吳 瓊，邱紅輝，孫 異，王洪超，孫 巍，王海明

（1.中國石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.河北工業(yè)大學電氣工程學院，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)測技術(shù)（包括負壓波技術(shù)）對管道安全保障的作用越來越大。由于一些管道里程數(shù)的不斷增大，油氣管道站場間及站場與RTU閥室間的距離越來越大，有些地區(qū)已經(jīng)超出了在役負壓波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的有效監(jiān)測范圍。為解決該問題，可行辦法是在相隔較遠的站場或RTU閥室之間的手動閥室內(nèi)增設(shè)泄漏監(jiān)測終端。但目前的手動閥室不具備供電條件，且一般占地面積較小，若對其進行改建，會出現(xiàn)因征地、通信和供電等方面原因造成建設(shè)成本過高的問題。

為解決上述問題，本文提出了一種集數(shù)據(jù)存儲處理、光纖通信、太陽能供電為一體的具有工業(yè)級設(shè)計、功耗低、體積小的油氣管道手動閥室一體化泄漏監(jiān)測終端。

1 負壓波泄漏監(jiān)測技術(shù)

目前國內(nèi)油氣管道所使用的大部分泄漏監(jiān)測系統(tǒng)均采用負壓波技術(shù)，其監(jiān)測原理是：當管道發(fā)生泄漏事件時，在泄漏點處會產(chǎn)生負壓波，該壓力波會向管道上下游傳播，利用安裝在管道上下游的高精度壓力變送器（PT）可以監(jiān)測到該負壓波信號，從而判斷管道是否發(fā)生泄漏；利用該負壓波信號到達上下游的時間差，可以定位該泄漏點的具體位置。但如果上下游PT間距離過大，可能導(dǎo)致負壓波信號過度衰減，無法被正確監(jiān)測。負壓波泄漏監(jiān)測原理如圖1所示。

圖1 負壓波泄漏監(jiān)測原理示意

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壓波到達的時刻 （s）；設(shè)v為負壓波傳播速度 （m/s）；x為泄漏點到管道上游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的計算公式為：

式中 Δt——上下游PT接收到負壓波信號的時間差 （即 t2-t1） /s。

2 一體化泄漏監(jiān)測終端

該終端共分為三個子系統(tǒng)：泄漏監(jiān)測子系統(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)測及通信管理子系統(tǒng)均采用低功耗模塊化設(shè)計，整個系統(tǒng)通過與管道同溝敷設(shè)的光纖與遠端監(jiān)控計算機通信。

圖2 一體化泄漏監(jiān)測終端工作原理示意

2.1 泄漏監(jiān)測子系統(tǒng)

泄漏監(jiān)測子系統(tǒng)包括泄漏監(jiān)測傳感器和泄漏監(jiān)測控制模塊。泄漏監(jiān)測傳感器通過信號電纜將采集到的信號發(fā)送給泄漏監(jiān)測控制模塊，泄漏監(jiān)測控制模塊再將信號進行數(shù)字采樣處理后發(fā)送給通信管理子系統(tǒng)，同時保存最新數(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、蓄電池和太陽能電池板三部分。太陽能電池板和蓄電池均可獨立對系統(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。當因連續(xù)惡劣天氣導(dǎo)致蓄電池電量不足時，電源控制模塊會將此信息發(fā)送給遠端監(jiān)控計算機。

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。該子系統(tǒng)功能是：將泄漏監(jiān)測實時數(shù)據(jù)上傳至遠端監(jiān)控計算機；接收監(jiān)控計算機發(fā)送來的系統(tǒng)設(shè)置信息；保證泄漏監(jiān)測終端與整個泄漏監(jiān)測系統(tǒng)時間同步。

3 一體化泄漏監(jiān)測終端設(shè)計

（1）因為油氣管道手動閥室內(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)測終端占地面積小。圖3為一體化泄漏監(jiān)測終端在蘭鄭長成品油管道11#手動閥室的平面布設(shè)示意圖，監(jiān)測終端整體占地面積不超過3.5 m2。

圖3 一體化泄漏監(jiān)測終端布設(shè)示意/m

（2）因為整個監(jiān)測終端采用太陽能電池板和蓄電池供電，而太陽能電池板的裝設(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)測終端采用如圖4所示的總體安裝方式。

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

圖4 一體化泄漏監(jiān)測終端安裝示意

（3）因為手動閥室內(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)測終端安裝的穩(wěn)定性，需要設(shè)計用來固定泄漏監(jiān)測終端的穩(wěn)固基座，其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 一體化泄漏監(jiān)測終端基座設(shè)計示意/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)通信光纜進行數(shù)據(jù)傳輸，保證了泄漏監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性。

4 系統(tǒng)特點及優(yōu)勢

本文所提出的一體化泄漏監(jiān)測終端首次將泄漏監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到油氣管道手動閥室，解決了因管道場站、RTU閥室間距過長導(dǎo)致的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)失效問題，保證了生產(chǎn)安全。

一體化泄漏監(jiān)測終端在滿足功能需求的前提下，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，完全滿足在手動閥室進行安裝的條件，同時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)測數(shù)據(jù)。整個一體化泄漏監(jiān)測終端成本僅為15萬元，免去了閥室供電改造、通信改造和征地等費用 （進行RTU閥室改造的費用不低于90萬元），經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，而且安裝及運行維護便利。

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，能適應(yīng)苛刻的現(xiàn)場環(huán)境要求。

5 結(jié)束語

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

[1]中國石油管道公司.油氣管道安全預(yù)警與泄漏檢測技術(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、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)測及定位系統(tǒng)研制[J].計算機測量與控制，2002，10（3）:152-162.

[4]鄧鴻英，楊振坤，王毅.基于負壓波的管道泄漏檢測與定位技術(shù)研究[J].計算機測量與控制，2003，11（7）:481-489.

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