手動閥室一體化泄漏監測終端的研制

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.河北工業大學電氣工程學院，天津 300130）

0 引言

隨著油氣管道事業的發展，管道泄漏監測技術（包括負壓波技術）對管道安全保障的作用越來越大。由于一些管道里程數的不斷增大，油氣管道站場間及站場與RTU閥室間的距離越來越大，有些地區已經超出了在役負壓波泄漏監測系統的有效監測范圍。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增設泄漏監測終端。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，會出現因征地、通信和供電等方面原因造成建設成本過高的問題。

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

1 負壓波泄漏監測技術

目前國內油氣管道所使用的大部分泄漏監測系統均采用負壓波技術，其監測原理是：當管道發生泄漏事件時，在泄漏點處會產生負壓波，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）可以監測到該負壓波信號，從而判斷管道是否發生泄漏；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，可能導致負壓波信號過度衰減，無法被正確監測。負壓波泄漏監測原理如圖1所示。

圖1 負壓波泄漏監測原理示意

圖中，設t1和t2為發生泄漏后管道上、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 一體化泄漏監測終端

該終端共分為三個子系統：泄漏監測子系統、電源控制子系統、通信管理子系統。終端工作原理如圖2所示。泄漏監測及通信管理子系統均采用低功耗模塊化設計，整個系統通過與管道同溝敷設的光纖與遠端監控計算機通信。

圖2 一體化泄漏監測終端工作原理示意

2.1 泄漏監測子系統

泄漏監測子系統包括泄漏監測傳感器和泄漏監測控制模塊。泄漏監測傳感器通過信號電纜將采集到的信號發送給泄漏監測控制模塊，泄漏監測控制模塊再將信號進行數字采樣處理后發送給通信管理子系統，同時保存最新數據。

2.2 電源控制子系統

電源控制子系統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供電，電源控制模塊可根據天氣狀況在兩者之間自由切換。當因連續惡劣天氣導致蓄電池電量不足時，電源控制模塊會將此信息發送給遠端監控計算機。

2.3 通信控制子系統

通信控制子系統包括通信控制模塊和光纖交換機。該子系統功能是：將泄漏監測實時數據上傳至遠端監控計算機；接收監控計算機發送來的系統設置信息；保證泄漏監測終端與整個泄漏監測系統時間同步。

3 一體化泄漏監測終端設計

（1）因為油氣管道手動閥室內部面積小，而且大部分空間被設置為防爆區域，剩余空間有限，所以必須要求一體化泄漏監測終端占地面積小。圖3為一體化泄漏監測終端在蘭鄭長成品油管道11#手動閥室的平面布設示意圖，監測終端整體占地面積不超過3.5 m2。

圖3 一體化泄漏監測終端布設示意/m

（2）因為整個監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需要考慮安裝方位，蓄電池的裝設需要考慮環境的溫度、濕度和防水要求，所以監測終端采用如圖4所示的總體安裝方式。

泄漏監測傳感器信號傳輸用鎧裝電纜，該電纜經去鎧后與SCADA通信光纜通過泄漏監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測終端柜。

圖4 一體化泄漏監測終端安裝示意

（3）因為手動閥室內部一般使用碎石鋪設地面，所以為保證一體化泄漏監測終端安裝的穩定性，需要設計用來固定泄漏監測終端的穩固基座，其設計結構如圖5所示。

圖5 一體化泄漏監測終端基座設計示意/mm

（4）為節省功耗，終端從閥室外引入與油氣管道同溝敷設的SCADA系統通信光纜進行數據傳輸，保證了泄漏監測數據的實時性。

4 系統特點及優勢

本文所提出的一體化泄漏監測終端首次將泄漏監測技術應用到油氣管道手動閥室，解決了因管道場站、RTU閥室間距過長導致的泄漏監測系統失效問題，保證了生產安全。

一體化泄漏監測終端在滿足功能需求的前提下，結構緊湊，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的SCADA通信光纜的兩芯光纖向監控中心傳輸泄漏監測數據。整個一體化泄漏監測終端成本僅為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），經濟優勢明顯，而且安裝及運行維護便利。

終端采用低功耗嵌入式架構，終端各模塊均為低功耗工業級模塊，整體功耗低于15 W，系統工作狀態穩定，使用壽命長，能適應苛刻的現場環境要求。

5 結束語

目前一體化泄漏監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用，已經穩定運行1年左右，大大拓展了泄漏監測技術在長輸油氣管道上的應用范圍。

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