（控制科学与工程专业论文）天然气管道无线监控系统的研究与实现.pdf

学位论文数据集 i i i i i i i i i l i i i i i i l i i i i i i i i l 吣l l i i l i i i y 18 7 7 5 4 9 中图分类号 t p 3 6 8 学科分类号 4 6 0 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 7 7 9 密级 公开 学位授予单位代码1 0 0 1 0学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名 刘虎 学号 2 0 0 8 0 0 0 7 7 9 获学位专业名称 控制科学与工程 获学位专业代码 0 8 1 1 0 0 课题来源 自选项目 研究方向 嵌入式r t u 论文题目天然气管道无线监控系统的研究与实现 关键词 天然气管道，l p 3 5 0 0 ，心0 s i i ，泄漏定位，l a b v i e w 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 6 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 何泉讲师北京化工大学图像处理 评阅人1 林伟国教授北京化工大学安全监测与预警技术 评阅人2 王颖副教授北京化工大学光电及机器视觉检测 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员蝴 王建林教授北京化工大学智能检测与传感技术 答辩委员1 赵众教授北京化工大学先进控制，过程监测 答辩委员2 林伟国 教授 北京化工大学 安全监测与预警技术 答辩委员3 王颖 副教授北京化工大学光电及机器视觉检测 答辩委员4 祝海江副教授北京化工大学信号处理及检测 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 天然气管道无线监控系统的研究与实现 摘要 随着石油资源的日渐枯竭天然气能源逐渐被人类重视，我们国家也在 大力发展天然气项目。由于天然气是高度易燃易爆的危险品，其运输过程 中存在很大的风险。管道运输在经济、快捷以及安全等方面有着得天独厚 的优势，所以在天然气运输行业中得到广泛应用。我国的天然气资源主要 依靠西部地区和从乌兹别克斯坦等国进口，但是用户大多集中在经济发达 的东部地区。随着经济的不断发展，天然气的消耗量越来越大。我国加大 了天然气管道建设方度，陆续完成了西气东输等十余条的管道建设工程， 天然气管道网络中的主体构造已成型。 管道运输虽然有很多的优点，但是由于管道本身是被埋在地下，所处 环境特点会加速管道老化并产生形变。虽然我们采取了众多手段防腐，但 是只能减慢管道老化的速度不能从根本上解决管道变形问题。管道中的天 然气压力很高，老化的管道是否能够确保运输的安全收到广泛关注。一旦 发生泄漏事故如何减少损失防止爆炸是研究管道安全的主要方面。若管道 发生泄漏则需要以最短的时间关闭阀门保障生命财产的安全。管道破裂事 故的监测控制以及泄漏位置的确定是本课题研究的重点。 因此，本文以工控开发板l p 3 5 0 0 为主体结合天然气管道的应用特点开 发出一套针对管道的监测控制系统。并结合改进的滤波方法对泄漏点定位 方法进行改进。在管道出现泄漏时，系统一方面可以通过关断上下游阀门 来切断气体流动，另一方面系统将报警信号传送给上位机，使得异常状况 北京化工大学硕士学位论文 以及时的被发现，在报警状态下中心也可以对阀门追加动作命令。从而 得管道运输的安全性和可监控性得到了提高。 本论文首先对终端和中心功能需求进行分析，选取了g p r s 通讯网络 太阳能供电方式等确定了系统的总体设计。然后，设计监测终端的硬件 路并按照其实现的功能模块分别进行了详细的介绍。接着，对监测终端 软件实现和主要的程序流程进行介绍。然后，开发了基于l a b v i e w 的 心监测软件，实现了对上传数据的显示和分析以及对阀门的远程控制。 后，对管道的泄漏点定位方法进行了研究和改进来提高定位精度，保证 时修护的及时性。 本文设计的系统基本实现了对天然气管道的运行情况的监控。在实验 ，系统运行稳定，功能可靠。 键词：天然气管道，l p 3 5 0 0 ，c o s i i ，泄漏定位，l a b v i e w i i r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f r e l e s s m o n i t o r i n gs y s t e mo fn a t u r a lg a s a b s t r a ct a st h ew o r l di s g r a d u a l l yr u n n i n gs h o r to fp e t r o l e u m ，g a sr e s o u r c 懿 a t 舰c t e dm o r ea 1 1 dm o r ea t t e n t i o na n do u rc o u n t r i e sa r ed e v e l o p i n gn a t l l r a lg 弱 p r 巧e c t se n e 培e t i c a l l y f o r 硒m u c ha sn a t u r a lg a sb e l o n g st oe x p l o s i v eo r d a 芏l g e r o u sg o o d s - p r o d u c t s ，i ni t st r a n s i tt h e r ee x i s t sag r e a tr i s k p i p e l i n e t r a i l s p o r t a t i o nh 嬲 c o n s i d e r a b l ee c o n o m i c ，c o n v e n i e n ta n ds a f e m e r i t i n ， p r o i n p t n e s s ，s oi th a sb e e nw i d e l yu s e di ng a st r a n s p o r ti n d u s t 够o u rn a t u r a l g a sr e s o u r c e sm a i n l yr e l yo nt h ew e s t e mr e g i o na n da r ei m p o r t e d 丘。o m u z b e l ( i s t a n ，b u tm o s to ft h eu s e r sa r ec o n c e n t r a t e di nt h ee a s t e ma r e a sw i m d e v e l o p e de c o n o m y 晰t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，g a sc o n s u m p t i o ni s i n c r e a s i n g o u rc o u n t 哆r e d o u b l e dt h ee f 硒r t st ob u i l dn a t u r a lg a sp i p e l i n e s a n dc o i n p l e t e dm o r et h a nt e np i p e l i n ep r o j e c t ss u c c e s s 如1 l ys u c h 嬲t m s p o r t t h en a t u r a lg a sf r o mt h ew e s tt ot h ee a s t ，a n dt h et h em a i ns t m c t u r eo fg 硒 p i p en e t w o r kh a sb e e ns h 印e d p i p e i n e 打 m s p o r t a t i o nh a sm a r l y 敏i v a n t a g e s ，b u tb e c a u s eo ft h a tp i p e l i n ei s b e i n gb u r i e d ， a g e i n g o fp i p e l i n ew i l lb e q u i c ka n dd e f o n n a t e i nt h i s e n v i r o m n e n t a l t h o u g hw eh a v ea d o p t e dm a n ym e t h o d st op r e v e n tc o r r o s i o n ， i to n l ys l o wd o w nt h es p e e do ft h ea g e i n ga n dc o u l dn o ts o l v et h ep r o b l e m r a d i c a l l y t h eg a sp r e s s u r ei sv e 巧h i g h ，s ow h e t h e ra g e dp i p ec a ne n s u r et h e i t om a k et h ep i p e l i n es a f 嘶a n dm o n i t o r i n ga b i l i t yi m p r o v e d f i r s t l y t h i sp a p e ra n a l y s i s e st h em n c t i o nr e q u i r e m e n t so ft 锄i n a la n d t h ec e n t e r ，d e t e m i n e so v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e ms u ha sc h o s i n gt h eg p r s c o m m u n i c a t i o nn e 伽o r ka n ds o l a rp o w e r s u p p l ym e t h o d s e c o n d l 弘d e s i g l l s h a r d w a r ec i r c u i to fm o n i t o r i n gt e m i n a la n dm a k e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o nf o r b l o c 虹n gm o u g h ta c c o r d i n gt oi t s 如n c t i o n t h i r d l y ，i n t r o d u c e st h es o f 两a r e 印p l i c a t i o no fm o n i t o r i n gt e m i n a la n dm a i np r o g r a mn o w t h e n ，d e v e l o pt h e a p p n c a t l o no tm o n l t o n n gt e m l n a l 羽：1 dm a l nd r o g r a n lf l o w t h e n d e v e l o dt i b e m o n i t o r i n gs o r w a r eo ft h ec e n t e rb a s e do nl a b v i e ww h i c hc a nd i s p l a ya n d a n a l y s i su p l o a d e dd a t a f i n a l l ms t l l d i e sa 1 1 di m p r o v e sl e a k a g e1 0 c a t i o nm c t h o d v v i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 本课题的研究背景。1 1 2 课题意义和发展现状2 1 2 1 常用管道执行机构简介。2 1 2 2 气液联动执行机构存在的问题3 1 2 3 气液联动执行机构的发展方向4 1 3 课题的主要工作内容4 第二章系统的总体设计7 2 1 用户的需求性分析7 2 2 系统设计原则7 2 3 系统的总体设计方案8 2 4 系统供电方式的选择和系统功耗的计算一9 2 5 系统通讯方式的选择1 1 2 5 1 阀室监控系统对通信网络的要求ll 2 5 2g p r s 无线通讯方式和实现方法1 1 2 5 3g p r s 通讯的组网方式一1 2 2 5 4 无线通讯模块的设置1 4 2 6 系统防爆防盗功能的实现1 4 第三章基于l p 3 5 0 0 监测终端的硬件电路设计1 7 3 1 监测终端的总体设计1 7 3 1 1 监测终端的设计需求分析l7 3 1 2 监测终端的硬件框架1 8 3 2l p 3 5 0 0 核心板电路分析1 8 3 2 1l p 3 5 0 0 的接口电路1 9 3 2 2l p 3 5 0 0 的处理器r a b b i t 3 0 0 0 2 l 3 2 3l p 3 5 0 0 的功耗管理功能2 2 3 3 扩展电路板设计2 4 3 3 1 电源电路设计2 4 v u 北京化工大学硕士学位论文 3 3 2g p r s 模块的设计2 6 3 3 3 外扩的f l 嬲h 存储2 9 3 4 蓝牙模块3 0 3 5 传感器的选择与电路3 2 3 6r s 4 8 5 通讯3 4 3 7u s b 接口3 4 3 8 继电器电路3 6 第四章监测终端的软件实现3 7 4 1 编译环境介绍3 7 4 2 “c o s i i 操作系统3 7 4 3 监测终端的主要功能分析3 7 4 4 信号采集与滤波3 8 4 5g p r s 通讯程序4 1 4 6 其他部分软件设计4 2 4 7i i c o s i i 系统的启动4 5 第五章监控中心的应用软件开发及泄漏定位方法的创新性研究4 7 5 1 监控中心的应用软件开发环境4 7 5 1 1 虚拟仪器4 7 5 1 2 应用软件开发结构4 7 5 2 监控中心的软件开发4 7 5 2 1 数据读取和显示模块4 7 5 2 2 压力等数据的存储模块4 9 5 3 泄漏定位方法的创新性研究4 9 5 3 1 常用泄漏检测方法介绍4 9 5 3 2 负压波泄漏检测与定位原理5 0 5 3 3 对现有滤波算法的分析5 1 5 3 4 基于改进三次函数滤波的泄漏定位法5 4 第六章结论与展望5 9 6 1 系统与目前国内主要应用监测装置的比较5 9 6 2 结论5 9 v m 目录 6 3 展望6 0 参考文献6 3 鸳| 谢。6 5 研究成果及发表的学术论文6 7 作者和导师简介6 9 l x 北京化工大学硕士学位论文 x c b n t e n 协 co n t e n t s c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 。1 1 1t h e b a c k 粤伽n do f 廿l e r e s e a r c h ”l 1 2s i g i l i f i c a n c ea n dd e v e l o p m e n ts t a t l l so fp r o j e c t 2 1 2 1l i l 协d u c t i o nf b ra c t u a t i n g 以l u i p m 咖o fc c 唧m o np i p e 2 1 2 2p r o b l e mo f p n e 啪a t i ch y d r a u l i ca c _ t u a t o r 3 1 2 3d e v e l o p m e md i r e c t i o no f p n e u m a t i ch y d r a u l i ca c t u a t o r 。4 】3c ：o n t e n t so fm e s i s 4 c h a p t e r2o v e r a ud e s i g no f t h es y s t e m 。7 2 1a n a l v s i so f u s e r s n e e d s 7 2 2s y s t e md e s i g np r i n c i p l e s 7 2 3t h eo v e r a l ld e s i g no fn l es y s t e m 8 2 4o p t i o no fs y s t 锄p o w e rs u p p l y 趾dc a l c u l a t i o no fs y s t 鼬p o w e rd i s s i p a t i o n 9 2 5c h o i c eo fs v s t e mc o m m u n j c a t i o n 1 1 2 5 1r e q u i 坝n e m sf o rc 0 删m l l l i c a t i o nn e t 、) l ，o r ko fm o i l i t o r i n gs y s t e mi n 砌v c c h a n l b e r 11 2 5 2g p r sw i r e l e s sc o m m l m i c a t i o na n di m p l 锄e n t a t i o nm 硎d s 11 2 5 3n e t w o r k i n go f g p r sc o m m l l n i c a t i o l l s 1 2 2 5 4s 帅o f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d 【u l e 1 4 2 6h 1 1 p l 锄e n t a t i o no f s e 饥i r i t y 如n c t i o n sf o rt h ee x p l o s i o n 1 4 c h a p t e r3h a r d w a r ed e s i g no ft h em o n i t o r i n gt e r m i n a lb a s e d o n l p 3 5 0 0 1 7 3 1o v e r a l ld e s i 星皿o f t l l em o i l i t o r i n gt e n n i n a l 1 7 3 1 1r e q u i 僦l e n t sa i l a l y s i so f m o i l i t o r i r 培t e 如1 i n a ld e s i g n 1 7 3 1 2t h eh a r d w a r e 仔a m e w o r ko f l cm o l l i t o r i n gt 蹦n i n a l 18 3 2c o r eb o a r dc i r c u i ta n a l v s i so fl p 3 5 0 0 18 3 2 1h l t e r f a c ec i r c u i to f l p 3 5 0 0 1 9 3 2 2p r o c e s s o rr a b b i t 3 0 0 0o fl p 3 5 0 0 2 l x i 北京化工大学硕士学位论文 3 2 3p o w e rc o n s m n p t i o nm a n a g 锄e n to fl p 3 5 0 0 2 2 3 3e x p a i l s i o nc i r c u i tb o a r dd e s i 印2 4 3 3 1p o w e rs u p p l yc i r c u i td e s i g n 2 4 3 3 2d e s i 即o fg p r sm o d u l e 2 6 3 3 3e x t e n l a lf l a s hs t o r a g ! | e 。2 9 3 4b l u e t o o t hm o d u l e 3 0 3 5s e l e c t i o no f m es e n s o ra n dc i r c u i t 3 2 3 6r s 4 8 5c o i 砌u l l i c a t i o n 3 4 3 7u s bi n t e r f a c e 3 4 3 8r e l a vc i 枷i t 3 6 c h a p t e r4s o f t w a r eo fm o n i t o r i n gt e r m i n a l 。3 7 4 1i n t r o d u l m o no fc o 埘l p i l i r 培e n v i r 0 枷n e n t 。3 7 4 2o p e r a t i n gs y s t e m 肛c o s - i i 3 7 4 3t h em a i nn m c t i o no f m o n i t o r i n gt 锄i n a l 3 7 4 4s i 印a la c q u i s i t i o na i l d6 l t 嘶n g 。3 8 4 5g p r sc 0 i i l 】m l l i l i c a t i o np r o g 姗4 l 4 6s o 脚a r ed e s i g no f o t t - e rp a r t s 4 2 4 7s t a 一坤o fs y s t 锄肛c o s i i 4 5 c h a p t e r5a p p l i c a t i o ns o f h r a r ed e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gc e n t e r a n di n n o v a t i v er e s e a r c ha b o u tl e a k a g el o c a h z a t i o n 。4 7 5 1a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e 、 e l o p m e n te n 讥r 0 埘n e n to f m o i l i t o r i n gc e l l t e r 4 7 5 1 1v i r t u a li n s n l l m e n t s 4 7 5 1 2d e v e l o p m e n ts t f l 】c t u r eo f a p p l i c a t i o ns o f t 、) i r 龇i e 4 7 5 2s o r w a r ed e v e l o p l n e n to f m o n i t o d n gc 吼t e r 4 7 5 2 1m o d u l eo f d a _ 协r e a d i n g 觚dd i s p l a y 4 7 5 2 2s t | 0 r a g e 瑚1 0 d l l l ef o rp r e s s u r ed a t a 4 9 5 3i i l n 0 v a t i v er e s e a r c ha b o ml e a k a g el o c a t i o nm e t l l o d 4 9 5 3 1c o m m o nm 劬o d so f l e a l ( a g e1 0 c a t i o n 4 9 5 3 2p 血c i p l eo f1 e a kd e t e c t i o na l l d1 0 c a t i o nb yn e g a t i v ep r e s s u r ew a v e 5 0 5 3 3a n a l y s i s 矗me x i s t i n gf i l t 舐n ga 1 9 0 r i t h l n s 5 1 5 3 4h n p r o v e dl e a kl o c a t i o nm e t h o db a u s e do n3 r d o r d e r sm e a i lj 6 i l t e ra l g o r i t l l m 5 4 l c 加t c 乱t s c h a p t e r 6c o n c l u s i o na n d e x p e c t a t i o n 。5 9 6 1c o i n p 碰s o no ft h i ss y s t e ma n dm o i l i t o i i n gd e v i c 鹤瑚e dc o l i l 】m o i d y 5 9 6 2c o n c l u s i o no f 如nm e s i s 5 9 6 3e x p e c 舰l t i o n 6 0 r e f l e r e n c e 。6 3 a c k n o w l e d g e m e n t 。6 5 r e s e a r c ha c h i e v e m e n ta n dp a p e rp u b u s h e d 。6 7 b r i e fi n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n da d v i s e r 。6 9 x 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 近几年来，随着节能环保概念越来越受到重视以及经济规划的发展，管道运 输业也迅速兴起。在对危险易燃易爆品( 如天然气、石油) 运输方面，采用管道作 为运输载体有着独特的优势。直至上世纪中期，管道运输通在通过各种情况的考 验之后才发展成为商业推向市场。如今，管道运输已经成为现代运输必不可少的 手段之一【1 1 。 与常规的海、路、空、铁等运输方式不同，管道运输在经济、便捷、安全等 方面都有着明显的优势。首先，管道运输无需占用运输装备，对与单程运送可防 止空载以降低投入成本，避免了货物的装卸过程，实现自动控制，大大提高运输 效率，适用于不易装载的气体物质；其次，与我国运输业龙头一铁路运输相比， 其投入的成本相对较少，不仅占地面积小且对土地的使用几乎没有影响；再次， 管道中的物品只需在管道中流动，可以与外界隔绝实现密封，这对减小燃料损耗、 节约成本有重要的意义；最后，对于石油、天然气等危险物品，安全运输是非常 重要的，只有管道运输能够在不同的外界条件下实现平稳安全运输运输过程对产 品不会造成污染1 2 j 。 就目前而言，以运输为目的的管道干线在全球已高达达二百四十万公里，其 中天然气运输管道占总量的6 3 ，并且仍在快速增加【3 1 。作为能源大国，我国的 天然气资源极为丰富，主要集中在人少地多的中西部地区，其能源储备量为3 3 0 0 万亿立方米，其余分布各地，约占全国总量的3 0 。由于市场经济的推动，东南 部地区的经济飞速发展，能源的消耗量也日益增大，天然气的产出地及市场无法 得到平衡，所以气体的运输显得尤为重要。经过近半个世纪的建设，我国在管道 运输事业方面的发展实现了突飞猛进【4 】。自上个世纪末以来，为了满足东部地区 的耗能需求，我国加大了天然气管道建设力度，陆续完成了西气东输等十余条的 管道建设工程【5 】。目前，天然气管道网络中的主体构造已成型。 就目前的发展趋势以及国家对能源利用的规划来看，十年后天然气的开发量 将比现在翻一番。我国虽是能源大国，但是人口众多且正处于工业发展的过程中， 对能源的需求量日益增加。天然气资源作为不可再生能源是无法替代的，根据可 持续发展战略必须考虑引进国外能源资源的方式扩充我国能源储备量【6 1 。由此可 见，大力发展天然气管道建设是必不可少的。 天然气作为气体能源具有洁净、热度高等优点，所以用途非常广泛，主要分 两大类： 北京化工大学硕士学位论文 ( 1 ) 化工原料：天然气可用于制作氮肥或是加工获取甲醛等化工产品。选用 天然气能够实现节约成本、保护环境的目的【7 】。 ( 2 ) 燃料：在发电、燃气具、代替汽车用油方面天然气起到了不可忽视的作 用。天然气作为燃料污染较少，安全放心，较低的价格带来了可观的经济效益。 天然气管道用于运输易燃易爆气体的载体，其安全性受到了广泛的关注。由 于温度、适度、地形、天气等条件的变化，管道本身会产生老化形变等现象，管 道中的天然气在压强等方面也会改变，此时管道是否能够确保运输的安全性是工 作人员关心的主要问题【8 】。若管道发生泄漏则需要以最短的时间关闭阀门保障生 命财产的安全。管道何时破裂以及泄露位置的确定是重点研究的对象。 1 2 课题意义和发展现状 1 2 1 常用管道执行机构简介 国内天然气管道执行机构的应用现状可分为气动( b 朋盯i s ) ，电动( 罗托克) ， 气液联动( s h a f e r ) 等。其中气动和电动多用在站场小口径的阀门，对于主管 线，进出站及越战的阀门执行机构气液联动执行机构的市场占有率几乎1 0 0 。 图1 1 所示就是一台s h a 衔执行机构。 图1 1s h a f 打执行机构 f i g 1 - 1s h a 矗。ra c t u a t o r 国内目前天然气长输管线阀室可以分为手动阀室和i 删阀室。阀室中阀门 2 第一章绪论 一般为球阀，执行机构为气液联动执行机构。 手动阀室一般都设在现场无法提供电源的场合，依靠气液联动执行机构自身 功能，可以在本地通过手动液压及手动气动的方式开关阀门。同时配有电子破管 保护系统，在管线压力超高、超低、压降速率过快时能够关闭阀门，切断管线【9 1 。 由于现场不能提供外接电源，因此手动阀室不设i u u 系统，不能实现数据监控 及阀门远程关断功斛。不能向上位控制中心反馈阀位信号，报警信号，电池电 压等信息。上位控制中心对手动阀室没有任何监督控制的措施和手段。 r 1 m 阀室一般都能够提供外部直流2 4 v 电源，通过i 删对执行机构实现就 地控制，远程控制，信号远传，及电子破管保护。 按照工程投资预算及现场实际情况，在建设初期，天然气长输管线中手动阀 室与r 1 m 阀室的比例大约在7 5 和2 5 。 图1 - 2 执行机构的原理图 f i g 1 - 2s c h e m a t i co fa c t 眦t o r 天然气长输管线上设置阀室最主要的目的，就是当天然气管线出现破管、爆 管等异常情况下能够迅速及时地关闭距离破管处最近的上下游两个阀门，在第一 时间切断管线，把损失减小到最低【l 。在阀室中最重要也是最关键的部件为球阀 及气液联动执行机构。阀门在此过程中作为一个受控单元，能否保证阀门在此过 程中准确无误的完成关阀动作靠的是与球阀匹配的气液联动执行机构【1 2 1 。这时， 气液联动执行机构的可靠性及稳定性显得尤为重要。 1 2 2 气液联动执行机构存在的问题 3 北京化工大学硕士学位论文 造成手动阀室气液联动执行机构可靠性及稳定性差的主要原因是： 1 、在发生危险情况需要关阀时，关阀措施单一，只有电子破管保护系统检 测管线压力自动关阀一种途径。 2 、鉴于现场条件的限制，普遍采用太阳能板+ 蓄电池的供电模式，虽然这种 供电方式本身没有问题，但是由于手动阀室没有任何对此电源进行监督的手段。 电源得不到监控，成为手动阀室稳定性及可靠性差的最大隐患。 3 、发生关阀事件后不能及时处理。例如在两个r 1 u 阀室之间有5 个手动阀 室，如果5 个手动阀室中的任何一个阀室发生了关阀事件，由于手动阀室没有故 障报警及信号远传功能，监控中心并不知道是哪一个阀室发生了关阀事件【1 3 】。例 如川气东送项目在四川境内管道多经过山区地带，如有生产运行人员逐个到现场 排查究竟是哪一个阀室发生了关阀事件，将耽误很多时间。不利于事故及时处理。 1 2 3 气液联动执行机构的发展方向 对于气液联动执行机构本身来说，如何保证执行机构的可靠性及稳定性可以 分为控制部件及执行部件两部分来分析。理论上只要执行部件能够准确的执行关 阀操作( 执行机构的执行部件是纯机械性的部件，发生故障的可能性微乎其微) ， 那么在阀门正常的情况下，关阀成功率应在1 0 0 。归根结底，保证执行机构的 控制部分的可靠性是提高手动阀室稳定性及可靠性的最直接，最根本，最有效的 手段【1 4 1 。 。 提高控制部分的可靠性主要靠以下手段： 1 、针对现有手动阀室无法解决供电问题，仍然需要依靠太阳能板+ 蓄电池供电 方式的现状，增加r 1 u 监控系统同时进可能的降低功耗，随时监控电源情况， 有问题，随时报警，随时解决。 2 、对现有气液联动执行机构进行硬件升级，增加远控开，关阀功能，在问题 发生后，如电子破管保护系统由于电源等原因，不能有效关阀，i 删监控系统 能够提供追加的关阀命令( e s d 关阀) 或开阀动作。进一步提供整个系统的安 全等级。 综上，为了保证天然气管道平稳输气和安全生产，手动阀室的改造工作势在必 行。 1 3 课题的主要工作内容 课题的主要工作内容： 开发出一个新的监测终端。它既能监测管线运输情况又能把手动阀室的现场 4 第一章绪论 数据传送到监控中心。监控中心可以对终端上传的数据进行显示和保存，可以下 发开关阀门命令，可以对压力数据分析计算出泄漏点位置。现有手动阀室气液联 动执行机构的功能为就地开关阀门，电子破管保护系统自动关阀。改造后，系统 将具有以下功能： l 、气液联动执行机构在原有基础上具备阀位远传，远控开，关阀功能。 2 、能够对电子破管保护系统电池电压提供实时监控，在系统电池耗尽前5 天前给控制中心发送报警信号，提示工作人员到现场更换电池。如在电池耗尽l 天前仍然无人来更换电池，则停掉系统的自动关阀功能。避免由于系统电池电压 低造成的误关阀事故。同时，给控制中心发送等级最高的报警信息，提示应及时 更换电池。更换电池后，系统功能自动回复。 3 、通过无线通讯方式与控制中心通信，并接受控制中心指令。能够实现接 受控制中心指令进行独立远程关阀控制，并且能够在电子破管保护系统发生故 障，不能正常关阀时，提供追加的关阀操作，保证系统能够准确的关阀操作，进 一步提供系统的安全等级。 4 、能够采集管道的天然气压力等数据传送到控制中心。 5 、能够监督现有手动气液联动执行机构阀室中的压力信号，低压，高压， 压降速率，电池电压等的报警情况。监测到异常自动控制阀门关闭。 5 一 一一 北京化工大学硕士学位论文 _ = 二一- 6 第二章系统的总体设计 第二章系统的总体设计 2 1 用户的需求性分析 根据我国天然气管道建设的一般规律，平均每3 0 公里一个阀室，每2 5 0 公 里一个天然气站场。天然气站场会有人2 4 小时职守，阀室全部是无人职守的。 我们以一个站场为例，其需要监管维护的上，下游阀室数量应均为4 个，除 去2 个r t u 阀室，需要监测的阀室总数为6 个。对于每个手动阀室中均有一路 可以手动打开的备用旁通管路和一个主管线切断球阀。s h 娟贸气液联动执行机构 是应用在主管线球阀上的执行机构，产自e m e r s o n 公司的s h a f 打气液联动执 行机构是我国天然气管道阀室应用最为广泛的执行机构。 s h a 断气液联动执行机构可以提供阀门全开或全关到位的干触电信号，远程 控制或就地控制方式的触点信号。监测终端需要把这些信号采集并监测，当状态 改变时应及时向监测中心发送报警。监测终端需要采集管线的压力信号，阀室的 环境温度和电池电压3 个模拟量输入。监测终端应该监测采集到的数据，当发生 异常时，应该作出合理正确的反应并把情况报警给检测中心。监测终端应具有通 讯质量可靠，数据采集准确，可扩展性强和维护方便等特点