自动化测试
计算机测量与控制.2005.13(2) Computer Measure ment &Control
#111#
收稿日期:2004-05-19; 修回日期:2004-06-18。
作者简介：郑宏(1970-)，重庆市人，讲师，在职博士生，主要从事计算机控制与管理系统，数字化气田、可穿戴计算等方向的研究。
文章编号:1671-4598(2005)02-0111-02
中图分类号:TP274 文献标识码:B
郑 宏
(电子科技大学自动化工程学院，四川成都610054)
摘要：简要介绍了建设天然气井场/集输站在线安全监测与报警系统的必要性和现实意义。通过对几种泄漏检测技术的对比分析，提出了以可燃气体探测器为主，软件分析为辅的符合井场/集输站在线检测方案。结合工程实际，详细阐述了实现天然气井场/集输站在线安全监测报警系统的结构设计、功能设计、硬件设备选型、软件实现和现场探头布点原理和方法。结果表明该方法行之有效，值得推广。
关键词：泄漏检测；监测报警系统；硬件选型；探头布点设计
Design of on -line Safety Surveillance and Alarm System for Nature Gas Well and Station
Zheng H o ng
(A utomation Eng ineering Schoo l,U niversity of Elect ronic Science and T echnolog y ,Cheng du 610054,China)
Abstract:T he need and realism of s etting up on-line safety su rveillance and alarm for nature gas w ell and collection-tran sport stations are introduced briefly at first.Th en a m ix-project is pres ented using gas -burnable detector and s oftw ar e-an alyz ing assis tant is presented.Integrated w ith the safety an d alarm sys tem engineerin g practice,the structu re and fun ction design are des cribed in detail,hardw ar e s election and softw are realiz ation ar e completed,and the prin ciple and w ays of s ens or disp os ing are introduced.
Key words :leak-detection;surveillance and alarm on-line;h ardw are selection ;s ens or dis pos ing
0 引言
在我国，天然气的泄漏不仅造成了直接的经济损失，而且也是易燃易爆之源，这给采输气安全生产带来了巨大的潜在隐患。目前我国对天然气泄漏检测绝大部分仅仅依靠定期检查和人工巡查，其准确性、及时性和可靠性极差，在我国大力推行HSE (H ealth-Safe-Environments)建设和"以人为本，科学采输"的今天，利用现代发达的科学技术手段及时准确地在线监测采输气流程中的天然气泄漏，成为摆在我们面前的重大课题。特别是在重庆开县12123重特大井喷事故的教训下，作好天然气井场、集输站的在线安全监测报警尤为迫切和必要。而此类系统还未见在天然气井场、集输站系统应用。基于此，本文提供了一种先进实用、稳定可靠、满足天然气井场、集输站在线安全监测与报警系统的设计。
1 泄漏检测技术选择
泄漏检测的方法有多种，根据泄漏检测原理，可分为直接检测法(根据泄漏的介质)和间接检测法(根据泄漏引起的管道流量、压力等输送条件的变化和泄漏引起的声、光、电等变化)[1]。111 直接检测法Ⅰ--火焰电离检测器法
该方法的基本原理为在电场存在的情况下，气态烃类在纯氢火焰灼烧下产生带碳的原子，碳原子被收集
到一个电极板上并计数，当碳原子的数量超过预设值时，则检测器报警。该方法的优点为：灵敏度高，只要1m 3中含有118@10-6m 3的可燃气体就可以检测到；响应快，典型时间为2s；抗干扰能力强;
可检测浓度范围大。缺点为：难以进行在线实时的连续检测。112 直接检测法Ⅱ--可燃气体监测器法
它通过扩散作用从空气中取样，利用催化氧化原理产生一种与可燃气体浓度成正比例的信号，一般可将可燃气体浓度爆炸下限的20%确定为低报警,40%确定为高报警，该浓度信号可以直接接入PL C 或者RT U ，进行连续采集。适合于定点的泄漏检测。
113 间接检测法Ⅰ--流量/压力变化(质量/体积平衡)
此法在管道的入口和出口设置压力和流量测量设备，如果所测压力或流量的变化幅度大于预设值，则发出泄漏报警。这种方法虽然简单，但成本较高，但不能准确定位，而且误报率较高。适合于长输管线的泄漏检测。114 间接检测法Ⅱ--动态模型分析
该法用数学模型模拟管道中气体的流动，依据模型的计算值和测量值的差距判断泄漏。模型采用的方程包括质量平衡、动量平衡和流体状态方程等。该法需要在管道的入口、出口及沿线测量流量及压力，测量点越多，效果越好。动态模型法的优点为：对泄漏的敏感性好，可以定位，可以连续检测，但误报率高，成本高。比较适合于长输管线的泄漏检测。
115 间接检测法Ⅲ--压力点分析(PPA )
P PA 在管道沿线设点检测压力，采用统计的方法分析检测值，提取出数据变化曲线，并与管道、阀门处于正常运行态时的曲线进行比较。如果偏离正常的曲线，则表明有泄漏发生。可以检测到超过流量3117%的泄漏。适合于长输管线的泄漏检测。
116 间接检测法Ⅳ--声波检测法
因泄漏产生大于20kH z 的振荡，可以由相应的传感器检测到。检测器通过记录信号的强度对泄漏源进行精确定位。较
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计算机测量与控制 第13卷
适合于长输管线的泄漏检测。
通过对上述泄漏检测技术的对比分析，结合天然气井口/集输站的气体泄漏特点，选择可燃气体监测器法为主，辅以相应的决策分析软件，即可构建一套完整实用的天然气井口/集输站的在线监测报警系统。
2 系统设计
在该系统的设计过程中，特别注意并仔细考虑了如下几个问题:
(1)天然气井场、集输站为易燃易爆区域，必须考虑系统的本安防爆要求;
(2)监测站点大多分布在偏远地区，供电条件差，要求节电；通讯条件差，需要多方位地考虑通讯问题;
(3)在该系统的设计过程中，必须注意系统自身的安全性和可靠性;
(4)由于是实时在线检测，必须考虑通讯成本。211 系统组成
整个监测报警系统原理如图1所示，由如下各部分组成:
(1)泄漏检测与就地报警子系统;(2)紧急切断子系统;
(3)本地数据采集与预处理子系统;(4)通
讯子系统;
(5)监控中心平台子系统，系统组成如图1所示。
图1 天然气在线安全监测报警系统结构图
212 系统原理
[2]
21211 场站泄漏检测子系统
由现场泄漏检测探头、雨罩、仪表盘、电源、报警控制器等主要部件组成，如图1所示，当泄露气体浓度达到预设值时，报警器开始声光报警，同时将报警信息和数据发送到相关人员的电话或手机和监控中心。21212 本地监测控制子系统
数据采集系统由RT U 构成，完成以下的功能:
(1)采集由报警器或探头传来的信号，并对信号进行相应的处理;
(2)实现现场控制功能;
(3)完成和传输系统的数据通讯。
RT U 采集到泄漏信号后，判断量值是否超标。若有超标，可根据相应的设定控制执行机构动作，如声
光报警、阀门的开
闭、风机的启停等。同时,RT U 还将采集到的值通过RS232或RS485接口传给通信系统。21213 通讯子系统
通讯系统主要由无线GSM /GPR S 模块构成，采用其数据业务进行数据传输，以使数据的传输具有很高的实时性(有报警时才向上传，无报警时按时段用短消息向上进行传输气体浓度)；同时为了更一步加强数据传输的可靠性，对有电话的地方可配备有线M ODEM ，这样，当无线通路出现问题时，还可以通过有线M ODEM 利用电话线进行数据传输。该系统的主要功能是完成中心平台控制系统和现场的数据传输。该系统在现场和中心平台控制系统各有一套，现场的传输系统负责现场与中心平台控制系统的通讯。
除各场站与监控中心的通信平台以外，还设置了现场站点向站场值班人员的有线电话/无线手机自动拨号的语音/短信报警；监控中心调度室向相关领导、技术人员自动拨号的语音/短信报警，以完成事故的及时处理。21214 监控中心
监控中心是整个在线监测系统的中枢，在这里完成整个区域范围内井场、集输站的安全监控与管理工作。由监控中心监控主机、信息中心主机组成。
(1)提供现场监控的预警信息，确保天然气井场、集输站的安全、正常的运行。
(2)以共享数据和综合数据库为基础，建立天然气集输站场安全防范集中管理系统，实现闭路电视监控与系统故障、防盗报警及各类报警信号的监测，实现气井场、集输站的全面综合智能监控管理。
(3)建立站场消防报警系统，及时发现并报告火情，控制火灾的发展，确保人身安全，减少财产的损失，将火灾消灭在萌发状态。
(4)实现天然气站场报警信息的实时收集、存贮、传递、统计、分析、综合、查询以及报表输出，提高现场监控的及时性和可靠性；另一方面为领导监督管理、预防事故和安全决策提供数据信息依据。以加强各职能部门领导的科学管理能力。213 系统硬件选型
根据该系统的特殊要求及现有技术，本着经济实用、稳定可靠的原则，确定了该系统主要设备的选型如下。
(1)泄漏检测探头，作为系统的传感变送器，要求灵敏度高、稳定可靠，易于调校，具有多级报警值设定，选择了中、美、日合资无锡科士特GA -2000E 泄漏检测探头。
(2)RT U 是场站数据采集与就地控制的主体，同时还要完成数据的发送，要求低功耗且稳定可靠，选择了加拿大CM I 公司的SCAD AP ack 智能模块；带有8A I (可扩至256AI ),2A O,20DI (可扩至256DI),20DO (可扩至256DO),12RO (可扩至128R O),3RS232,1RS485接口[3]。
(3)无线通讯模块，选择了W aveCom 的G SM /G PRS 模块，性能稳定，可靠。
(4)上位管理计算机，选择研华工控机,P4/2.0G /80G/256M /17寸LCD 显示器，运行稳定可靠。
214 系统软件实现
该系统的软件包含两部分,P LC/RT U 检测控制程序和上位机辅助决策分析及管理程序。
(下转第122页)
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(ConnectF lag =$1111)，则按预先设定的时序发送监测变量。该系统在上层的CA N 驱动程序是由CA N oe 的功能来实现的，无须另行编写。
图3 监测界面设计
5 监测界面设计
本文利用CAN oe 的仪表生成器设计了本系统的监测界面
(图3)。监测平台接收到数据帧后，对数据帧的数据场按监测信息码拼装设计的原则进行逆向拆分即可获得实际的监测变量。监测平台只要接收到相应的数据帧就对监测变量进行刷新，因此，监测界面上变量的刷新速度分别为5ms 、10ms 和50ms 。
6 结论
该监测系统已经成功应用于国家863计划QR 电动汽车的监测。通过实验室模拟仿真试验、汽车转鼓试验台试验和随车道路试验的反复验证表明，基于M C68376的T o uCA N 模块和CA N 通讯协议设计的该实时监测系统实现了准确快速的数据通信、安全可靠的数据管理和实时动态的界面刷新。
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(上接第112页)
检测控制程序主要完成探头检测数据的实时采集与预处理，实现站内声光报警和远程拨号报警；同时将预处理后的数据和报警信息传输到上位机。为提高系统的抗干扰能力，尽量降低误报率，在检测控制程序中加入了中值滤波和低通滤波算法，其中中值滤波周期数取N =7，低通滤波系数取Q =0125，低通滤波公式为:
Y K =QX K +(1-Q)Y K -1截止频率f =K /(2P T )汽车报警系统
上位机辅助决策分析及管理软件处理各站数据汇集，实现远程通信、历史数据记录，实时及历史数据分类显示、曲线显示、报表输出，报警点快速查询等功能。为提高管理与决策分析软件的灵活性和易扩展性，采用了模块化设计
，程序模块如图2所示。
3 探头布点设计
在该监测系统中，泄漏检测探头的布点设计至关重要。首
图2 安全检测辅助决策及分析管理系统软件模块框图
图3 泄漏检测点布置图
先他要符合相关的标准和规范[4]，以满足安全监测的目的；同时还要能尽量降低成本。根据SH 3069-1999标准，拟定了如下布点方法:
(1)L <30m,W <20m (其中L 表示井站流程区长边长,W 表示井站流程区短边长，下同)，布5个点，如图3a 。
(2)L >30m,W <20m，在5个基础点上,L 每增加10m，增加1个点(以45m 为例)，如图3b 。
(3)L <30m,30m>W >20m 时，在5个基础点上平行短边方向上增加1个点，如图3c 。
(4)L >30m,W >20m 时，从L 边对分长方形区域，如此类分，直到出现上述三种情况之一(以45m @25m 为例)，如图3d 。
(5)在每个仪表房布一个点。
4 结论
利用现代检测控制、计算机、通讯等技术，同时充分考虑了天然气井场、集输站的具体情况及特殊问题，设计的天然气井场、集输站在线泄漏监测系统切实可行，完全符合石油天然气行业HSE 建设的需要，极具推广价值。据此设计的实际系统已经在中石化川西采输处投入使用，运行稳定可靠，效果良好。
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