小口徑輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計

劉銀輝，趙航，吉李滿

(吉林工程技術師范學院 信息工程學院，長春 130052)

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小口徑輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計

劉銀輝，趙航，吉李滿

(吉林工程技術師范學院 信息工程學院，長春 130052)

研究和設計了一種從采油井口到計量間的小口徑石油輸送管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過感測地埋管線的溫度以及計量間內(nèi)管線所在環(huán)路的壓力和溫度，結合了有線和無線兩種傳輸方式，用短距離無線通信和Internet完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，報警信息和管線參數(shù)亦可通過Internet發(fā)送到維護管理人員的智能手機，實現(xiàn)了該段小口徑輸油管線泄漏狀況的全面監(jiān)測。

小口徑輸油管線 風光互補供電 溫度 壓力

University, Changchun, 130052, China )

由于年久腐蝕、偷盜破壞等多種原因，管道泄漏事故時有發(fā)生，由此造成資源嚴重浪費，并且污染環(huán)境。聯(lián)合站到聯(lián)合站之間的大口徑輸油主干管線泄漏監(jiān)測已經(jīng)獲得廣泛關注，與此不同，采油井口到計量間的輸油管線由于管徑小、管壓低、傳輸距離短，少有關注。然而這段小口徑管線主要分布在農(nóng)田地中，穿過溝塘水渠，一旦泄漏，資源浪費雖小，但環(huán)境污染并由此帶來的經(jīng)濟損失也是十分巨大的?？墒前熏F(xiàn)有的輸油主干管線泄漏監(jiān)測手段用于這些小口徑輸油管線，出于成本和精度考慮均不適合。為此，建立1套有效的小口徑石油輸送管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，當泄漏發(fā)生以后，能夠及早發(fā)現(xiàn)泄漏及其位置，從而使工作人員能夠立即停止電機，關閉閥門，減少損失，具有重要的意義。

1 系統(tǒng)概述

該課題研究的小口徑輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，是以WSN方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與控制，終端設備通過初始設置后，可直接通過無線方式對輸油管線的壓力和溫度等參數(shù)實時采集，數(shù)據(jù)發(fā)回至上位機后，通過系統(tǒng)分析，及時發(fā)現(xiàn)泄漏并送出報警信息。報警信息和管線參數(shù)亦可通過Internet發(fā)送到維護管理人員的智能手機，系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件構成

2.1 測溫傳感器陣列

輸油管線在鋪設或維修過程中，將測溫傳感器陣列布置到管線上。測溫傳感器使用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，該傳感器感測溫度范圍在-55～125℃，最小精度達6.25×10-2℃，充分滿足了工程實際需求。采用以Mega128為核心的控制板，控制板上設置有8組傳感器接線端子，每組包括3個連接點：VCC，GND，Qn;1組RS-485通信端子。使用3芯屏蔽線分別將8只DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器連接到控制板的傳感器接線端子上；控制板的通信端子連接1條4芯屏蔽線，延伸至地面以上，連接電源和無線通信裝置；Mega128核心控制板及接線端子被密封在防水盒中。安裝施工時，沿著某1條輸油管線，以防水盒為中點，每間隔4m左右布置1只，向前后兩個方向各安排4只DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，采用綁縛方式，固定在管壁下方，從而實現(xiàn)對1條長度為30m左右輸油管線的監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)結構示意

2.2 供電與無線通信

因為輸油管線穿行于廣闊的農(nóng)田，基于成本和安全因素考量，測溫傳感器陣列的供電部分沒有取自輸電電網(wǎng)，而是設計采用太陽能和風能互補的供電系統(tǒng)。該供電系統(tǒng)被安裝在每一處測溫傳感器陣列掩埋點的旁邊，由于測溫傳感器陣列需要直流12V直流電源，為此太陽能和風能互補的供電系統(tǒng)包括了50W/18V單晶太陽能電池板、100W/12V風力發(fā)電機、100A·h/12V鉛酸蓄電池和埋地箱體、200W/12V風光互補控制器、8m高燈桿。Mega128核心控制板延伸至地面以上4芯屏蔽線的+12V端和GND端，分別連接到風光互補控制器的直流負載端的正、負端子上。

因為測溫傳感器陣列掩埋點通常遠離采油生產(chǎn)隊的計量間，在控制中心與核心控制板之間，采用2.4GHz無線通信模塊架起通信橋梁。工作在ISM頻段，功率達100mW，傳輸距離超過2km，以四線制模式完成RS-485透明傳輸。

無線通信的從模塊被安裝在防雨配電箱中，該箱體被安裝在距離地面5m的高處，與供電系統(tǒng)使用同1根燈桿，一方面可以獲得良好的通信條件，減少農(nóng)作物和樹木對信號的影響，另一方面可以防止被破壞。燈桿豎立在開闊的田地中，無線通信模塊被置于高處，并且使用吸盤天線，故需要采取防雷措施，設計使用RS-485/12V導軌式信號避雷保護器，信號避雷保護器進線端連接Mega128核心控制板延伸至地面以上4芯屏蔽線的D+端和D-端，信號避雷保護器的出線端分別連接無線通信模塊的A端和B端。

2.3 計量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測

采油生產(chǎn)隊通過油井從地下深處抽取原油，同時補充進水以維持原油的壓力。由于原油凝固點較低，為了防止原油凝固造成管線堵塞，將加熱的軟化水經(jīng)過管線輸送到井口，摻入到輸油管線中。完成上述生產(chǎn)過程的輸送、計量、保護等設備被安裝在計量間內(nèi)，計量間與配水間緊鄰，配水間內(nèi)有高壓水泵、附屬設備、安全保護設備。針對每條原油輸送和熱水摻輸環(huán)路，在計量間內(nèi)有對應的管道和控制閥門。

在計量間內(nèi)對輸油回路的壓力和熱水摻輸回路的溫度進行監(jiān)測。根據(jù)安全生產(chǎn)要求，壓力和溫度監(jiān)測系統(tǒng)被安裝在防爆殼體內(nèi)。壓力測量采用擴散硅壓力變送器，量程0～4MPa， 12V(DC)供電，RS-485輸出，數(shù)據(jù)格式：9600bit/s，N，8，1，標準Modbus-RTU協(xié)議；溫度測量采用DS18B20單總線溫度傳感器。全部壓力和溫度設備掛接在1條RS-485總線上，連接到控制中心。計量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 計量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測系統(tǒng)示意

2.4 控制中心

控制中心被設置在值班室，工控機在線實時運行系統(tǒng)監(jiān)控軟件，控制中心備有UPS電源和Internet接入。工控機的2塊接口卡，1塊連接從計量間引來的RS-485總線，1塊連接無線通信主模塊的RS-485接口。

3 系統(tǒng)程序設計

小口徑輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的程序開發(fā)主要包括三個部分：監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)通信和中心監(jiān)測管理系統(tǒng)。

1) 監(jiān)測終端。既包括測溫傳感器陣列，也包括計量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測。此兩種終端裝置均是以Mega128處理器為核心，通過驅(qū)動壓力或溫度傳感器，獲得物理量值；Mega128處理器執(zhí)行Modbus協(xié)議，完成指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的傳送。

2) 數(shù)據(jù)通信。圍繞Modbus協(xié)議展開設計，按規(guī)定需要為每一種設備分配1個IP地址，為此將0～255個IP地址劃分為三段，計量間內(nèi)壓力變送器的地址為0～99，計量間內(nèi)溫度傳感器的地址為100～199；測溫傳感器陣列中設備地址為201～249。用03指令實現(xiàn)對終端設備的讀取。

3) 中心監(jiān)測管理系統(tǒng)?；赩isial Basic開發(fā)，使用SQL Server，能夠?qū)崟r顯示所有監(jiān)測點的物理量值，可以對每1個Modbus總線上的設備獨立設置閾值，核心算法實現(xiàn)低誤報率，報警響應時間不超過5min。

該系統(tǒng)的核心功能是發(fā)現(xiàn)泄漏并及時發(fā)出報警。系統(tǒng)的報警響應時間越短，環(huán)境污染和經(jīng)濟損失越?。幌到y(tǒng)的誤報警率越低，對正常采油生產(chǎn)的影響越小。算法上，以輪詢方式連續(xù)讀取5個周期的所有Modbus總線上的設備測量到的物理量值，針對每個IP地址設備的5組連續(xù)數(shù)據(jù)，采用中值濾波，剔除由于通信或設備自身原因產(chǎn)生的奇異值。報警信號產(chǎn)生自3個判斷項的“與”操作結果，當3個判斷項的結果均為真時，發(fā)出警報。判斷依據(jù)：當埋于地下的石油輸送管線發(fā)生泄漏，由于管內(nèi)是油與熱水的混合物，使得附近土壤的溫度升高，從而被掩埋的測溫傳感器陣列感測到；石油輸送管線發(fā)生泄漏時，計量間內(nèi)該環(huán)路的壓力值下降，要摻輸更多的冷水，進而導致熱水摻輸回路溫度下降，這兩項變化可以被計量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測裝置檢測到。這3個判斷項分別是某條石油輸送管線的測溫傳感器陣列返回值不小于閾值(默認45℃)、該管線在計量間內(nèi)的壓力值不大于閾值(默認0.3MPa)、該管線所在回路的計量間內(nèi)熱水摻輸溫度值不大于閾值(默認40℃)。上述3個閾值，可以在中心監(jiān)測管理系統(tǒng)的主界面中通過點擊對應設備的設置按鈕，根據(jù)生產(chǎn)實際情況，調(diào)整設定。

中心監(jiān)測管理系統(tǒng)連接Internet，收集到的實時數(shù)據(jù)和警報狀態(tài)，可以傳送到Web Server，從而實現(xiàn)不受位置限制的系統(tǒng)監(jiān)測，采油隊工人通過手機登錄網(wǎng)站，即可查看。

4 結束語

針對小口徑石油輸送管線的泄漏問題設計了1套監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)用大量溫度傳感器構成陣列完成溫度采集；用擴散硅壓力變送器采集壓力參數(shù)；設計有風光互補的野外供電系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸結合了有線和無線兩種方式；主控中心連接Internet發(fā)布管線參數(shù)推送報警信息。系統(tǒng)可以很好地為井口到計量間這段小口徑石油輸送管線的泄漏監(jiān)測提供技術支持。

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Research and Design of Leakage Monitoring System for Small Diameter Oil Pipeline

Liu Yinhui, Zhao Hang, Ji Liman

(Information Enginering School, Jinlin Engineering Normal

A pipeline leakage monitoring system for small diameter oil pipeline between oil well and measuring room are studied and designed. The temperature of buried pipelines, pressure and temperature of loop in measuring room are collected through sensing. Combining with wire and wireless transmission mode, monitoring data are transferred through short distance wireless communication and Internet transmission. Alarming information and pipeline parameters also can be sent to smartphones of maintenance management personnels to achieve a comprehensive monitoring of leakage for small diameter pipeline.

small diameter oil transportation pipeline; wind and solar hybrid power generation; temperature; pressure

劉銀輝(1976—)，女，吉林長春人，2008年畢業(yè)于長春理工大學電子與通信工程專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)就職于吉林工程技術師范學院，主要從事電子信息技術研究工作，任講師。

TP274+.5

B

1007-7324(2016)05-0061-03

稿件收到日期：2016-06-18，修改稿收到日期：2016-08-10。