建筑健康監控系統在石油化工裝置中的應用

丁雷

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

隨著石油化工生產裝置規模的不斷擴大，跨度大、高度高的工藝裝置越來越多，而裝置所在的建筑物風險又總與颶風、雨雪、地震、滑坡、沉陷等自然因素，和振動、事故、材料使用等技術因素息息相關，因此對于建筑物及其周邊的環境實施定期、自動的監測就變得越來越重要。建筑健康監控系統一方面能夠通過及時捕捉建筑物的特征信息，積累大量有效數據，當監測指標超過設定閾值時進行報警，從而實現及時發現問題、排除隱患，避免可能發生的重大事故；另一方面該監控系統能夠為生產人員了解建筑物的性能及健康狀態提供數據支撐，通過對監測數據的分析，及時發現結構的薄弱環節，用以指導建筑物的施工及后期日常維護，有效降低施工風險和維護成本。本文以在“一帶一路”沿線某國實施的丙烷脫氫綜合體裝置為例，對該監控系統在石油化工裝置中的應用進行闡述和分析。

1 系統框架構成

建筑健康監控系統主要由現場傳感器、多通道數據采集儀、網絡系統，以及包含數據顯示、存儲、歷史數據查詢、超限自動報警等功能的監測系統組成，其中應用較為廣泛的包括傾角、加速度和風速等類型傳感器，采集儀將現場多個傳感器信號采集后通過有線或無線網絡系統上傳至該監控系統，該監控系統通過數據存儲和分析實現對建筑物結構的有效監控。建筑健康監控系統的框架如圖1所示。

a) 有線數據傳輸

2 系統傳感器檢測原理

2.1 傾角傳感器

傾角傳感器用于監測建筑施工和生產運行中由于環境因素導致荷載變化而產生的建筑物變形偏差。當建筑物產生傾斜變形時，形變通過安裝支架傳遞給該傳感器，該傳感器內裝有電解液和導電觸點，當傳感器發生傾斜變化時，電解液的液面始終處于水平，但液面相對觸點的部位發生了改變，也同時引起了輸出電量的改變。該傳感器隨建筑物的傾斜變形量與輸出的電量呈對應關系，以此可測出建筑物的傾斜角度，同時該傳感器的測量值可顯示出以零點為基準值的傾斜角變化的正負方向。

2.2 加速度傳感器

加速度傳感器用于監測裝置設備的固有頻率和振動、風和雪荷載對結構的影響以及分析地震效應等環境因素。該傳感器采用電容式工作原理，當彈性膜片在外力作用下發生位移，電容量將發生變化，該電容值被轉化成比例電壓輸出，通過測量電壓變化實現對加速度的監測。

該傳感器除了測量加速度以外還可以兼做傾角傳感器使用，用以監測建筑物的靜態傾角，在該情況下，傾角由加速度(傳感器自身加速度和重力矢量的疊加)在坐標軸上投影大小決定。測量原理如圖2所示。

圖2 加速度傳感器測量建筑物靜態傾角原理示意

圖3中傾角α的計算如式(1)所示：

(1)

式中:ax——x軸加速度值；ay——y軸加速度值；az——z軸加速度值。

2.3 風速傳感器

該監控系統的風速傳感器一般采用超聲波時差法原理。聲音在空氣中的傳播速度，會與風向上的氣流速度疊加。當超聲波的傳播方向與風向相同，傳播速度會加快；反之，當超聲波的傳播方向與風向相反，傳播速度會變慢。因此，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風速函數對應，通過該監控系統軟件計算可得到精確的風向和風速值。

3 系統設計方案

該監控系統的設計原則在于通過可靠的傳感器搜集建筑物結構受力與變形等數據，由數據處理單元進行建筑物結構健康運算與監測，最后將重要信息發送到管理網頁與應用程序，讓生產人員能夠隨時了解建筑物及周邊環境狀態。在該監控系統設計上，依循以下幾項原則。

3.1 兼顧建筑物結構安全與綜合性指標

裝置對于環境因素所造成的建筑物結構安全問題，兼顧測量準確性和經濟性，選擇監測主要建筑物和關鍵指標。在丙烷脫氫反應單元、冷卻冷凍單元、壓縮單元的結構立柱和建筑面積超過3.7×104m2倉庫的結構立柱以及倉庫屋頂金屬桁架上設計安裝傾角傳感器，主要監測各單元框架結構由于可變荷載及地基沉降可能造成的建筑物傾斜變形；在丙烷脫氫反應單元和壓縮單元設備上方屋頂設計安裝加速度傳感器，主要監測由于丙烷脫氫反應單元建筑物荷載變化和壓縮單元壓縮機振動對建筑物結構產生的影響；在丙烷脫氫反應單元建筑物頂部開放區域，設計安裝風速傳感器，監測環境風向和風速。

3.2 選擇性能可靠的監測設備和網絡系統

裝置按照建筑物結構測點實際位置設計安裝了性能可靠的雙軸傾角、三軸加速度和超聲波風速傳感器。傾角傳感器按軸向可分為單軸傾角傳感器和雙軸傾角傳感器，在安裝方式上傾角傳感器可以選擇水平安裝和垂直安裝，單軸傾角傳感器只能測量某一方向的角度，雙軸傾角傳感器則可以測量互相垂直的2個方向的角度。雙軸傾角傳感器可以完成單軸傾角傳感器的測量功能要求，并且同時能夠測量物體的滾轉角和俯仰角，多次測量同一物體的不同方向角度再求均值測量出較準的角度，大幅提升了測量精準度。

考慮建筑物所在地氣候與低溫環境因素，設計選擇耐低溫型傳感器和數據采集儀，避免環境影響導致傳感器失效。由于部分傾角傳感器根據監測要求需要安裝在爆炸性氣體環境，因此該部分傳感器與對應的數據采集儀設計選擇了能夠滿足防爆等級要求的隔爆型產品。傾角傳感器和加速度傳感器在實際應用時往往具有較大的非線性誤差和溫度漂移誤差，為了提高測量精度，傾角傳感器和加速度傳感器設計選擇上都配置了半導體溫度傳感器進行溫度補償，現場溫度傳感器同時還能夠輸出溫度信號，監測傳感器安裝地點的環境溫度。

該監控系統采用的傳感器數量較多，同時現場干擾因素也多，對信號數據傳輸的準確性和穩定性都提出了較高的要求。為保證傳輸數據的可靠性，該系統采用采集頻率高、速度快且數據穩定的有線傳輸的連接方式，即傳感器監測信號經采集儀、集線器后由生產單元通過單模光纖連接至控制室內的串口服務器和交換機，最后將數據存儲至服務器。多通道數據采集儀將多臺傳感器設備信號接入監控系統網絡，主要特點是采用光隔離信號通道，電路設計提供較高的穩定性和抗噪性并可應用于廣泛的溫度和濕度范圍，有效抑制信號傳輸過程中的干擾。

3.3 監控系統具有彈性擴展功能

該監控系統的監測指標涵蓋建筑物變形監測、結構監測和環境監測，其中傾角傳感器在監測建筑物傾斜角度變化外，還能夠通過系統軟件計算實現對傳感器安裝位置間的水平偏移量以毫米為單位進行測量，加速度傳感器在監測建筑物振動變化外，也能夠通過系統軟件計算實現對傳感器安裝位置的建筑物傾斜角度測量。

該監控系統具有開放的框架結構和標準化的數據接口，可與第三方廠商軟硬件設備兼容，支持各種監測傳感器、GPS、火警報警系統等實現綜合的生產管理解決方案。該監控系統軟件可根據監測數據評估建筑物健康狀態，將相同監測項目的不同數據進行對比，監測數據在后臺分析評估后，當指標出現異常時，除在系統平臺報警外，還能夠通過郵件、短信等方式及時將報警信息推送到到生產人員的手上，有利于問題及時處理并提供了工程處理措施的參考依據。生產人員也可以通過系統軟件隨時查詢各監測點的狀態以及監測數據是否處于合理范圍中，隨時掌握建筑物的健康狀態。

4 結束語

自動化系統在工業生產中的廣泛應用，將傳統土木工程建筑物結構同信息化、數據化緊密結合，建筑健康監控系統將采集到的大量建筑物結構狀態數據進行統一管理、分析、報警、預測，用真實數據體現建筑物的健康狀態，相信在石油化工生產裝置上將有更為廣闊的應用前景。