一分析问题, 并提出解决方案, 保障系统的正常运行, 使系统能够发挥其应有的积极作用。

1 系统设计缺陷

系统的设计缺陷往往造成系统在投入运行后频繁发生各类故障。此类故障一般不能通过日常维护工作解决。只有等到机组停机检修的时候通过技术改造, 解决部分问题, 最终仍会遗留一些顽疾。所以说设计缺陷是严重影响整个系统正常运行的根本性原因。从实际工作中看, 系统的设计缺陷主要体现在具体测量点的设计安装位置不合理、声波取样孔的大小设计不合理和声波导管的设计安装方法不合理等3个方面。

为了更加清楚地说明系统的设计缺陷并提出合理的解决方法, 我们首先要对系统的相关设计作一个简单介绍。下面我们以某电厂600 MW超临界机组直流型锅炉使用的DZXL-600型锅炉炉管泄漏自动报警装置系统为例进行说明。

1.1 系统原设计方案

1.1.1 测量原理

利用安装在锅炉炉膛水冷壁、过热器、再热器、水平烟道、尾部竖井及锅炉大包内等多处受热面的众多声波传感器采集炉内的各种噪声信号, 并将采集的声音信号转换为电信号传送至电子间的上位工控机, 由上位工控机经快速傅立叶变换技术将采集到的信号以实时频谱、噪音棒形等多种图形和数据形式实时显示和记录下来, 以供技术人员监视和分析判断;同时工控机通过对噪音强度、噪音持续时间等多个参数设置条件的自动计算、判断, 来进一步判定锅炉炉管是否发生泄漏及发生泄漏的程度, 并决定是否发出报警信号。

1.1.2 系统结构

“DZXL-600型锅炉炉管泄漏自动报警装置”系统结构大致分为两部分: (1) 测量一次元件:声波传导管、声波传感器、吹扫电磁阀柜、信号传输电缆等; (2) 中央处理单元:工控机、显示器、信号输入卡件、信号输出卡件等。

需要特别说明的是, 现场安装的声波传导管长约600 mm, 直径约45 mm, 壁厚约3 mm, 与锅炉水冷壁夹角为45°。声波导管的A端焊接于锅炉水冷管壁间的鳍片上, 鳍片开孔 (声波取样孔) 设计尺寸67 mm×12 mm或67 mm×47 mm。声波传感器安装于声波传导管B端, 与声波导管夹角135°。吹扫用压缩空气, 设计压力0.6 MPa, 吹扫气源通过安装于压缩空气管道上的电磁阀控制。每个吹扫电磁阀控制7~8个测点的吹扫气源。每个测点的吹扫气源管同向、同轴接入各个测点声波导管的B端。吹扫频率、吹扫起始时间、单次持续吹扫时间等参数由电子间的控制工控机设置并发出吹扫指令。

1.1.3 测点分布

整台锅炉共配置42个测点。测点主要布置在锅炉的高温、高压区域, 特别是过热器、再热器、水冷壁等关键部位。从空间上看, 主要集中于锅炉50~72 m的这一区域。其他区域分布密度要小得多。

1.2 测点设计安装位置不合理

超临界锅炉本身结构就较为复杂, 在实际的安装施工过程中, 锅炉各个部位和形式的钢梁、走廊、保温层、电缆桥架、现场控制柜、电源柜等设备都会占用一定的空间。而锅炉炉管泄漏系统在最初的设计中, 主要考虑的是对炉内主要受热面的监测和设备有效测量的最大覆盖面积, 往往对外部安装空间和环境方面考虑较少, 导致很多测点的实际安装位置不合理, 设备存在较高的故障率甚至部分测点失去测量意义。

例如有的测点设计安装位置实际上位于锅炉炉内, 整个测量一次元件 (包括声波导管、声波传感器等) 被安装在炉顶大包的保温层与过热器间的巷道内。这样, 一旦锅炉启动, 由于锅炉的高温作用, 声波传感器会立即损毁;有的测点的设计安装位置与现场其他设备的实际安装空间冲突, 一些测点外紧挨着锅炉的悬空钢梁, 虽然根据设计说明, 可以对安装位置在1~2 m范围内自由选择, 但除了悬空钢梁, 设计安装位置上方还紧挨锅炉炉顶大包保温层的突出部位, 实际安装位置根本无法移动到“合理”位置。安装也就只能“将就”, 测量也就无从谈起。还有一部分测点的设计安装位置未考虑到设备的检修、维护工作, 设计安装位置悬空, 距离走廊或检修平台高度有十几米, 检修人员平时不能靠近维护, 导致因长时间缺乏维护而测量失真。类似的情况还有很多, 总之, 由于设计安装位置不合理, 导致一部分测点存在较高的故障率甚至失去测量意义, 对系统的实际应用造成了巨大危害, 严重制约了系统所应发挥的积极功能, 同时也为电厂增加了不必要的巨额检修费用。

1.3 声波取样孔大小设计不合理

以某厂600 MW超临界机组直流型锅炉“DZXL-600型锅炉炉管泄漏自动报警装置”系统为例。设计声波取样孔大小为67mm×12 mm或67 mm×47 mm两种。但锅炉的实际情况为:锅炉炉膛螺旋水冷壁或垂直水冷壁, 管壁间的鳍片最宽处只有14 mm。而声波导管的实际壁厚为3 mm。如果再减去实际施工中的取样孔焊接预留空间2 mm (每侧预留各1 mm) , 也就是说实际预留的最大声波取样孔宽度最宽只有不到6 mm。相当于设计取样孔最小孔宽度12 mm的一半。在实际生产中, 有些地方实际开孔最宽处甚至只有不到3 mm。

取样孔的大大缩小, 一方面使声波传感器的有效测量半径大大缩小, 锅炉内重要受热面部位的实际监测覆盖面大大低于设计覆盖面。炉内重要部位出现大面积测量盲区, 导致即使在原设计区域出现炉管泄漏等重要事故, 系统也很有可能没有任何报警。

更严重的是, 取样孔的大大缩小, 容易导致声波取样管的彻底阻塞。声波无法正常导入, 声波传感器检测不到应有的泄漏噪声信号, 导致锅炉炉管泄漏系统最终成为真正的聋子、瞎子, 彻底失去作用。

1.4 声波导管的设计安装方法不合理

我们知道, 声波导管的一端需要焊接至锅炉水冷管壁鳍片上的取样孔。由于声波导管的主体部位为圆筒状 (45 mm直径) , 而取样孔设计为67 mm×12 mm或67 mm×47 mm两种, 所以焊接至取样孔附近的声波导管必须发生形变。而设计、生产厂家往往只是直接提供圆筒状的声波导管, 对于发生形变的部位, 需要安装单位在现场进行再次加工。加工的方法只有用重物敲击声波取样导管的一端, 使其发生形变来适应具体安装部位的狭小安装空间。这样极易导致加工的声波导管取样孔过于细小。经过焊接, 最终出现的声波取样孔最宽处就只有不到3 mm的宽度也就不难理解了。

综上所述, 炉管泄漏系统的设计缺陷, 如果不能加以重视和彻底改变, 最终必将导致锅炉炉管泄漏报警系统的彻底报废。

2 实际生产环境中可能存在的问题

机组的实际生产环境千差万别, 我们主要针对以下两个常见问题进行分析:

2.1 锅炉保温层保温效果不好

我们知道, 锅炉炉管泄漏系统的一次测量元件 (声波传感器) 在生产现场的实际安装位置, 往往距离锅炉保温层的直线距离较近, 通常为500 mm左右。但由于不同部位保温层的具体安装形式不同和测点附近安装空间的局限性, 有的声波传感器距离锅炉保温层的直线距离甚至不到200 mm。而声波传感器的主要元件是高精度的集成电子电路。所以, 在锅炉实际运行中, 如果锅炉保温层保温效果不好或者很差, 声波传感器将会面临长期高温烘烤的恶劣环境, 直接影响了设备的使用寿命。

2.2 吹扫用压缩空气质量不合格

锅炉炉管泄漏系统为了防止声波取样管道的阻塞, 一般会采用定时、定量、定次的压缩空气进行自动吹扫。所使用的压缩空气一般要求具有0.6 MPa左右的压力, 压缩空气要求干燥、洁净。所以一般情况下, 炉管泄漏系统的压缩空气管道并没有配备空气过滤设备。但在实际运行中, 我们发现, 压缩空气气源质量不符合要求, 水、油等严重超标, 是造成声波取样管道阻塞的另一个重要因素。

在实际取样孔 (最宽距离6 mm) 远小于设计取样孔 (最宽距离12 mm) 的情况下, 压缩空气又含有较多的水分、油分, 这样压缩空气极易与泄漏的灰分混合、受热结块, 最终彻底阻塞声波取样管道。

声波取样管道的彻底阻塞, 不仅使声波传感器无法正确接收到炉内的各种噪声信号, 使系统变成了聋子, 失去应有的测量、判断能力;同时由于这种阻塞非常迅速, 用时非常短暂, 有时半个月左右, 就可使系统的大部分测点的声波导管彻底阻塞, 使取样管疏通的检修工作基本上失去了意义。

3 解决方案

根据我们的分析, 解决以上这些问题, 应该从以下几方面入手:

3.1 在系统最初设计阶段, 对实际安装环境引起重视

1) 在系统设计的最初阶段, 应充分考虑到是否与锅炉其他系统设备的设计安装位置发生冲突, 如果存在冲突, 必须协调处理好炉管泄漏系统设备的安装位置和安装空间;

2) 可以通过适当增加声波取样管长度的办法, 使声波传感器真正安装于锅炉保温层外合理的位置;

3) 可以通过调整部分测点位置的办法, 处理好与其他设备的安装空间冲突;

4) 可以通过适当增加测点数量的办法, 弥补因增加声波取样管长度或移动取样位置等因素带来的噪音测量半径缩小或改变的不足;

5) 设计相应的检修平台和考虑预留一定的设备检修空间。使系统投入运行后, 便于日常巡视和维护, 增加设备的使用寿命和使用效率;

6) 直接设计并制造好声波取样管的焊接端, 避免现场人工加工的不足;

7) 由于通常情况下, 锅炉水冷管壁鳍片的纵向空间较为充足。对于较长的声波取样管, 可以设计1~2个一端焊接于鳍片, 一端焊接于声波取样管的加强筋, 保持声波取样管加长后, 能够可靠安装;

8) 根据锅炉的具体形式, 对于水冷管壁鳍片横向间距较小的情况, 在系统设计时, 可以适当加大取样孔纵向的大小, 使声波取样孔的实际面积大于或者等于原设计取样孔面积。从而保持声波传感器的测量半径, 同时最大限度地避免声波取样管的堵塞。

3.2 对于实际生产过程中可能存在问题的解决

1) 对于锅炉保温层保温效果不理想的情况, 第一选择当然是与相关的保温专业联系, 要求其维修或者重新安装符合要求的保温材料, 使保温层对外辐射温度不高于锅炉保温设计要求;如果现场具体情况实在不能满足测量设备的环境要求, 也可以适当加长声波取样管的实际长度, 使声波传感器脱离锅炉高温区域, 但需要加装部分测点, 以弥补声波导管加长后造成的声波传感器有效测量半径缩小的不足。

2) 对于吹扫用压缩空气质量不符合要求的情况, 最好可以从压缩空气的生产环节入手, 提高压缩空气的质量, 使之能够达到系统的使用要求。但是, 如果存在其他原因而不能根本上提高压缩空气质量, 可以在炉管泄漏系统的每个电磁阀前加装一台空气过滤、净化设备, 以此提高系统所用压缩空气的质量, 达到系统的使用要求, 防止声波取样管堵灰情况的发生。

4 结语

综上所述, 只要在系统的最初设计阶段, 能够对系统一次元件在生产现场的实际安装环境引起足够的重视, 并采取必要的措施;在系统的施工阶段按图施工;在系统的运行阶段排除外部恶劣环境对设备的影响, 就可以充分发挥锅炉炉管泄漏报警系统的积极作用, 保障机组的安全、稳定运行。

摘要：炉管泄漏报警系统可以及时发现、准确定位锅炉的泄漏事故, 对合理安排机组的检修时间、提高设备利用率和最大限度防止设备的二次损伤, 具有积极的现实意义。目前使用的炉管泄漏报警系统由于在设计之初就存在一系列不符合现场实际生产情况的先天缺陷, 极大束缚了该系统应有功能的发挥。文章着重从系统的设计缺陷入手, 同时结合设备的安装和在生产运行环境中的实际情况, 分析系统在实际应用中存在的问题, 并提出了一系列解决问题的方法, 以期能够为该系统的稳定、连续使用, 提供良好的解决途径。

关键词：炉管泄漏,设计缺陷,声波传感器,声波导管,声波取样孔

参考文献

[1]张晓东, 陈东辉, 杜云贵.炉管泄漏的声学特性研究[J].热能动力工程, 2008 (3) .

钢厂CO泄漏实时监测报警系统设计 篇4

关键词：CO泄漏,电化学传感器,无线传输,监测报警,单片机

0 引言

CO是一种不易被人们察觉的无色无味剧毒气体,它在空气中的浓度超标时,可使人体缺氧,严重时导致窒息死亡,甚至引起爆炸[1]。在钢厂生产过程中可能造成大量CO泄漏,一旦发生泄漏,将会造成严重的人员伤亡和财产损失。因此,钢厂CO泄漏浓度的实时监测报警对于提高人员生命安全系数和减少工业事故有着极其重要的经济和社会价值。

通常情况下,钢厂环境较为恶劣,有线传输时布线较为复杂,处理不当就有可能产生电火花而引发事故。为此本文设计了一种基于无线传输技术具有超标声光报警功能的钢厂潜在CO泄漏源实时监测报警系统。

1 系统方案设计

钢厂潜在CO泄漏源实时监测报警系统框图如图1所示。该系统采用多点分布式结构设计,由多个现场检测单元和上位机构成。各个现场检测单元和上位机通过2.4G无线传输模块进行数据交换。系统主要完成对泄露CO浓度的实时采集、分析处理、显示以及超标声光报警等功能。

现场检测单元采用目前广泛应用的三极恒电位电化学传感器进行前端CO浓度检测,测得的电流信号经过I/V信号转换电路、滤波放大电路进入A/D转换模块,AD转换结果由单片机数字滤波后传输给上位机分析处理和显示存储,当检测的浓度值超标时进行相应检测单元的声光报警。

2 系统硬件设计

系统的硬件设计包括现场检测单元设计和上位机硬件设计。其中现场检测单元设计主要由传感器信号调理模块、A/D转换模块、无线传输接口模块、电源电路微处理器模块以及报警电路等组成。

2.1 传感器信号调理模块

根据钢厂环境和设计要求,前端采用City公司的高灵敏度,高精度的三极电化学CO传感器3E/F,其量程为0～2000ppm,输出电流信号为0.10±0.02μA/ppm,自带的过滤板能有效滤除SOx、NOx和H2S,对CO具有很好的选择性[2]。当CO气体进入传感器后,在恒电位环境下辅助电极CE和工作电极WE上发生氧化还原反应[3],形成与气体浓度呈线性关系的电流信号,并经工作电极WE进入信号调理电路[4]。

传感器的信号调理电路如图2所示。传感器的信号调理电路的上半部分为恒电位电路,使工作电极WE和辅助电极CE之间保持恒定的电位。未上电之前,J177导通,工作电极WE和参考电极RE短接,使传感器保持在准备工作状态,提高传感器对气体的响应时间。系统上电后,J177截止,传感器在恒电位环境下工作,产生的电流信号从工作电极WE流出,经I/V转换、低通滤波、信号放大后输出与气体浓度成正比的电压信号。

2.2 A/D转换模块

A/D转换电路如图3所示。当CO的泄漏浓度每变化1ppm,调理信号的输出电压值就相应变化0.10mV～0.12mV,且在量程范围内输出的调理信号的电压值为0～2.4V。

因此为保证单片机系统能够准确读取调理后的电压信号,设计采用TI公司生产的12位高速、微功耗、串行输出的单通道A/D芯片ADS7816[5]。该芯片的工作电压为5V,最高采样频率可达200kHz。当采样频率为12.5 kHz时功耗仅为150μW,采样结束后,芯片自动进入掉电模式,从而降低了模块整体的功耗。同时采用ADI公司生产的FET集成低功耗、低温漂、高精度基准电压源ADR291[6]为模块提供精度可达1mV 的2.5V基准电压。

经计算可得,A/D转换电路的最小分辨率为:

$\frac{0.25\text{V}}{2{}^{12}-1}\approx 0.61$mV<(0.10±0.02)mV

2.3 无线传输接口模块

为了保证对CO浓度进行实时监测,设计采用Nordic公司的高速无线收发芯片nRF24L01用于将采集的浓度信号实时传输给上位机进行数据分析处理,以实现对CO浓度的实时动态监测。

nRF24L01工作在发射模式下发射功率为-6dBm时,电流消耗为9mA,接受模式时为12.3mA。掉电模式和待机模式下的电流消耗更低[7]。增强型SchockBurstTM模式下的PID(数据包识别)和CRC校验功能可以大大降低传输过程中的误码率,从而提高了数据传输的正确性和稳定性。nRF24L01的外围接口电路如图4所示。

2.4 微处理器模块及报警电路

本设计的微处理器模块采用Atmel公司的低电压,高性能CMOS 8位微处理器AT89S52[8]作为主控芯片。在现场检测单元部分AT89S52,主要将采集的数据处理分析后,通过I/O模拟SPI通信将采集的数据通过nRF24l01发送出去;在主机部分主控芯片除控制无线芯片接受从机发送的数据之外,还负责通过RS232[9]将数据传给上位机进行数据存储显示和声光报警。

3 无线传输协议TDMA

由于该钢厂CO泄漏实时监测报警系统采用多个现场检测单元采样、量化并发送传感器采集的数据,同时通过上位机无线模块接收多个单元发送的数据。在传输过程中,各单元之间的信号很有可能会产生碰撞,因此本设计采用时分多址(TDMA)协议来避免或减少通信碰撞的发生。

TDMA协议是在同一信道内将时间段拆分为多个时间间隙,各个发送单元只在属于自己的时间间隙内进行数据通信的技术。它具有通信质量好、频带利用率高、保密性好、系统容量大等优点[10]。重要的是TDMA通信方式可以方便地实施低功耗策略,令发送单元在不属于自己的时间间隙内处于待机或者休眠模式,从而有效地降低系统的功耗。

TDMA协议的通信示意图如图5所示,先由接收端发送一个同步信号,发送端1至发送端n接收到同步信号后按照一定规则在各自不同的时间间隙上发送数据。每n个时间间隙为1帧数据。接收端每接受一帧数据后再发送一个同步信号,进入下一帧数据的接收,以此类推。

4 系统软件设计

本系统的软件设计包括现场监测单元软件设计和上位机软件设计两部分。其中现场监测单元软件设计主要由微处理器的功能初始化、A/D转换芯片的信号采集、采集数据的滤波处理、无线芯片的数据收发组成,主要完成泄露CO浓度的实时采集、量化处理以及数据发送功能;上位机软件设计主要由单元数据帧的接收、数据帧处理分析及显示报警组成,主要完成数据接收存储、分析处理以及超标报警等功能。

系统软件流程如图6所示。系统上电后,微处理器开始进行各种功能参数的初始化,包括:I/O管脚的状态、定时器初始化、中断源设置、无线收发芯片的收发模式初始化以及串口初始化等,然后通过按键子程序进行当前气体浓度的标定和调零。现场检测单元采集的浓度信号经过调理电路处理进入A/D转换模块,转换后的数字信号在I/O CLOCK的作用下由单片机读取滤波后,按照TDMA协议通过nRF24l01发送给上位机,上位机将接收到的数据帧进行拆分处理,并与设定的阈值相比较, 如果超标则进行相应单元的声光报警,数据通过RS232传给主机进行数据存储显示。

5 结束语

本设计基于无线传输技术提出的钢厂CO潜在泄露源实时监测报警方案,其硬件电路搭建简单,测量准确,功耗低,相比传统的检测方法能够完全实现在线实时监测,在很大程度上提高人员的生命安全系数和降低工业事故的发生概率。具有较好的应用价值。设计中还有许多不够完善的地方,有待在以后试验及实际使用中得到进一步的改善。

参考文献

[1]刘洋,耿志超.煤制天然气工程的主要危险有害因素分析[J].现代职业安全,2007(7):88-91.

[2]3E/F Datasheet[Z/OL].http://www.citytech.com.

[3]卢小泉,薛中华,等.电化学分析仪器[M].北京:化学工业出版社,2010:36-44.

[4]冯业铭.恒电位仪电路原理及其应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,1999:64-79.

[5]ADS7816 Datasheet[Z/OL].http://www.ti.com.cn.

[6]ADR291 Datasheet[Z/OL].http://www.analog.com.

[7]nRF24l01 datasheet[Z/OL].http://www.nuhorizons.com/line-card/nordic/.

[8]王东峰,等.单片机C语言100例[M].北京:电子工业出版社,2009:12-34.

[9]雷伏容,等.51单片机常用模块设计查询手册[M].北京:清华大学出版社,2010:269-278.

泄漏报警技术 篇5

随着社会的发展,集中供热以其节约能源、减少污染、方便人民群众生活的综合性经济、环境和社会效益,的优势逐渐取代了小锅炉,特别是20世纪90年代以来,在全国各地政府的支持下得到了飞速的发展,在城市基础设施中发挥越来越大的作用,随着管网范围的延伸,管网检查井的数量也成倍的增长,在供热管网的检查井中,一般安装有阀门、减压器、补偿器等管件及其保温层。随着供热介质温度的变化,管道就会发生膨胀和收缩,从而产生应力,该应力一般靠补偿器的伸缩来释放,由于供热介质温度变化的比较频繁造成管道一直处于收缩伸长的变化中,所以补偿器是热网的易损部件,另外检查井中的阀门由于长期处在潮湿环境中,极易被腐蚀发生泄露的机会也很大,如果检查井中的部件发生长时间泄露无论对居民小区的供暖还是对一级管网的正常输热都会产生很大的影响,甚至会损坏检查井的建筑结构,所以对检查井内部进行泄露检测并及时报警是非常有必要的[1]。

2 检测原理

一般检查井内部结构图如图1,最容易发生损坏的部位就是图中所标的1～4四个弯头,它们所承受的变形应力最大而且高压水对他们的冲击也是最大的[2]。所以在这四个部位各安装两个温度传感器,检测保温材料内外的温度,根据保温材料的热传导特性内外的温差如果过于接近说明供热介质已经渗透保温层。另外在检查井的最下端安装液位开关,如果是其他部位泄露当水位超过液位开关报警线时表示检查井内已经积水应该进行检查。对于野外检查井井盖和阀门经常失窃,给供热网络的正常运行造成极大威胁。所以在井盖安装防盗开关,在未经备案的情况下井盖被打开就可认为被强制打开。单片机通过GPRS模块向监控中心发送泄露或者井盖被盗信息,监控人员就可以根据信息的内容进行抢修。

3 硬件设计

系统以微芯公司的超低功耗单片机PIC24F16KA102为控制芯片,在仅开启RTCC功能同时将所有IO口设置成高阻状态时实测功耗小于300nW,实现整个系统在锂电池供电的情况下低功耗长时间运行。系统的其他部分在不工作时几乎不耗电,所以在待机状态下整个系统的功耗都会小于300nW。测温元件采用DS18B20,系统总体框图如图2。

3.1 检测部分电路设计

检测部分包括液位开关、防盗开关、测温系统三部分,液位开关和防盗开关分别与单片机的外部中断管脚,DS18B20连接到单片机的普通IO口,电路原理图如图3[3]。单片机可以由外部中断1、2从休眠状态中唤醒表示液位开关闭合或者防盗开关闭合。而单片机还可以利用RTCC功能定时唤醒检测温度传感器的温度判断管道是否发生泄露[4]。

3.2 GPRS模块部分电路原理图

在系统检测到泄露之后,需将泄露信息传输到远程服务器,系统利用GPRS模块通过GPRS网络将编码的泄露信息传入远程监测服务器中,实现阀井的实时监测。模块选用的是Quectel-M10,在模块中自带TCP/IP协议,兼容AT指令集,可由外部管脚控制模块的开关,而且正常工作时功耗低,延长锂电池的使用时间。单片机与GPRS模块的接口电路图如图4。

4 软件设计

系统软件程序主要由RTCC定时程序、温度检测程序、外部中断唤醒程序、数据打包发送程序组成,程序进行初始化后首先对外部设备进行巡检,确认所有设备工作正常且没有泄露后就启动RTCC定时并进入待机状态以节省电池电量,一旦液位开关或者防盗开关被触发,单片机就被唤醒,启动GPRS模块将信息打包后发送到服务器端,在没有外部中断触发的情况时,单片机由RT CC定时器定时唤醒对外不检测设备进行巡检,如果发现泄漏情况同样启动GPRS模块对信息打包发送,程序流程图如图5。

在打包发送数据时,为让服务器端能正确的解读出数据包包含的泄露信息、发生泄漏的检查井编号必须对数据格式进行规定,首先是包头,然后是手机号码用来区分井号,然后依次是泄露信息、校验数据和包尾。具体格式如表1。

服务器端接收到数据后,按照约定的格式进行解包,同时进行声光报警,这样就实现了阀井泄露的实时监测。图6、7就是上位机检测软件报警和设备在线情况的界面。

5 结束语

本系统利用超低功耗单片机PIC24F16KA102为主控芯片,利用温度传感器、液位开关和防盗开关对供热检查井的泄露情况进行及时的检测,同时对恶意打开井盖的情况进行检测,并可以将信息及时传输到远程服务器,实现检查井的实时监测,对检查井泄露只能靠事故发生后造成的影响进行判断的方法提供的一个全新的解决方案,最大化的减小了经济损失,为提高管网的自动化检测水平发挥了重要作用,本系统已经在现场进行应用,检测和防盗效果非常好,具有很大的发展前景。

参考文献

[1]王瀛泽,葛青立.常用热网补偿器安装及质量问题防治[J].市政技术,2011,(S1):1-50.

[2]张熙娜.浅谈热网工程中的补偿器应用问题[J].山东煤炭科技,2011,(5):43-72.

[3]张明,刘岑俐.基于PIC单片机和DS18B20的温度测量系统设计[J].电子测试,2010,(4):9-50.