趙 黎，丁一軍，衛(wèi) 瑋，葉 飛

(1.江蘇君信新華安全科技有限公司，江蘇 張家港 215600； 2.張家港市應(yīng)急管理局，江蘇 張家港 215600)

我國近些年的工業(yè)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對油氣的需求量也在不斷增加，儲運(yùn)管道的長度、數(shù)量與日俱增[1]。油氣管道運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)易燃、易爆，如汽油、柴油的危險程度較大，引起爆炸和火災(zāi)事故的概率較大。此外，這類介質(zhì)也極易揮發(fā)、泄漏，管道沿線的環(huán)境復(fù)雜，發(fā)生風(fēng)險的概率較大，油氣管道內(nèi)可能存在多種油品順序輸送，這些情況都會對管道儲運(yùn)的安全性造成負(fù)面影響。為確保順利完成油氣輸送任務(wù)，需設(shè)計(jì)一套高效、全面的安全系統(tǒng)，確保管道儲運(yùn)的安全性。

1 整體設(shè)計(jì)

油氣儲運(yùn)管道的環(huán)境復(fù)雜，安全監(jiān)控過程中的影響要素過多，為了確保監(jiān)控的及時性，保證油氣運(yùn)輸時的監(jiān)測工作有足夠的準(zhǔn)確度，選擇擁有數(shù)據(jù)并行處理能力的FPGA系統(tǒng)[2]。使用 FPGA 作為微控制器進(jìn)行數(shù)字電路和邏輯程序的設(shè)計(jì)，對儲運(yùn)管道安全監(jiān)測系統(tǒng)使用電極切換進(jìn)行邏輯控制，依靠操作外部ADC和并行傳輸?shù)姆椒M足油氣運(yùn)輸時需要采集多通道數(shù)據(jù)的要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Overall structure framework of the system

該系統(tǒng)屬于8通道數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)，能夠?qū)Χ鄠€儲運(yùn)管道的油氣運(yùn)輸情況進(jìn)行同步采集，其運(yùn)作邏輯是將監(jiān)控設(shè)備獲取到與油氣運(yùn)輸相關(guān)的數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行同步式采集，系統(tǒng)中一共有3片F(xiàn)PGA。其中，2片是用于對采集數(shù)據(jù)的緩存，另一片用于邏輯控制，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)前2片緩存后經(jīng)過第3片進(jìn)行邏輯處理，并在經(jīng)過網(wǎng)口時按照既定順序?qū)?個通道的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)中，操作人員根據(jù)接收到的信號進(jìn)行后期處理。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采取自頂向下的思路進(jìn)行系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，由無數(shù)子模塊共同組成FPGA系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)的模塊構(gòu)成如圖2所示[3]。

圖2 軟件總體結(jié)構(gòu)框架Fig.2 Software architecture framework

該系統(tǒng)由FPGA將AD轉(zhuǎn)換得到的監(jiān)測數(shù)字信號進(jìn)行內(nèi)部預(yù)處理，再通過千兆網(wǎng)口將處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的顯示界面，操作人員根據(jù)顯示的畫面內(nèi)容即可以掌握管道的儲運(yùn)情況[4]。因?yàn)楣艿纼\(yùn)的復(fù)雜性，在油氣的運(yùn)輸過程中會產(chǎn)生大量的干擾信號，為了保障系統(tǒng)所采集到的信號均完整有效，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時添加了一個用于預(yù)觸發(fā)的自適應(yīng)閾值觸發(fā)模塊，這個模塊是用于當(dāng)干擾信號導(dǎo)致有效信號不能被固定閾值觸發(fā)所識別時，可以繼續(xù)保證采樣數(shù)據(jù)擁有足夠的完整性和有效性，提高系統(tǒng)對干擾信號的鑒別程度，增強(qiáng)對油氣在管道內(nèi)輸送時所發(fā)出信號的有效識別程度[5]。該模塊和滑動均值濾波模塊配合使用，對8個通道中的信號行多級緩存模式，將所采樣到的油氣信息緩存到寄存器中，進(jìn)行濾波處理后給到自適應(yīng)閾值判斷模塊內(nèi)，由自適應(yīng)閾值判斷模塊對油氣信號加以識別。具體流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)閾值判斷模塊觸發(fā)流程設(shè)計(jì)Fig.3 Trigger flow design of self-adaptive threshold judging module

監(jiān)控系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)將經(jīng)由自適應(yīng)閾值判斷模塊進(jìn)行多于5次的判斷，如果多于5次判斷都符合觸發(fā)條件，說明所采集的數(shù)據(jù)觸發(fā)有效，將其緩存到存儲模塊中，確保采集數(shù)據(jù)的精確性。

3 硬件設(shè)計(jì)

考慮油氣管道運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)存在易燃易爆的特點(diǎn)，為了保證信號的穩(wěn)定傳輸，選用防爆線作為信號線，用防爆箱作為電路的安裝載體，硬件組成包括電極傳感器、信號處理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集電路和終端等幾個部分[6]。ADC和電極切換由FPGA操作，依靠硬件對語言編輯進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)對控制時序的切換以及數(shù)據(jù)采集。采用8通道采樣頻率對儲運(yùn)管道運(yùn)輸油氣過程中的液位信息進(jìn)行采集，并通過輸送上位機(jī)觀察油氣運(yùn)輸中是否發(fā)生滲漏現(xiàn)象。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 管道安全監(jiān)測硬件設(shè)計(jì)框架Fig.4 Hardware design framework of pipeline safety monitoring

系統(tǒng)所使用的陣列電極模式為2×4陣列電極，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示，圖5中的E1—E8為系統(tǒng)的陣列電極傳感器，設(shè)置在儲運(yùn)管道的下方，奇偶兩電極以對稱形式分布，電極外部設(shè)置為屏蔽罩，電極間距L為陣列電極距上方管道的距離，d為E1—E8電極的厚度。

圖5 陣列電極結(jié)構(gòu)參數(shù)示意Fig.5 Structural parameters of array electrode

4 仿真分析

針對儲運(yùn)管道在運(yùn)輸油氣過程中的滲漏情況進(jìn)行安全系統(tǒng)的電極響應(yīng)特性仿真分析。在滲漏出現(xiàn)時，電極E3根據(jù)發(fā)生的滲漏率差異出現(xiàn)了6種靈敏度響應(yīng)，將高介電常數(shù)、低介電常數(shù)與混合電常數(shù)的測量電容值分別用Cf、Ce、Cij表示，因此歸一化電容C的算式當(dāng)為：

(1)

通過算式(1)計(jì)算出滲透率的實(shí)際值、仿真計(jì)算值、仿真計(jì)算滲透率的絕對誤差和相對誤差，分別用α真實(shí)、α仿真、Δα仿真和δα仿真表示。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同滲漏率的仿真誤差Tab.1 Simulation errors of different leakage rates

從表1所示數(shù)據(jù)可知，當(dāng)管道的實(shí)際滲漏率≥ 0.21%，但同時≤8%時，運(yùn)用仿真計(jì)算所能取得的儲運(yùn)管道滲漏率絕對誤差在0.01%～0.39%，平均誤差為0.131%。儲運(yùn)管道滲漏率相對誤差在0.95%～7.14%，平均誤差為3.46%。當(dāng)管道的實(shí)際滲漏率≥ 1%，但同時≤8%時，儲運(yùn)管道滲漏率平均相對誤差為2.72%[7]。這表明根據(jù)所設(shè)計(jì)參數(shù)的陣列電極進(jìn)行儲運(yùn)管道監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)管道存在的微小滲漏問題，并進(jìn)行測量和定位，幫助工作人員鎖定問題根源并予以解決，保證油氣運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

系統(tǒng)的傳感器C與方波信號頻率f的大小等式關(guān)系為：

(2)

式(2)中的C與f為反比關(guān)系，用Multisim做電路的仿真測試，用公式②對0～30 pF電容器的輸入信號加以計(jì)算，得到結(jié)果如圖6所示，計(jì)算結(jié)果見表2，數(shù)據(jù)表明電容變化和頻率大小呈反比關(guān)系。

圖6 測量仿真結(jié)果Fig.6 Measurement simulation results

表2 仿真數(shù)據(jù)分析Tab.2 Simulation data analysis

儲運(yùn)管道的運(yùn)輸介質(zhì)屬于液體，流動性較強(qiáng)，信號頻率在運(yùn)輸過程中存在發(fā)生微弱變化的可能性。當(dāng)運(yùn)輸介質(zhì)為空氣時，獲得如圖7所示測量頻率，平均值為f1=41.8 kHz；當(dāng)運(yùn)輸介質(zhì)為油品時，獲得如圖8所示測量頻率，平均值為f2=40.9 kHz。這表明電容的大小會因?yàn)檫\(yùn)輸介質(zhì)的改變而改變，并引起方波信號頻率的變化，頻率大小順序?yàn)閒2

圖7 空氣介質(zhì)測量結(jié)果Fig.7 Measurement results of air medium

圖8 油品介質(zhì)測量結(jié)果Fig.8 Measurement results of oil medium

5 實(shí)例分析

測試方式是將系統(tǒng)監(jiān)測到的“液位”信息向電量信息轉(zhuǎn)化[9]。轉(zhuǎn)化后通過FPGA開展通道采樣，在保障系統(tǒng)所有模塊都具備正常供電的前提下連接所有電路模塊，依次測試各模塊性能。將安全系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行連接處理，讓JTAG接口通過FPGA向數(shù)據(jù)采集電路下載控制程序，以6.25 kHz采樣頻率對傳感器部分?jǐn)?shù)據(jù)以及電極數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，將采集數(shù)據(jù)從串口進(jìn)行傳輸，得到數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表3 ADC數(shù)據(jù)采集測試Tab.3 ADC data acquisition test

由表3可知，該系統(tǒng)實(shí)際測量中出現(xiàn)的最大誤差為9 mV，這表明該安全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性良好，能較好地監(jiān)測儲運(yùn)管道的油氣運(yùn)輸情況，并及時發(fā)現(xiàn)滲漏等問題，避免危機(jī)事故的發(fā)生。

6 結(jié)語

油氣儲運(yùn)管道是油氣資源運(yùn)輸、供給的重要工具，其運(yùn)輸安全不僅關(guān)系到國家能源的安全、社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，還關(guān)系到生態(tài)環(huán)境的健康及人身安全。由于油氣儲運(yùn)管道所處的工作環(huán)境惡劣且復(fù)雜，加之自身使用功能的特殊性，所以其運(yùn)輸安全會受到多種因素的影響，存在很多風(fēng)險類型[10]。對于油氣儲運(yùn)管道的設(shè)備安全問題，除持續(xù)加強(qiáng)防腐技術(shù)來提高設(shè)備設(shè)施防滲漏外，還要結(jié)合軟件技術(shù)，監(jiān)控油品的運(yùn)輸過程，做到準(zhǔn)確控制油品運(yùn)輸，防止因?yàn)檫\(yùn)輸不當(dāng)引起各類事故，造成財(cái)產(chǎn)損失。