一種基于GPRS的天然氣管道函箱檢漏裝置

近年來，隨著西氣東輸工程的建設(shè)和順利投產(chǎn)，浙江、江蘇和上海等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)開始了大規(guī)模的天然氣長輸管道的建設(shè)。由于長三角地區(qū)水系發(fā)達(dá)，高等級公路、鐵路密布，在管道建設(shè)中，經(jīng)常需要采用頂管施工工藝穿越河流、公路和鐵路，即先頂進(jìn)水泥套管，然后將天然氣管道沿套管形成的涵洞中穿進(jìn)[1]。套管直徑為天然氣管道的1.5-2倍，管道就位后，水泥套管兩端封閉，從而在套管和天然氣管道間形成了一定的空間，即稱為函箱。由于腐蝕、地基沉降、施工等因素[2,3]，可能導(dǎo)致套管內(nèi)天然氣管道發(fā)生泄漏，泄漏的天然氣容易在函箱內(nèi)聚集，一旦泄漏的天然氣產(chǎn)生爆炸事故，會(huì)導(dǎo)致天然氣供氣中斷，所穿越的公路、鐵路交通中斷，造成重大損失。由此可見函箱內(nèi)天然氣的泄漏聚集具有較高的危險(xiǎn)性，需要對其進(jìn)行有效監(jiān)控。
目前，對于天然氣管道的監(jiān)控主要是測定管道的壓力、溫度等運(yùn)行參數(shù)，通過光纖通信、微波通信、專線通信或衛(wèi)星通信將測量數(shù)據(jù)傳送至中央集控室，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析確定管道有無泄漏并進(jìn)一步判斷泄漏發(fā)生的位置[4-10]。然而，此類監(jiān)控方式的通信設(shè)施建設(shè)投入非常大，維護(hù)和運(yùn)行也比較復(fù)雜，同時(shí)通信工程的建設(shè)還受到地形地貌、大型建筑物、交通設(shè)施以及信號傳送頻率的影響，因此此類監(jiān)控方式并不適用于函箱處的天然氣泄漏監(jiān)控。另外，由于函箱封閉，巡線工人很難對函箱內(nèi)的泄漏進(jìn)行檢測。基于GPRS網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，而且技術(shù)成熟[11,12]。因此，本文針對天然氣管道函箱位置分散、難以人工檢測以及泄漏遇明火易發(fā)生爆炸的問題，研制了一種基于GPRS的低功率、長壽命、高靈敏度的天然氣管道頂管穿越部位的函箱檢漏裝置。

1  設(shè)計(jì)方案的確定
本文針對浙江省天然氣長輸管道關(guān)鍵部位（如：穿越橋梁、高速公路、居民區(qū)等）研制出函箱檢漏裝置。該裝置采用成熟的甲烷傳感器測量函箱內(nèi)天然氣濃度，具有較高的可靠性和靈敏度；為了適用于野外環(huán)境，裝置的電源系統(tǒng)采用電池供電；為了降低功耗和具有較強(qiáng)的處理能力，裝置的主控制器采用高性能DSP。通過對天然氣濃度和電源電量進(jìn)行測定，確定報(bào)警級別，將告警信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳回天然氣公司的通訊服務(wù)器，寫入數(shù)據(jù)庫。上層的地理信息系統(tǒng)（GIS）可以不斷訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，將函箱內(nèi)天然氣濃度顯示在應(yīng)急指揮決策系統(tǒng)上，一旦有濃度出現(xiàn)并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對天然氣管道頂管穿越函箱部位的全天候監(jiān)測報(bào)警[13]。

2  函箱檢漏裝置的設(shè)計(jì)
2.1 頂管穿越施工工藝
對于交通頻繁的公路、鐵路穿越，以及不允許開挖的河流、公路、鐵路等場合，在地質(zhì)條件允許的情況下，一般采用頂管穿越。頂管穿越套管的形式根據(jù)《混凝土和鋼筋混凝土排水管》（GB11836）選用，同時(shí)根據(jù)管徑大小選用選擇套管。頂管盡量在原土層內(nèi)通過，同時(shí)對軟弱土層和地下水水位較高地段應(yīng)采取適當(dāng)措施防止拱起與塌陷以及滲流的影響。

頂管穿越施工時(shí)，一般先開挖工作坑，再按照設(shè)計(jì)管線的位置，在工作坑底修筑基礎(chǔ)，設(shè)置導(dǎo)軌，把套管安放在導(dǎo)軌上，開設(shè)洞口放水，然后用千斤頂將套管頂入。公路頂管穿越施工圖如圖1所示。

2.2  函箱檢漏裝置
函箱檢漏裝置由電源系統(tǒng)、天然氣濃度監(jiān)測單元、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理模塊、信息發(fā)送裝置、GPRS網(wǎng)絡(luò)等模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖和實(shí)物分別如圖2和圖3所示。

裝置中各功能模塊說明如下：
（1）電源系統(tǒng)：采用6V電池供電，由于主控制器DSP采用3.3V供電，信息發(fā)送單元SIM300采用4V供電，JTAG調(diào)試接口采用5V供電，因此系統(tǒng)通過LDO器件MIC29302和TPS7333Q將6V輸入分別轉(zhuǎn)換為5V、4V和3.3V輸出。

（2）電源檢測系統(tǒng)：通過檢測電壓監(jiān)控電源系統(tǒng)1，電源檢測系統(tǒng)2測得的電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，報(bào)數(shù)據(jù)處理模塊5分析，并通過信息發(fā)送裝置6、GPRS網(wǎng)絡(luò)7、通訊服務(wù)器8將運(yùn)行信息報(bào)告至中央控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫9。

正常運(yùn)行狀態(tài)下每天發(fā)送一次運(yùn)行報(bào)告至數(shù)據(jù)庫9。當(dāng)電源系統(tǒng)1電量低時(shí)則發(fā)送報(bào)警信息，電量低于30%每周發(fā)送一次報(bào)警信息，電量低于10%每天發(fā)送一次報(bào)警信息，電量低于5%每六小時(shí)發(fā)送一次報(bào)警信息。

（3）天然氣濃度監(jiān)測單元：采用低功耗催化燃燒可燃?xì)怏w傳感器（在本裝置中采用甲烷濃度傳感器），傳感器測得的天然氣濃度信號為毫伏信號（5000ppm濃度甲烷對應(yīng)18mv），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，報(bào)數(shù)據(jù)處理模塊5分析。

正常運(yùn)行狀態(tài)下通過信息發(fā)送裝置6每天發(fā)送一次運(yùn)行報(bào)告至數(shù)據(jù)庫9。當(dāng)天然氣管道出現(xiàn)泄漏時(shí)，根據(jù)泄漏的天然氣濃度高低分為三個(gè)報(bào)警等級：三級報(bào)警（1000ppm，20％LEL）信息每小時(shí)發(fā)送一次，二級報(bào)警（3000ppm，60%LEL）信息十分鐘發(fā)送一次，一級報(bào)警（>3000ppm）信息每分鐘發(fā)送一次。

（4）A/D轉(zhuǎn)換器：主控制器TMS320LF2407自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，可直接對采集的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

（5）數(shù)據(jù)處理模塊：電路主控制器采用TMS320LF2407，16位定點(diǎn)DSP。它除了具有DSP的基本功能，還具有極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式。

（6）信息發(fā)送裝置：其中的數(shù)據(jù)發(fā)送部分采用SIM300GPRS模塊。

（7）報(bào)警短信信息通過信息發(fā)送裝置6由GPRS網(wǎng)絡(luò)7、通訊服務(wù)器8發(fā)送至數(shù)據(jù)庫9，即可對電源系統(tǒng)1進(jìn)行更換或?qū)μ烊粴夤艿佬孤c(diǎn)進(jìn)行檢查搶修。
搶修后，電源檢測系統(tǒng)2、天然氣濃度監(jiān)測單元3分別測得的電源電壓和天然氣濃度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，報(bào)數(shù)據(jù)處理模塊5分析，連續(xù)十五分鐘正常，則取消報(bào)警。

3  裝置的技術(shù)特點(diǎn)

函箱檢漏裝置采用了計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)主要如下：
（1）低功耗、長壽命：該函箱檢漏裝置采用低功耗的可燃?xì)怏w傳感器、低功耗且性能穩(wěn)定的低電壓DSP處理器及成熟的GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，正常時(shí)以近乎待機(jī)的方式僅分析數(shù)據(jù)，放棄大量無效數(shù)據(jù)的發(fā)送，使系統(tǒng)功耗降到最低。檢測到泄漏時(shí)按設(shè)置條件加快發(fā)送頻率，使得管理人員能夠迅速采取有效措施。此種方式摒棄了常用的大功率常備電源連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的監(jiān)測設(shè)計(jì)思路，使用一塊小容量工業(yè)蓄電池可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作三個(gè)月以上，大大提高了系統(tǒng)的獨(dú)立性。
（2）高靈敏度：布置高靈敏度可燃?xì)怏w傳感器來采集函箱內(nèi)天然氣泄漏的濃度信號，可測氣體最低濃度達(dá)500ppm。
（3）高可靠性，適于野外應(yīng)用：采用公用移動(dòng)信息網(wǎng)傳輸報(bào)警信息，并且將無線網(wǎng)絡(luò)和管道的GIS監(jiān)控相結(jié)合，反應(yīng)及時(shí)，錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)率低。

4  測試與運(yùn)行
函箱檢漏裝置最終應(yīng)用于基于GIS的天然氣長輸管道應(yīng)急指揮輔助聯(lián)動(dòng)決策系統(tǒng)中，該系統(tǒng)是浙江省科技廳重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“浙江省天然氣長輸管道安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究”的重要成果之一，且目前已經(jīng)成功應(yīng)用到天然氣長輸管道中。圖4和圖5展示了該裝置的運(yùn)行結(jié)果，一旦函箱中檢測到氣體泄漏或電源電量減少，則通過短信平臺發(fā)送信息至基于GIS的天然氣長輸管道應(yīng)急指揮輔助聯(lián)動(dòng)決策系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)顯示每一個(gè)函箱對應(yīng)的天然氣管段的報(bào)警信息；同時(shí)，給相關(guān)負(fù)責(zé)人的手機(jī)上發(fā)送報(bào)警短信，便于工作人員及時(shí)做出處理。

5  結(jié)論
針對天然氣管道函箱部位存在的泄漏難以檢測、函箱位置分散等問題，提出了一種基于GPRS的天然氣管道函箱檢漏裝置。該裝置采用低功耗設(shè)計(jì)思路，使用電池供電，以高性能DSP為主控制器，結(jié)合甲烷傳感器，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，具有低功耗、高靈敏度、長壽命的特點(diǎn)。將該裝置應(yīng)用于基于GIS的天然氣長輸管道應(yīng)急指揮輔助聯(lián)動(dòng)決策系統(tǒng)中，系統(tǒng)運(yùn)行測試證明該裝置能夠遠(yuǎn)程、快速、有效、全天候地監(jiān)控野外天然氣管道函箱部位的泄漏聚集情況。該裝置上層接口簡單，成本較低，安裝方便，有利于函箱檢漏報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)快速組網(wǎng)和擴(kuò)容，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：
[1]        徐敬林, 寧海程. 石油天然氣管道地下工程施工工藝綜合分析[J]. 焊管, 2008, 31(4): 81-84.
[2]        李翔, 鄭津洋. 發(fā)生樁基沉降在役壓力管道的斷裂失效風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 壓力容器, 2006, 23(4): 40-43.
[3]        Caleyo F, Gonzalez J L, Hallen J M. A study on the reliability assessment methodology for pipelines with active corrosion defects[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2002, 79(1): 77-86.
[4]        陳志剛, 張來斌, 王朝暉, 等. 應(yīng)用微波技術(shù)檢測天然氣管道泄漏[J]. 天然氣工業(yè), 2008, 28(1): 119-121.
[5]        胡志新, 張桂蓮, 何巨, 等. 利用分布式光纖傳感技術(shù)檢測天然氣管道泄漏[J]. 傳感器技術(shù), 2003, 22(10): 48-49, 53.
[6]        劉祖德, 趙云勝. 天然氣集輸站泄漏監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2007, 7(2): 130-132.
[7]        Chet S. The application of a continuous leak detection system to pipeline and associated equipment[J]. IEEE Transaction on Industry Applications, 1989, 25(5): 906-909.
[8]        Ferrante M, Brunone B. Pipe system diagnosis and leak detection by unsteady-state tests 2 wavelet analysis[J]. Advance in Water Resources, 2003, (26): 107-116.
[9]        Rafai W, Barnes R J. Underlying performance of real time software based pipeline leak detection systems[J]. Pipes and Pipelines International, 1999, 6(2): 44-51.
[10]        徐素紅, 崔玉婷, 馮麗. 基于GPRS的輸油管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)的研究[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 28(5): 293-295.
[11]        包亮, 王里奧, 陳萌, 等. 基于GPRS的市政下水道氣體安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J]. 中國給水排水, 2009, 25(15): 39-42.
[12]        石平, 楊曉明, 郭偉燦, 等. 基于GPRS的函箱敷設(shè)天然氣管道泄漏報(bào)警裝置[P]. 中國實(shí)用新型專利: ZL200820168794.2.

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