基于LabVIEW的壓力脈動分析儀

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基于LabVIEW的壓力脈動分析儀

余高陽1，王見1，馮丞科2

（1.重慶大學測試中心，重慶400044；2.西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶400021）

摘要：在天然氣運輸前的增壓過程中，由于壓縮機的往復式運動，會產(chǎn)生壓力脈動現(xiàn)象，從而引起管路系統(tǒng)振動。為測試壓力脈動過程，利用LabVIEW設計一種壓力脈動分析儀。該儀器結合虛擬儀器和信號分析處理技術，采集并分析壓力傳感器的數(shù)據(jù)，可快速檢測出管路系統(tǒng)中各測點的壓力脈動值，找出不合格的測點并采取相應的措施來減小這些測點處的振動值，保證安全生產(chǎn)。該壓力脈動分析儀已在多處天然氣增壓站投入使用，取得了良好的使用效果。

關鍵詞：壓力脈動；LabVIEW系統(tǒng)；虛擬儀器；信號處理

收到修改稿日期：2013-01-13

0　引言

管路振動會直接影響設備的安全運行，強烈的振動會使管道本身及與之相連的構件產(chǎn)生疲勞損傷，積累到一定程度會形成裂紋，特別是在焊縫等性能較差并承受較高應力的部位；管路振動會縮短其使用壽命并會影響與管路系統(tǒng)相連的壓縮機機組的安全狀況，為站場安全平穩(wěn)生產(chǎn)埋下安全隱患[1]。

往復式壓縮機管路系統(tǒng)的振動是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題，其主要原因有3種：（1）管道內(nèi)由于往復式壓縮機的吸、排氣速度不均造成的氣流壓力脈動所產(chǎn)生的氣柱振動；（2）氣流壓力脈動在管件彎頭等處對管路結構系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊振動；（3）管道的機械振動[2-3]。因此，檢驗管路系統(tǒng)各處的壓力脈動值是否合格顯得尤為重要。本文介紹的是用LabVIEW開發(fā)的壓力脈動分析儀，可方便快速地測出計算壓力脈動值時所需的參數(shù)值，并把運用這些參數(shù)值計算出的壓力脈動值與API618規(guī)定的最大許用壓力脈動值作比較，從而檢測各測點處的壓力脈動值是否合格。1壓力脈動分析儀的硬件組成

壓力脈動分析儀由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理器、計算機及在其上運行的用LabVIEW開發(fā)的應用軟件組成[4]，如圖1所示。該壓力脈動分析儀通過傳感器拾取壓力信號，將其轉換為電信號，經(jīng)過調(diào)理放大器對電信號進行濾波及放大后，再由數(shù)據(jù)采集卡采集并傳給計算機，最終由計算機上的LabVIEW軟件對信號進行處理[5-6]。

圖1　壓力脈動分析儀硬件組成

傳感器是整個系統(tǒng)所需信號的源頭，其性能直接影響整個系統(tǒng)的準確性和可靠性。本系統(tǒng)采用獅威ND-1通用小型壓力變送器，其量程為0～60 MPa，精度為0.1級、0.2級和0.3級，過載能力為300%FS，響應時間≤1ms，使用溫度范圍在-20～85℃之間，防爆等級為本安型ExiaIICT6。采集卡采用NI公司的24位的NI USB-9234高速數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡采用USB接口，擁有4個高速采集通道，每通道的最高采樣速率可達51.2kS/s。

2　壓力脈動分析儀軟件設計

在本設計中采用LabVIEW作為軟件開發(fā)工具。壓力脈動分析儀軟件設計主要包括前面板和框圖程序的設計。前面板是用來操作各種控件和觀測輸入信號的波形及頻譜的用戶界面，其設計模仿實際儀器，利用軟件生成了顯示窗口、調(diào)節(jié)旋鈕、按鈕、指示燈等部件，但是儀器的操作、調(diào)節(jié)均由鼠標操作完成[7]。設計前面板時充分利用LabVIEW軟件的優(yōu)點，綜合考慮整體的觀賞效果和數(shù)據(jù)觀測的便利性，隱藏或刪除不必要顯示的部分，建立友好的人機交互式界面。在使用過程中，用戶能同時觀察時域波形和頻域分析結果?？驁D程序用來控制數(shù)據(jù)流的流動方向，完成系統(tǒng)的編程。本文設計的壓力脈動分析儀的軟件結構如圖2所示。

圖2　壓力脈動分析儀軟件結構框圖

本文設計的壓力脈動分析儀由開始（在線測試）、記錄、數(shù)據(jù)分析和回放4個模塊組成。在線測試模塊是為了檢查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否正常采集到信號。當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能正常采集到數(shù)據(jù)時，波形圖顯示區(qū)域會實時顯示采集到的數(shù)據(jù)曲線。當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能正常采集到數(shù)據(jù)時，則會彈出數(shù)據(jù)采集卡錯誤對話框；記錄模塊的功能是使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照設置的參數(shù)采集信號并將其保存到指定的位置。可設置的參數(shù)有每屏點數(shù)、采樣頻率、進行頻譜分析時所使用的窗函數(shù)的類型以及記錄長度。每次保存的數(shù)據(jù)文件是以采集日期和時間命名的，以方便進行查詢；回放模塊是為了查看已保存的數(shù)據(jù)文件；數(shù)據(jù)分析模塊是為了對已保存的數(shù)據(jù)進行分析。在數(shù)據(jù)分析模塊中，首先是根據(jù)自己的需要選擇打開記錄模塊中保存的數(shù)據(jù)文件；然后是進行波形處理得到合適的波形并進行波形剪切、峰值搜索等操作，此時可以直接從前面板上讀取計算壓力脈動值時所需要的參數(shù)值；最后可根據(jù)實際需要將數(shù)據(jù)分析的結果在指定的位置保存為文本文件或者生成word報表。

3　測試實例

某天然氣增壓站于2012年3月對工藝區(qū)計量管段的部分位置進行測試，具體測試情況如下。

3.1測試點的分布

測試點的選擇至關重要，其關系到所測的數(shù)據(jù)能否全面反映整個系統(tǒng)的運行狀況。測試位置應該為壓縮機管道系統(tǒng)的進、排氣管道，壓縮機、工字鋼支架和混凝土基礎，管道的Z型拐彎處、閥門處、彎頭、異徑管、分支處，站場工藝區(qū)門字架、計量管線和過濾分離器等[8]。本次測試的是工藝區(qū)計量管段，其具體測試點的位置分布如圖3所示。

圖3　工藝區(qū)計量管段測試點分布圖

3.2壓力脈動值的計算

3.2.1壓力脈動值的計算

壓力脈動值用管線平均絕對壓力的百分比來表示[9]。由壓力脈動分析儀可測得各次采樣所得數(shù)據(jù)的波峰壓力Pma（xMPa）、波谷壓力Pm（inMPa）和平均絕對壓力P（LMPa），則計算所得的壓力脈動值P為

P=ΔP×100%

PL

式中：ΔP——最大脈動值，ΔP=Pmax-Pmin。

表1　測試數(shù)據(jù)1

表2　測試數(shù)據(jù)2

3.2.2 API618規(guī)定脈動最大值

參照API618標準[10]，對輸送氣體管路系統(tǒng)的壓力脈動峰峰值規(guī)定值（評判標準）的計算公式，應滿足以下規(guī)定的要求。

式中：P1——任何離散頻率下的最大許用峰峰值，用管線平均絕對壓力的百分比來表示；PL——平均絕對管線壓力，bar（1bar=105pa）。

3.3測試結果

用壓力脈動分析儀測得的數(shù)據(jù)及計算結果如表1所示?？梢钥闯?，點2（計量管拐彎管段）、點5（計量管球閥至埋地管段）和點6（埋地管至門架球閥段）的壓力脈動值是不合格的。為保證整個系統(tǒng)安全平穩(wěn)生產(chǎn)，工作人員采取了一系列措施來減小這些位置的壓力脈動值使之在API618標準的規(guī)定值之內(nèi)。這些措施包括：對點2、點5和點6三處增加了入地管箍的數(shù)目；將2處的彎管更換為半徑更大的彎管；對點5與點6之間的埋地管整體澆注水泥并夯實。

當上述改善措施完成后，再次對這些不合格位置處的壓力脈動值進行測量，其測量結果見表2?？梢钥闯觯鲜霾扇〉拇胧┦怯行У?，不合格位置處的壓力脈動值均減小到了API618標準的規(guī)定值內(nèi)。

4　結束語

本文介紹的壓力脈動分析儀是在工程實踐經(jīng)驗的基礎上，結合實踐需要而設計開發(fā)出來的應用軟件。其穩(wěn)定可靠，操作便捷，能快速檢測出由壓力脈動引起管路系統(tǒng)劇烈振動的壓力脈動值是否合乎API618的標準，從而采取相應的措施來減小管路系統(tǒng)振動程度，保證安全平穩(wěn)生產(chǎn)。此外該系統(tǒng)只設計了一些基本的功能，它還具有良好的擴展性，能利用該框架設計出更多復雜的功能模塊。

參考文獻

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Pressure fluctuation analyzer based on LabVIEW

YU Gao-yang1，WANG Jian1，F(xiàn)ENG Cheng-ke2

（1.Test center，Chongqing University，Chongqing 400044，China）2.Chongqing Gas District of Southwest Oil and Gas Company，Chongqing 400021，China）

Abstract:The pipeline of the CNG transportation system often vibrates since pressure fluctuation for the reciprocating motion of the compression engine in the pressurization process. In order to measure pressure fluctuation，an analyzer based virtual instrument and signal processing was developed with LabVIEW. The pressure fluctuation of pipeline system can be test rapidly through collecting and analyzing the data from the pressure sensor. The point of pressure dissatisfaction can be found by comparing with API618，and further steps to reduce vibration can be followed up to avoid accident. This analyzer has been used in some CNG stations and achieved good results.

Key words:pressure fluctuation；LabVIEW；virtual instrument；signal processing

收稿日期：2012-11-20；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.022

文章編號：1674-5124（2013）05-0080-03

文獻標志碼：A

中圖分類號：TP311.59；TH823+.2；TM930.113；TP274+.2

作者簡介：余高陽（1987-），男，湖北隨州市人，碩士研究生，專業(yè)方向為網(wǎng)絡虛擬儀器技術。