泄漏报警（精选六篇）
泄漏报警 篇1
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
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家用燃气泄漏报警控制器 篇2
关键词:电位器采样报警临界值煤气浓度
中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0046-02
Abstract:Coal gas warning system adopt RCM5700 computer CPU of system,Design a realization through a single slice of machine system to the control function of household-use coal gas. The NG-CO-001 electricity chemistry carbon monoxide air spreads a feeling machine to carry on an examination to the coal gas and compares density value and enactment density value gaining to get deviation,the processing that passes to the deviation signal acquires control signal and regulate coal gas to give vent to anger the of valve break.four coal gas density corresponding analog quantity of unit utilize A/D person who changes figure into, and has joined key in,carry out the control that leaks air to the household-use coal gas thus.The hardware circuit of the whole system is reasonable in design, performance is safe and reliable.
Key Words:potentiometers sampling; alarm threshold; gas concentration
1 概述
煤气的主要成分是甲烷,甲烷是一种可燃性气体,遇到明火会发生燃烧甚至爆炸,甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳,人体吸入有毒气体一氧化碳后,一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷,每年,因燃气灶本身的质量问题,导致煤气泄露,造成的煤气中毒、爆炸事故全国均有不少事例。面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁,有关部门经长期测试得出结论,燃气报警器是对付燃气这种无形杀手的重要手段之一。
2 系统设计基础
基于Mini Core RCM5700芯片。主要特点:
(1)微处理器为Rabbit 5000(内含128KB的SDRAM),主频为50MHz;
(2)程序存储器为1MB闪存;
(3)32个GPIO(可配置);
(4)6个(可配置)CMOS兼容的串El;
(5)带实时时钟(电池供电);
(6)10个8位定时器,10位和l6位定时器各1个;
(7)有两路触发输入和两路正交解码输入;
(8)带有看门狗;
(9)支持10/100Base—T以太网功能;
RCM5700硬件组成:
(1)RCM5700模块;
(2)配有支架/接头的接口板;
(3)配有支架/接头的应用电路开发板;
(4)能通过接口板对RCM5700进行编程的USB线。
传感器的选择:
(1)一氧化碳传感器的选择
本设计一氧化碳气体传感器选择了NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器,主要用于工厂一氧化碳浓度检测仪器;气体计量器具;空气质量监测器;气体变送器;便携式仪器配套元件等。
电化学气体传感器优点:
①对于气体的浓度能够线形输出信号重现性好;
②对被测气体具有良好选择性,不受温湿度的影响;
③空气中的输出值漂移小,可以获得稳定的输出信号;
④功耗低,电池即可驱动器工作;
⑤体积小,重量轻,作为便携式仪器首选;
⑥本质安全结构,机械性能稳。
(2)氢气传感器的选择
TGS822TF传感器因装有活性炭过滤器,消除了杂质气体的影响,对有机溶剂或其他挥发性气体的灵敏度低,而对氢气和一氧化碳的灵敏度高,非常适合用于检测人工煤制气。在这里我们主要利用他对氢气的检测。
(3)烷类传感器的选择
TGS813传感器对甲烷、丙烷、丁烷的灵敏度高,对天然气、液化气的监视也很理想。这种传感器可检知多种可燃气体,所以是对各种应用方式都很优越的低成本传感器。这里我们主要利用他对烷类气体的检测。
(1)仪表放大器的选择
AD623是一个集成单电源仪表放大器,它能在单电源(+3V到+12V)下提供满电源幅度的输出。AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程,以得到更好的用户靈活性,且符合8引脚的工业标准引脚配置。
(2)A/D转换器选择
本文A/D转换器选择了TLC2543,它具有l2位的分辨率,使用开关电容逐次逼近技术完成AD转换过程,提供的最大采样率为66KSPS,供电电流仅需1mA(典型值)。它除具有高速的转换器和通用的控制能力外,还具有通用灵活的串行接口(SPI),广泛运用于数据采集系统中。
3基于RCM5700的系统电路设计
系统硬件电路总体设计。系统的工作原理是利用煤气传感器将煤气浓度变换为mV级模拟电流信号,放大器把信号放大后,经低通滤波滤掉干扰信号送到A/D转换器,变换成数字量送主控芯片进行数据分析,并输出信号到显示器。当感应信号达到设定的任意一个危险区域值时,主控芯片将输出信号驱动报警,控制显示器显示出相应空气质量等级,驱动蜂鸣器发出声响,报警LED发光,同时控制电磁阀关闭,以让监控人员进行处理。
如图1所示。
4 系统电路调试
(1)模块的连通性调试
按照逐级检查的方式,对各个连接电路部分进行仔细测试检查,保证整体系统的连通性正确。连通性调试期间,各模块均以LED代替,外接一个发光二级管,控制每个端口的连接,直到各个接口灯亮,连通性调试结束。
(2)系统各硬件的检测及控制性调试
①放大电路与A/D转换电路的调试;
②一氧化碳气体检测测试;
③串口通信模块测试。
(3)系统主控硬件的通信性能调试
系统主控硬件电路的通信性能调试主要是对RS-232电路进行调试和测试,保证通信可以正常运行。
(4)系统软硬件综合性能测试
结合系统软件测试,利用硬件平台进行功能性检测,主要包括了温湿度传感器电路、二氧化碳气体传感器电路、键盘输入、液晶显示等功能的正常。并实现各部分功能的综合测试,二氧化碳气体检测综合测试。
(5)系统误差分析
放大电路的误差r1的计算。根据AD623的特征可知,其输入失调电压为100μV;失调电压漂移为1μV/℃;放大倍数G>1是有0.35%的偏差。而其输入失调电压造成的误差在调试时会被电桥的调节补偿,放大倍数的误差也会在放大电路的调试中被补偿。
5结语
在现代电子科技的高速发展过程中,微型化、集成化、高密度化以及设备的高精度化已经成为一种长期的趋势,这就要求我们力求使用更精确的设备。我们要不断的学习,不断的丰富和更新我们的产品,提出更高的要求。
就在当前亚洲金融风暴使经济形势出现低迷的情况下,电子产品要找到新的增长点,唯一的出路是数字化。数字化的时代已经到来,“数字化的魅力无穷、模拟处处数字化”的景象已经展现,今后将会迎来新的高潮。
参考文献
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[4]霍亮生.电子技术基础.[M],清华大学出版社,2006,23(6):605-608.
燃气管道泄漏定位和报警系统的研究 篇3
管道运输作为与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一, 是城市公用基础设施的重要组成部分, 在国民经济中的地位越来越重要[1]。但由于管道老化腐蚀以及人为损坏等原因, 管道泄漏事故渐渐频发。与此同时, GIS作为一种新的计算机管理系统应运而生, 它具有空间关系与实物对应明确的特点, 而Web GIS是将地理信息系统和互联网技术相结合, 对管网信息进行共享。于是, 徐湃[2]将Web GIS与管网的泄漏定位相结合, 能够在有危险情况发生时, 准确定位泄漏点的位置, 为采取有效措施应对突发事件提供了可靠的参考信息。在此系统中应用了许多国内学者的先进研究理论。
1 定位和报警系统的研究
从管道中气体运动的基本规律出发, 建立管道动态仿真模型, 并利用准确度较高、稳定性较好的特征线方法对瞬态模型进行计算机数值求解[3]。根据特征线方法, 段卓平等[4]以C#为开发工具, 编制管道动态仿真模拟软件, 对真实天然气管道进行动态仿真模拟, 验证了动态仿真软件的准确性。其次, 可以形成一种管道泄漏报警及定位理论, 采用管段两端双向同时仿真进行检漏与定位的方法。
在理论分析的基础上, 设计了室内管道泄漏定位及报警实验装置, 模拟实际应用管道输送气体正常运行以及发生泄漏时的情况, 对整套实验系统的结构设计及软硬件的设计与开发进行了详细的研究[5]。并利用该实验监测系统进行了多次泄漏定位实验及数据分析, 为管道泄漏检测的实际应用提供了实验基础。
以下是对管道泄漏定位和报警系统研究的三个具体方面:
第一部分:燃气管道泄漏定位与报警的理论研究
曾小燕等[6]从流体流动的基本定律入手, 详细讨论了管道动态仿真模型的建立, 并以一定条件为基础对模型进行简化。根据所建立的数学模型, 利用特征线方法对模型进行数值求解, 并采用计算机编程语言C#编制管道动态仿真程序。在动态仿真程序的基础上, 提出了管段两端双向同时仿真的泄漏定位理论及三色泄漏报警理论。通过在管段首末两端设置压力与流量传感器监测管段两端流体运行参数值, 对管段进行双向同时动态仿真以此确定管段泄漏点位置。三色报警理论通过三级报警同时排除误报从而解决目前众多泄漏检测理论都存在的误报问题。
第二部分:燃气管道泄漏定位动态仿真实验研究
为验证理论模型的正确性, 曲志刚[7]建立了一套管道泄漏定位与报警的综合实验系统。根据验证实验的要求设计实验系统的结构, 根据需要确定与泄漏检测定位有关的管道内流体的运行参数, 建立管道泄漏检测所需数据的采集系统。王大庆等[8]对模型所需边界条件物理量进行采集, 在管道首末两端安装相应的测控仪器, 通过对压力流量等信号的采集分析, 比较准确的判断管道是否存在泄漏点以及定位管道泄漏点的位置。详细介绍了实验系统软硬件的开发及实现。通过对实验管段的多次实际模拟分析, 将理论应用于实践, 来验证管道泄漏定位理论的可靠性和理论的正确性。
第三部分:基于Web GIS的燃气管网状态监控系统开发
根据长距离输气管道的特点, 张甫仁[9]分析了管道管理需求信息, 结合Web GIS的优势, 以重庆市长寿区天然气管网为例, 构建管网管理的基于Web GIS的燃气管道状态监控系统。基于Web GIS的监控系统可以实现信息共享, 除具备普通GIS应有的一切功能外, 当管段某一处发生泄漏时, 通过管道泄漏定位及报警理论迅速确定泄漏点后, 在监控系统中即可及时查询、显示。因此, 该系统为管理部门提供了良好平台, 对于管网运行状况进行及时的查询, 基于突发情况的防范与解决具有良好的参考意义。
2 总结
综上所述, 国内学者所研究的天然气管道泄漏定位与报警系统能够及时发现泄漏并报警, 确定泄漏点的位置, 为采取及时、有效的救援措施提供参考依据。学者们为验证理论研究的正确性, 建立了一整套燃气管网泄漏定位实验系统, 将实验结果与理论分析结果进行对比, 一方面证明理论的正确性, 另一方面也可检验利用理论指导实验的实际可行性。但大部分的研究是在一定的假设条件下进行的, 与实际状况也有一定差距。国内学者们的研究为了解和控制燃气管网系统运行状态提供更为直观可靠的数据, 保证了管网系统处于最优运行状态。同时, 也为我国燃气管网软件的商业化奠定基础。
摘要：管道运输是一种十分重要的运输方式, 管道泄漏事故的频发, 会造成资源的严重浪费和大气环境的污染, 给人民的生命财产带来了严重的威胁。因此, 建立一套有效的管道泄漏检测及定位报警系统, 具有极其重要的意义。本文综合评价了目前燃气管道泄漏定位和报警系统的最新研究进展。
关键词：燃气管道,泄漏定位,动态仿真,模型实验,模拟软件,GIS
参考文献
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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:
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
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泄漏报警 篇5
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
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泄漏报警 篇6
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.