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CN107120536A - 一种分布式管道状态智能监测系统 - Google Patents

一种分布式管道状态智能监测系统 Download PDF

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CN107120536A CN201710463820.8A CN201710463820A CN107120536A CN 107120536 A CN107120536 A CN 107120536A CN 201710463820 A CN201710463820 A CN 201710463820A CN 107120536 A CN107120536 A CN 107120536A
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Abstract

本发明属于结构健康监测领域，涉及一种实时监测管道是否泄漏或堵塞的系统。本发明智能监测系统包括管道状态监测装置、信号采集模块、信号传输模块、电源模块和数据分析显示模块。其中管道状态监测装置中的传感器埋入监测装置的内壁，在泵站之间的管道中埋入3套及以上管道监测系统，用于实时监测管道输送流体对管壁的压力、流体的温度和流量状态。信息分析系统根据采集到传感器的信号进行分析运算，判断信号有无异常，管道中是否发生泄漏或堵塞，并将分析结果及警报信息反馈给泵站的监测人员，从而实现管道健康状态的智能监测，更快、更准确地定位故障区域，实现精准维护。

Description

一种分布式管道状态智能监测系统
技术领域
本发明属于结构状态监测领域，涉及一种分布式管道状态智能监测系统，用于监测管道是否正常工作，有无发生泄漏或堵塞故障。
背景技术
管道运输与航空、公路、铁路、水运并称五大运输手段。管道运输具有封闭性好、自动化程度高、安全性能好等特点，成为油、气、水运输的最佳载体，在石油天然气、化工、民生领域当中发挥着越来越重要的作用。
由于储运的介质多是原油、液化气等危险性高的流体，一旦管道发生漏油漏气等事故，泄漏的油气极易导致重大的安全事故，造成人员伤亡和财产损失，泄漏的油品还对水源、土壤造成污染，严重影响公众健康和生态环境。即使输送的是城市用水，城市用水管道破坏，还可能造成因漏水而造成的地基塌陷。因此，管道泄漏检测技术有助于在发生事故时及时发现、准确估计事故位置，对管道运输的安全生产起到重要的保障作用，加强对管道泄漏检测技术的研究与应用，具有重要的现实意义。
管道的泄漏检测和定位方法大致分成四类：第一类是基于人工巡检法，这类方法具有定位精度高和较低误报率的特点，但不能及时发现泄漏，检测只能间断的进行；第二类是基于超声、磁通、摄像、涡流、摄像等技术的管内检漏法，这类方法定位精度高且误报率低，但无法实现在线检测，由于探测球在管内随介质漂流，只适用于较大口径的管道，容易发生堵塞、停运等事故，并且探测球价格昂贵，运行成本较高；第二类是通过直接检测泄漏物质存在实现泄漏检测和定位的管外检测法，主要包括分布式光纤、电缆、特殊线缆等，这类方法非常灵敏，对于小泄漏和缓泄均有较好的效果，但价格和施工费都较高，一处断裂将导致整个监测系统失效；第四类是基于管道压力、流量和温度等运行参数的外部检漏法，它能实现在线检测，且施工和维护都较为方便，是目前管道泄漏检测和定位研究的主攻方向之一。这类方法主要包括基于负压波的方法、基于管内声波的方法、基于瞬变流的方法和基于模型的方法等。这类方法中，由于负压波法无需复杂的管道建模，对于大于1.5％总流量的突发性泄漏，可准确识别泄漏并精准定位；由于管内介质是流动的，流动介质对声波传播具有衰减效果，但在单相流和多相流工况下，其定量研宄复杂。同时，如流体的粘性和温度是缓慢改变的，在具有慢变参数的系统中，声波传播和衰减规律还不十分清楚。在实际应用中的问题，如管路中连续或者间歇性气泡群对声波传播的影响以及大幅值声波传播的非线性特征还不十分清楚，以上这些问题均会对声波信号的传播造成影响，从而不能有效识别泄漏孔的存在。微小泄漏产生的负压波在长距离传输后衰减严重，压力变送器对其不敏感，对于微小泄漏该方法效果不明显，经常出现漏报。综上，现有检测输油管道漏失定量和定位的装置存在使用成本高，且耗时，易受周围环境影响的问题，因此需要一种新的管道状态监测系统。
发明内容
针对上述发明目的：提供一种分布式管道状态智能监测系统，对管道状态数据进行采集、处理、传输和分析显示，得到较为精确的管道运行图。
本发明技术方案：一种分布式管道状态智能监测系统，包括管道状态监测装置、信号采集模块、信号传输模块、电源模块和数据分析显示模块。所述管道状态监测装置为一段内壁集成压力、温度和流量传感器的特制结构，串联在管道的连接处，用于采集管道内输送流体对监测装置处管壁的压力、流体的温度和流量变化；所述信号采集模块包括放大电路、滤波电路、模数转换电路和信号标识模块；用于将检测到的电信号进行放大、滤波和模数转换，成为经过标识，能方便远距离传输的数据；所述信号传输模块，包括电缆、光纤和移动网络中的一种或几种，用于将采集到的信号传送到监测站的数据分析显示模块；所述电源模块包括电池、太阳能、风能和电缆供电装置的一种或几种，用于给管道状态监测装置、信号采集模块和信号传输模块供电；所述数据分析显示模块，包括计算机的硬件和分析显示软件；用于将监测结点上传的数据进行综合分析对比处理，判断管道的运行情况，并将结果显示在监测界面上。
上述的一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于所述传感器包括压力传感器、压力传感器和温度传感器二者的组合、压力传感器和流量传感器二者的组合、压力传感器和温度传感器和流量传感器三者的组合中的一种。
上述的一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于所述管道状态监测装置，在周向上设置的2个及以上压力传感器，以监测不同周向位置的流体压力，得到更为精确的监测结果。
上述的一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于所述信号标识模块，采用序号、频率、MAC地址来标识该节点。
上述的一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于所述监测系统的布置间距为50米至5千米，节点布置在管道连接处。
上述一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于所述数据分析显示模块对采集的信号进行实时处理，其判断管道是否堵塞或泄漏的过程包括以下步骤：
设S1、S2、……Si-1、Si、Si+1、……Sn-1、Sn为在管道上布置的各个管道状态监测装置；设P1、P2、……Pi-1、Pi、Pi+1、……Pn-1、Pn为各个管道状态监测装置上的压力传感器，同时亦用P1、P2、……Pi-1、Pi、Pi+1、……Pn-1、Pn表示各个压力传感器的示数；设T1、T2、……Ti-1、Ti、Ti+1、……Tn-1、Tn为各个管道状态监测装置上的温度传感器，同时亦用T1、T2、……Ti-1、Ti、Ti+1、……Tn-1、Tn表示各个温度传感器的示数；设F1、F2、……Fi-1、Fi、Fi+1、……Fn-1、Fn为各管道状态监测装置上的流量传感器，同时亦用F1、F2、……Fi-1、Fi、Fi+1、……Fn-1、Fn表示各个流量传感器的示数；
步骤1：将各个监测装置得到的信号，经过放大、滤波、模数转换并标识后的数据上传到监测系统，监测系统根据各个节点所监测到的压力、温度和流量数据进行分析计算；
步骤2-1：假设管道在Si至Si+1段发生发生堵塞，那么则P1至Pi示数增加，Pi+1至Pn示数减少，因此，判断是在Si至Si+1段发生了堵塞；
步骤2-2：假设管道在Si至Si+1段发生泄露，那么则P1至Pi示数逐渐减少，Pi+1至Pn示数逐渐减少，数据曲线在Si至Si+1段发生转折，因此，判断是在Si至Si+1段发生了泄漏；
步骤2-3：假设Ti与Ti-1温差大于正常的管道温降，由此可以判断Si至Si+1段需要检查绝热保温措施是否失效了；
步骤2-4：在压力变化的基础上，结合流量F1至Fn的变化，进一步分析和确定故障发生的位置；假设管道在Si至Si+1段发生泄露，那么则F1至Fi示数逐渐增加，Fi+1至Fn示数逐渐减少，因此，判断是在Si至Si+1段发生了泄漏；
步骤2-5：假设管道在Si至Si+1段发生堵塞，那么则F1至Fi示数逐渐减少，Fi+1至Fn示数逐渐减少，数据曲线在Si至Si+1段发生转折，因此，判断是在Si至Si+1段发生了堵塞；
步骤3-1：若监测装置布置的较密集，可直接根据步骤2监测到压力变化得到的故障发生的具体区间；
步骤3-2：若某些节点监测装置布置的较稀疏，根据步骤2监测到压力变化的时间差，利用负压波法可以进一步分析出故障在两节点之间的具体位置。
有益效果：
本发明分布式管道状态智能监测系统由多套管道状态监测装置、多套信号采集与传输模块和信息分析处理模块组成。它串联在长距离管线上，通过传感器采集数据，并上传数据到信息分析和处理模块，实现实时检测管线状态，提高监测精度和可靠性。管道状态监测装置集成多个传感器，在监测活动中可以发挥各传感器的优势，可在一个监测装置部位得到流体的多个数据，提高监测精度。使用电路、光纤和无线网络技术，实现远程监控，提高监测效率。采用分布式监测系统，可以提高故障定位精度。由程序处理分析数据，可以对监测目标进行分析，判断管道是否正常工作，有无发生泄漏和堵塞等故障，大大提高管道运营维护的效率。
附图说明
图1是本发明专利的一种分布式管道状态智能监测系统集成示意图。
图2是监测系统在管道中的布置图。
图3是实施例的监测装置在管道中的简化布置图(数据分析说明用)。
图4是管道监测系统在管道间的应用实例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例一
本实施例应用于输送普通粘度液体的管道，如轻油管道和供水管道，本实施例监测的管长为20公里，监测布置的节点安装在原管道连接处。本实施例一套管道状态智能监测系统所述系统包括：至少N套以上管道状态监测装置11、至少N套信号采集模块12、至少N套信号传输模块13、至少N套电源模块14和2套数据分析显示模块15，监测系统的布置间距为500米，数据分析显示模块在两个管道两端的泵站。所述管道状态监测装置11为一段集成压力传感器1121的特制结构，串联在管道9的连接处，用于采集管道内液体对监测点管壁的压力；所述压力传感器为压电材料制成的传感器，可以很灵敏的检测流体对管壁的作用力的变化；信号采集模块12包括放大电路121、滤波电路122、模数转换电路123和信号标识模块124；放大电路121为电荷放大电路，将压电传感器受力产生的电信号进行放大、滤波和模数转换，成为经过标识，能方便远距离传输的数据；信号传输模块13采用电缆131传输信号，用于将采集到的信号传送到监测站的数据分析显示模块15；信号采集模块12和信号传输模块13使用电池142供电；数据分析显示模块15设置在有人值守的泵站，包括计算机硬件和分析显示软件；用于将监测结点上传的进行综合分析对比处理，判断管道的运行情况，并将结果显示在监测界面上，如果出现故障，通过声音的形式警告值守人员，同时在监测界面上，显示故障发生的位置。
本实施例中监测装置11的典型结构见图4，监测装置11通过法兰结构连接需监测的管道9，管道中的液体从11中间流过。监测装置的管壁上埋入了传感器112，并在传感器表面涂布上防护层。传感器112包括压力传感器、压力传感器和温度传感器二者的组合、压力传感器和流量传感器二者的组合、压力传感器和温度传感器和流量传感器三者的组合中的一种。
本实施例的分析显示模块对采集的信号进行实时处理，其判断管道是否发生泄漏的过程包括以下步骤：
图3中S1、S2、……Si-1、Si、Si+1、……Sn-1、Sn为在管道上布置的各个管道状态监测装置；设P1、P2、……Pi-1、Pi、Pi+1、……Pn-1、Pn为各个管道状态监测装置上的压力传感器，同时亦用P1、P2、……Pi-1、Pi、Pi+1、……Pn-1、Pn表示各个压力传感器的示数；
步骤1：将各个监测机构得到的信号，经过放大、滤波、模数转换并标识后的数据上传到监测系统，监测系统根据各个节点所监测到的压力、温度和流量进行分析计算；
步骤2：假设管道在Si至Si+1段发生泄露，那么则P1至Pi示数逐渐减少，Pi+1至Pn示数逐渐减少，数据曲线在Si至Si+1段发生转折，因此，判断是在Si至Si+1段发生了泄漏；
步骤3：若监测装置布置的较密集，可直接根据步骤2监测到压力变化得到的故障发生的具体区间，然后在监测系统显示。
实施例二
实施例二应用于需要加热以提高液体流动性的管道，如原油输送管道。本实施例监测的管长为10公里，监测布置的节点安装在原管道连接处，如原波纹管连接处。本实施例一套管道状态智能监测系统所述系统包括：至少N套以上管道状态监测装置11、至少N套信号采集模块12、至少N套信号传输模块13、至少N套电源模块14和至少1套数据分析显示模块15，监测系统的布置间距为2公里，这主要是依据该地段发生故障的进行设置的可能性和实施维护的必要性。所述管道状态监测装置11为一段集成压力传感器1121和流量传感器1122的特制结构，串联在管道9的连接处，用于采集管道内液体对监测点管壁的压力和温度的变化、流经的液体流量的变化；所述压力传感器为电容型压力传感器，所述温度传感器为热电偶式温度传感器，所述流量传感器为涡轮式流量传感器。信号采集模块12包括放大电路121、滤波电路122、模数转换电路123和信号标识模块124；放大电路121为电荷放大电路，将压电传感器受力产生的电信号进行放大、滤波和模数转换，成为经过标识，能方便远距离传输的数据；信号传输模块13采用无线网络133，用于将采集到的信号传送到监测站的数据分析显示模块15；信号采集模块12和信号传输模块13使用电池142供电；数据分析显示模块15设置在有人值守的泵站，包括计算机的硬件和分析显示软件；用于将监测结点上传的进行综合分析对比处理，判断管道的运行情况，并将结果显示在监测界面上，如果出现故障，通过声音的形式警告值守人员，同时在监测界面上，显示故障发生的位置。
本实施例的分析显示模块对采集的信号进行实时处理，其判断管道是否堵塞的过程，包括以下步骤：
设S1、S2、……Si-1、Si、Si+1、……Sn-1、Sn为在管道上布置的各个管道状态监测装置；设P1、P2、……Pi-1、Pi、Pi+1、……Pn-1、Pn为各个管道状态监测装置上的压力传感器，同时亦用P1、P2、……Pi-1、Pi、Pi+1、……Pn-1、Pn表示各个压力传感器的示数；设F1、F2、……Fi-1、Fi、Fi+1、……Fn-1、Fn为各管道状态监测装置上的流量传感器，同时亦用F1、F2、……Fi-1、Fi、Fi+1、……Fn-1、Fn表示各个流量传感器的示数；
步骤1：将各个监测机构得到的信号，经过放大、滤波、模数转换并标识后的数据上传到监测系统，监测系统根据各个节点所监测到的压力、温度和流量进行分析计算；
步骤2-1：假设管道在Si至Si+1段发生发生堵塞，那么则P1至Pi示数增加，Pi+1段至Pn示数减少，因此，判断是在Si至Si+1段发生了堵塞；
步骤2-2：假设管道在Si至Si+1段发生堵塞，那么则F1至Fi示数逐渐减少，Fi+1至Fn示数逐渐减少，数据曲线在Si至Si+1段发生转折，因此，判断是在Si至Si+1段发生了堵塞；
步骤3：若某些节点监测装置布置的较稀疏，根据步骤2监测到压力变化的时间差，利用负压波法可以进一步分析出故障在两节点之间的具体位置。
一种典型的管道状态监测装置11见图4。管道9使用带法兰结构的管道状态监测装置11串联在一起。传感器112包括压力传感器、压力传感器和温度传感器二者的组合、压力传感器和流量传感器二者的组合、压力传感器和温度传感器和流量传感器三者的组合中的一种，传感器112集成在管道111的内壁。信号采集装置12和信号传输装置13布置在管道状态监测装置11的附近，电源模块14负责给管道状态监测装置11、信号采集装置12和信号传输装置13供电。管道状态监测装置11产生的信号经过信号采集装置12和信号传输装置13，传给监测端的信息分析模块15。
所述实施例只是上述技术方案的组合之一，实际运用过程中，不同的传感器组合和数量、不同的电源模块、不同信号传输系统和不同的信号显示方式等不同的组合，均在本专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于包括管道状态监测装置、信号采集模块、信号传输模块、电源模块和数据分析显示模块；所述管道状态监测装置为一段内部集成压力、温度和流量传感器的特制结构，串联在管道的连接处，用于采集管道内输送流体对监测装置处管壁的压力、流体的温度和流量变化；所述信号采集模块包括放大电路、滤波电路、模数转换电路和信号标识模块；用于将检测到的电信号进行放大、滤波和模数转换，成为经过标识，能方便远距离传输的数据；所述信号传输模块，包括电缆、光纤和移动网络中的一种或几种，用于将采集到的信号传送到监测站的数据分析显示模块；所述电源模块包括电池、太阳能、风能和电缆供电装置的一种或几种，用于给管道状态监测装置、信号采集模块和信号传输模块供电；所述数据分析显示模块，包括计算机的硬件和分析显示软件；用于将监测结点上传的数据进行综合分析对比处理，判断管道的运行情况，并将结果显示在监测界面上。
2.根据权利要求1所述的一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于所述传感器包括压力传感器、压力传感器和温度传感器二者的组合、压力传感器和流量传感器二者的组合、压力传感器和温度传感器和流量传感器三者的组合中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于所述信号标识模块，采用序号、频率或MAC地址来标识该节点。
4.根据权利要求1所述的一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于所述监测系统的布置间距为50米至5千米，节点布置在管道连接处。
5.根据权利要求1所述一种分布式管道状态智能监测系统，其特征在于所述数据分析显示模块对采集的信号进行实时处理，其判断管道是否堵塞或泄漏故障过程包括以下步骤：设S1、S2、……Si-1、Si、Si+1、……Sn-1、Sn为在管道上布置的各个管道状态监测装置；设P1、P2、……Pi-1、Pi、Pi+1、……Pn-1、Pn为各个管道状态监测装置上的压力传感器，同时亦用P1、P2、……Pi-1、Pi、Pi+1、……Pn-1、Pn表示各个压力传感器的示数；设T1、T2、……Ti-1、Ti、Ti+1、……Tn-1、Tn为各个管道状态监测装置上的温度传感器，同时亦用T1、T2、……Ti-1、Ti、Ti+1、……Tn-1、Tn表示各个温度传感器的示数；设F1、F2、……Fi-1、Fi、Fi+1、……Fn-1、Fn为各管道状态监测装置上的流量传感器，同时亦用F1、F2、……Fi-1、Fi、Fi+1、……Fn-1、Fn表示各个流量传感器的示数；步骤1：将各个监测装置得到的信号，经过放大、滤波、模数转换并标识后的数据上传到监测系统，监测系统根据各个节点所监测到的压力、温度和流量数据进行分析计算；步骤2-1：假设管道在Si至Si+1段发生发生堵塞，那么则P1至Pi示数增加，Pi+1至Pn示数减少，因此，判断是在Si至Si+1段发生了堵塞；步骤2-2：假设管道在Si至Si+1段发生泄露，那么则P1至Pi示数逐渐减少，Pi+1至Pn示数逐渐减少，数据曲线在Si至Si+1段发生转折，因此，判断是在Si至Si+1段发生了泄漏；步骤2-3：假设Ti与Ti-1温差大于正常的管道温降，由此可以判断Si至Si+1段需要检查绝热保温措施是否失效了；步骤2-4：在压力变化的基础上，结合流量F1至Fn的变化，进一步分析和确定故障发生的位置；假设管道在Si至Si+1段发生泄露，那么则F1至Fi示数逐渐增加，Fi+1至Fn示数逐渐减少，因此，判断是在Si至Si+1段发生了泄漏；步骤2-5：假设管道在Si至Si+1段发生堵塞，那么则F1至Fi示数逐渐减少，Fi+1至Fn示数逐渐减少，数据曲线在Si至Si+1段发生转折，因此，判断是在Si至Si+1段发生了堵塞；步骤3-1：若监测装置布置的较密集，可直接根据步骤2监测到压力变化得到的故障发生的具体区间；步骤3-2：若某些节点监测装置布置的较稀疏，根据步骤2监测到压力变化的时间差，利用负压波法可以进一步分析出故障在两节点之间的具体位置。
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