基于Wireless HART的管網(wǎng)聲波無線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

陳 帥，崔振偉，李鳳姿

（1.中國石油規(guī)劃總院，北京 100083；2.北京中鐵科客貨運(yùn)輸技術(shù)有限公司，北京 100081）

基于Wireless HART的管網(wǎng)聲波無線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

陳 帥1，崔振偉1，李鳳姿2

（1.中國石油規(guī)劃總院，北京 100083；2.北京中鐵科客貨運(yùn)輸技術(shù)有限公司，北京 100081）

0 引言

煉油化工作為典型的流程工業(yè)，生產(chǎn)過程中存在大量的流體如石油、燃?xì)獾龋@些介質(zhì)需要通過管道進(jìn)行輸送。但是，由于管線老化、閥門損壞、介質(zhì)腐蝕等各種原因，石化企業(yè)時(shí)常會(huì)發(fā)生管線泄漏事故，從而導(dǎo)致發(fā)生爆炸、中毒等事件的發(fā)生，造成重大的財(cái)產(chǎn)損失以及環(huán)境污染。因此，為了保證企業(yè)的安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行，加強(qiáng)對管道的泄漏監(jiān)測以及介質(zhì)排放監(jiān)測是非常必要的且有重大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前管道泄漏的診斷方法有熱紅外成像法、漏磁檢測法、負(fù)壓波檢測法、光柵檢測法等，但每種方法均有應(yīng)用的局限性，或者造價(jià)昂貴或者系統(tǒng)自身存在一定缺陷?；诼暡ǖ墓艿辣O(jiān)測是目前使用較為方便，性價(jià)比較高的一種方法。聲波監(jiān)測的原理是當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生聲波信號，聲波信號沿著管壁向遠(yuǎn)處傳播。因此，在管道上安裝聲波監(jiān)測傳感器并對傳感器的信號進(jìn)行分析，可以監(jiān)聽管道的泄漏情況[1]。

一套完整的聲波監(jiān)測系統(tǒng)包括聲波傳感器，數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。目前多數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)仍采用有線的方式連接，即從聲波傳感器到數(shù)據(jù)采集卡到服務(wù)器處理，均通過電纜的形式連接。這種傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)需要在現(xiàn)場大量的布線，而且需要有合適的位置安裝設(shè)備及接線盒等，成本高，現(xiàn)場施工難度大。而無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)無需現(xiàn)場布線，安裝簡單、維護(hù)方便。因此，在一些對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不太苛刻的場合，無線監(jiān)測系統(tǒng)具有突出的優(yōu)勢。

1 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Wireless HART作為工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)之一，工作在工業(yè)、科技和醫(yī)療頻段（ISM頻段），無需申請即可使用，該頻率采用DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和FHSS跳頻技術(shù)來保證安全和可靠性，并采用時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

Wireless HART具有自組織、多跳、高可靠性、高安全性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，它可以采用全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、冗余鏈路進(jìn)行通訊。因此，即使一條通訊鏈路受到干擾，無線設(shè)備也能夠重新選擇其他最優(yōu)冗余鏈路進(jìn)行通訊，從而保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，具有高度的自愈性和可靠性。Wireless HART的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為兩層，如圖1所示，第一層是現(xiàn)場無線設(shè)備組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的多跳傳輸無需人工介入，網(wǎng)絡(luò)自身的特性可以避免由于上位PC的故障而導(dǎo)致現(xiàn)場設(shè)備的掉線和無法切換路徑等問題；第二層是網(wǎng)關(guān)和主機(jī)系統(tǒng)的無縫集成。網(wǎng)關(guān)和主機(jī)系統(tǒng)之間可以通過多種通訊接口連接，如以太網(wǎng)通訊接口、Modbus TCP通訊接口、OPC通訊接口、RS-485串口通訊接口等方式。本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)方式，通過光纜連接主機(jī)。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 管線泄漏及介質(zhì)排放聲波模型

當(dāng)輸氣管線發(fā)生泄漏或者介質(zhì)排放時(shí)，由于管內(nèi)壓力產(chǎn)生變化，從而形成管內(nèi)特殊的聲學(xué)事件。通過在管線上安裝相應(yīng)的聲波傳感器，監(jiān)測聲學(xué)事件，進(jìn)而判斷管線泄漏情況以及介質(zhì)是否正常排放。輸氣管線中泄漏聲波的頻率主要集中在管道的截止頻率（千赫茲）以下，因此管線中傳播的聲波主要是平面波。

圓管中平面波的截止頻率為[2]：

式中：k10為（1,0）次波的波數(shù)分量；f10為圓管中平面波的截止頻率，Hz；a為圓管半徑，m。

根據(jù)試驗(yàn)測試，頻率小于100Hz的次生和可聽聲波部分可以在管內(nèi)長距離傳播，因此，可以認(rèn)為其以一維平面波模式傳播?？紤]到媒質(zhì)粘滯吸收和熱傳導(dǎo)作用，泄漏及介質(zhì)排放聲波模型如下：

式中，P0為初始時(shí)刻聲波幅值，Pa；a為聲波阻尼吸收系數(shù)，m-1；ω為角頻率，ω=2πf，而f為聲波頻率，Hz；ρ0為介質(zhì)密度，kg/m3； 為介質(zhì)切變粘滯系數(shù)，Pa.s； 為介質(zhì)容變粘滯系數(shù)，Pa.s； 為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m.K)；cv為比定容熱容，kJ/(kg.K)；cp為比定壓熱容，kJ/(kg.K)；r為管徑，m；c0為傳播速度，m/s；σ為調(diào)節(jié)系數(shù)，與管道形狀有關(guān)。

由于現(xiàn)場管道的半徑較小，管道形狀多以直管道為主，少量分支。因此，結(jié)合現(xiàn)場情況和測試環(huán)境，選擇調(diào)節(jié)系數(shù)σ=1.2[3]。

3 基于聲波模型和無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測分析

根據(jù)管線泄漏聲波模型，利用聲波傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析，對現(xiàn)場介質(zhì)排放的情況進(jìn)行測試。測試環(huán)境為某石化企業(yè)加氫聯(lián)合裝置，通過開關(guān)閥門來模擬管線的泄漏，從而判斷介質(zhì)是否排放以及排放量的大小，并驗(yàn)證聲波監(jiān)測的準(zhǔn)確程度。測試共選擇A、B、C、D、E共5個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)實(shí)時(shí)采集聲波信號，同時(shí)記錄閥門開度，所有數(shù)據(jù)回傳到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行分析處理。傳輸方式采用Wireless HART無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，通過多跳的方式進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸。測試結(jié)果如圖2所示（選取C點(diǎn)為例）。

圖2 測試結(jié)果對比圖

從圖中可以看出，聲波曲線的變化與閥門開度相關(guān)，并且與閥門開度曲線呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，聲波的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以有效反應(yīng)管道泄漏的趨勢，進(jìn)而判斷介質(zhì)排放的情況。因此，通過對各點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)中存在泄漏的管道，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)管道中的泄漏來源于哪個(gè)安全閥，從而確定泄漏管道所屬裝置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常問題，有效的保證生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過在生產(chǎn)現(xiàn)場的測試應(yīng)用，基于Wireless HART的無線聲波監(jiān)測系統(tǒng)可以有效的監(jiān)測管道泄漏情況。該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的有線監(jiān)測，大大地簡化了施工安裝工作量，同時(shí)也可以及時(shí)的反應(yīng)閥門開度的大小，較好地解決管道泄漏或介質(zhì)排放的問題。系統(tǒng)的應(yīng)用還可以幫助用戶提升了物料平衡水平，進(jìn)而促進(jìn)節(jié)能減排，助力企業(yè)生產(chǎn)效率和效益的提升。但是由于石化裝置金屬管網(wǎng)密集，無線網(wǎng)絡(luò)信號的穩(wěn)定性受到一定影響，模型的匹配程度還需要進(jìn)一步提升，但是此系統(tǒng)仍然為在煉化企業(yè)進(jìn)行相關(guān)的無線聲波監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用作出了一些探索。

[1]華科,葉昊,王桂增,等.基于聲波的輸氣管道泄漏檢測與定位技術(shù)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(8):181-183.

[2]何琳,朱海潮,邱小軍.聲學(xué)理論與工程應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3]孟令雅,付俊濤,李玉星,等.輸氣管道泄漏音波信號傳播特性及預(yù)測模型[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào),2013,37(2):124-129.

Application of wireless monitoring system of acoustic wave based on Wireless HART

CHEN Shuai1, CUI Zhen-wei1, LI Feng-zi2

煉化企業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，最明顯和直觀的反應(yīng)是火炬尾氣的排放會(huì)突然增加，因此，對火炬尾氣管道的監(jiān)測可以迅速的掌握裝置的運(yùn)行狀況。通過聲波傳感器對尾氣管道的泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測，分析了尾氣管道泄漏聲波的產(chǎn)生形式和傳播特性，利用管道模型對閥門開度進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，通過Wireless HART無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)采集信號到計(jì)算機(jī)分析服務(wù)器，對聲波信號進(jìn)行分析比對。結(jié)果顯示，無線聲波監(jiān)測系統(tǒng)可以較好的反應(yīng)閥門開度趨勢，聲波信號的曲線與閥門開度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。通過測試驗(yàn)證，無線聲波監(jiān)測系統(tǒng)可以較好的監(jiān)測閥門泄漏情況，從而判斷介質(zhì)的排放程度，幫助企業(yè)及時(shí)的掌握裝置的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題。

煉化裝置；管道泄漏監(jiān)測；無線網(wǎng)絡(luò)；Wireless HART；聲波模型

陳帥（1986 -），男，河南人，助理工程師，碩士研究生，主要從事煉化企業(yè)信息化建設(shè)工作。

TP273

B

1009-0134(2015)12(上)-0053-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.14

2015-09-11