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成绩:课程设计报告成品油输送管道泄漏检测与定位系统设计课程名称班级姓名学号指导教师目录1摘要.......................................................21.引言.....................................................31.1.需求分析............................................31.2.文献综述............................................32.总体设计.................................................82.1.系统功能............................................82.2.系统总体结构........................................83.具体设计方案............................................103.1.硬件设计...........................................103.2.软件设计...........................................134.结论....................................................18参考文献..................................................19附录......................................................212摘要输油管道运输在国民经济中起着重要作用。由于不可避免的自然、人为原因,管道泄漏时有发生,严重干扰了正常生产,造成了巨大的经济损失和环境污染,故管道泄漏检测与定位研究具有重要意义。本方案通过分析输油管道发生泄漏时负压波的变化特点,通过小波变换进行管道泄漏检测与定位。本方案运用了虚拟仪器技术,结合负压波信号特征,研制了专用的信号调理模块;基于GPS和多线程技术,实现负压波信号的异地同步采集。并从理论上验证了该方案的可行性。关键词:负压波,小波变换,数据同步采集,管道泄漏31.引言1.1.需求分析当前,随着经济的迅猛发展,成品油的管道输送已成运输的重要方式之一,其具有运输量大、运费低、能耗少、损耗率低、投资少等优点。现代成品油管道系统是一个国家经济实力的标志,近年来我国成品油管道得到了高速发展[1][2]。随着成品油管道长度的不断增长,由于施工、材料缺陷,管道投产后的腐蚀、外部损伤、自然灾害等原因,管道运营过程中不可避免地会发生管道失效事故,造成人身伤害、巨大的经济损失和环境污染事故[3]。与原油管道相比,成品油管道泄漏多在输送压力较高的情况下发生,有泄漏量大、污染严重、易燃易爆等特点。因此,管道泄漏监测不仅成为安全生产的重要工作内容,也是管道正常运行不可缺少的保障,对成品油管道泄漏监测与定位系统的研究有着重要意义。1.2.文献综述1.2.1管道泄漏的监测方法随着管道技术的提高,管道泄漏监测技术也在不断发展。根据不同的监测原理,管道泄漏监测技术大体分为以下几种:流量、压力、化学、声学、统计、光学、模型的监测方法[4]。管道泄漏监测技术关键解决两方面的问题:一是管道泄漏报警,二是泄漏点精确定位。近年来以负压波法为基础的管道监测系统在国内得到广泛应用,故本方案采用负压波法设计监测泄漏的定位报警系统。(1)负压波法的压力定位原理当管道发生泄漏时,泄漏点处压力突然降低,根据流体力学的理论,泄漏点会产生一个负的压力变化,称为负压波[5]。4负压波向上、下游传播,并逐渐衰减,这种压力波动具有几乎垂直的前缘。利用安装在管道上下游的压力传感器监视管道压力参数,捕捉瞬时压力突变,可以判断管道泄漏事故的发生。根据负压波向上游和下游传递的速度和到达两端压力变送器的时间差,可以精确计算出泄漏点的位置。如图1所示,设管道长度L、压力波传递速度、介质流速v,管道泄漏点距首站的距离X,泄漏点到首站和末站的负压波传播时间为t1和t2。t1(1.2.1-1)vLt2(1.2.1-2)v设tt1t2(1.2.1-3)122(1.2.1-4)则Lvtv2负压波波速在1000-1200m/s之间,流体速度在1.5-3m/s之间,因此流体速度忽略不计,上式可以简化为Lvt(1.2.1-5)2X:泄漏点距上游泵站距离,m;L:上游泵站与下游泵站间长度,m;v:管输介质中负压波的传播速度,m/s;t:上下游传感器接收压力波的时间差,s;5其中管道长度L为已知值,介质的流速v可以根据输油泵的流量及管道的内径、长度计算得出。从上面公式可以看出负压波定位的关键技术主要包括:负压波的捕获;上下游压力波捕获时间的同步;负压波波速的确定。由于工业现场的电磁干扰、输油泵的振动等因素的存在,采集到的压力波形序列附加有大量的噪声,压力变化的信号并没有理想的突变沿,缓泄时压力变化的幅度与噪声或干扰信号的幅度相当,乃至被其完全淹没。因此,负压波法能否成功应用,关键问题之一是能准确捕捉到泄漏时的信号突变点[5]。本方案采用小波变换来解决这一问题。(2)负压波法的流量变化规律当首、末站之间的输油管段内某一点发生泄漏时,泄漏点压力突然降低。所产生的负压波将沿管道向两端传播。当该负压波传播到管道端点时,引起首站出口压力和末站进口压力降低的同时,引起首站出口流量上升,末站进口流量的下降。流量上升和下降与压力的变化几乎是同时发生的,因此也可以用流量来定位。但由于流量变化反应时间长、受流量测量精度限制,不能对泄漏点进行精确定位,所以常用来报警或辅助定位。(3)报警原理根据流体力学的理论,管道发生泄漏,首站压力下降、流量上升,末站压力下降、流量下降。上述四大特征同时出现说明管道发生了泄漏。为了减少误报警。首站压力下降、流量上升,末站压力下降、流量下降要达到一定的设定值,系统才报警。报警有两种方式,一种是逻辑报警。首站压力、流量,末站压力、流量构成。另一种是强制报警,由输差决定。强制报警是指压力没有明显变化而输量不匹配,即首站流量一定时间内大于末站流量产生“输差”,当“输差”达到一定值时系统报警,这种报警一般是提醒值班人员注意。1.2.2.小波变换小波变换是一种时间——尺度分析方法。小波变换在时、频域中均具有表征信号局部特征的能力。利用小波变换的极值可以检测信号的边沿,并且可以抑制噪声[6][7]。因此,可以通过小波变换检测瞬态负压波的下降沿进行泄漏检测,通过确定负压波到达上下游压力测点的时间差来进行泄漏点定位。6小波变换继承了快速傅立叶变换的局部化思想,克服了其窗口大小和形状固定不变的缺点。它不但可以同时从时域和频域观测信号的局部特征,且时间分辨率和频率分辨率可变,是一种比较理想的信号处理方法。设f(t)是平方可积函数,ψ(t)是小波基函数,则连续小波变换可定义为b,1*tbdta,0(1.2.2-1)CWTat是基本小波的位移和尺度伸缩,a,其中ab,b,t都是连续变量,故(1.2.2-1)是连续小波变换。21要对信号进行重构,要满足Cv2d(1.2.2-2)在上述条件成立时反变换存在stC1a12CWTab,ˆtabdadb(1.2.2v3)小波函数ab的时域分辩率为at,频域分辩率为a,其乘积与a无aa1tbaa7关,这说明ab也遵循不确定原理。但是,其特点是品质因数为常数2Q,虽然不能同时获得高的时域或频域分辨率,但分辨率是随尺度a变化0的,即能够实现高频的频率分辨率低,低频的频率分辨率高,这是做信号处理所希望的[6][7]。详细来说,当a值小时,时间轴上观察范围小,而在频域上相当于用较高频率做分辨率较高的分析,即用高频小波做细致观察;当a值较大时,时间轴上考查范围大,而在频域上相当于用低频小波做概貌观察。在各分析段内分析的品质因数Q保持一致。1.2.3.虚拟仪器技术所谓虚拟仪器,就是在通用计算机平台上,用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能,其实质是将传统仪器硬件与最新计算机软件技术充分结合起来,以实现并扩展传统仪器的功能[8]。与传统仪器相比,虚拟仪器在自动化、智能化程度,远距离传送处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势,有许多传统仪器无法比拟的优点,使得虚拟仪器的应用领域非常广泛。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡(DAQ)系统、通用接口总线(GPIB)仪器系统、VXI仪器系统、PXI仪器系统。LabVIEW是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境,最大特点就是采用全图形化编程,入机界面的建立完全是所见即所得[8][9]。内部集成了大量的生成图形界面的模板,如各种开关、旋钮、表头、刻度杆、指示灯等,包含了组成一个仪器所需的主要部件,而且用户也可方便的设计库中没有的仪器。LabVIEW中编写的源程序很接近于程序流程图,利用LabVIEW画出方框图(程序流程图)后即可自动生成测试软件,而不需要再去编写文本程序。作为一种高水平的程序设计语言,同传统的编程语言相比,采用LabVIEW图形编程方式可以节省大约80%的程序开发时间,而其运行速度却几乎不受影响[8]。82.总体设计2.1.系统功能输油管道泄漏检测与定位系统的构建,应结合输油管线的具体情况。本系统应具有:数据采集、泄漏检测、泄漏定位等功能。(1)数据采集功能集成的泄漏检测与定位系统应具有数据采集功能,包括现场压力信号的获取和转换。获取压力信号是系统的首要任务,系统应具有专用的数据采集模块,将采集到的压力信号送入后续模块[11]。(2)泄漏检测功能系统应具有对泄漏是否发生进行实时检测的功能。在基于负压波的泄漏检测方法中,通过对出进站压力信号的处理,系统应判断出是否有泄漏发生[12]。(3)泄漏定位功能在泄漏检测功能判断泄漏发生后,泄漏定位功能实现对泄漏点定位。泄漏定位功能是系统的核心部分,在对压力信号实时检测的基础上,结合虚拟仪器技术在数据采集、分析、处理上的优势,利用小波变换技术,实现对输油管道泄漏的实时定位。2.2.系统总体结构本文设计的泄漏检测与定位系统是系统硬件和软件的组合集成,其体系结构体现了它的集成形式。泄漏检测与定位系统是以虚拟仪器技术为基础,将物理上或逻辑上分布的设备进行集成,并结合小波变换等技术,共同完成输油管道泄漏的检测与定位。因此,管道泄漏检测与定位系统不仅要满足互操作性和开放性的要求,还要满足通用性、可靠性、实用性、灵活性和数据完整性的要求。图2所示为系统组成及工作原理示意图。现场负责管道输送的SCADA系统在管道首末两站装有压力、温度、流量等传感器。其中压力测量采用罗斯蒙特公司的3051型系列压力变送器,温度、流量等辅助参数可通过现场SCADA系统的施耐德PLC通过Modbus总线采集。系统使用一入两出的隔离安全栅将压力信号分为两路,一路接回SCADA系统,另一路经信号调理后由数据采集卡高速采集,采集到的压力数据打上GPS时9间标签后向调度中心实时传输[13]。调度中心实时监测全线运行,联合首、末站数据进行分析判断。输油管道各段首术两端均安装有压力变送器,工作站1采集到的第2路信号为该段的出站压力信号。工作站2采集到的第l路信号为该段进站压力信号。压力信号在经过信号调理后被异地同步采集模块采集,异地同步采集模块保证了工作站1和工作站2采集到压力信号序列的精确同步。采集到的信号经过数据传输模块,到达调度中心。调度中心实时接收各[作站系统的压力数据,结合SCADA系统的温度、流量等信息进入压力数据及辅助信息获取模块。调度中心综合利用各种方法对泄漏进行检测,并在泄漏发生时实时定位。103.具体设计方案3.1.硬件设计一个典型的数据采集系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机四部分组成。下面我们对系统中各个部分的硬件以及硬件的选型作近一步的介绍。3.1.1.系统硬件平台综合考虑成本、可靠性
本文标题:成品油输送管道泄漏检测与定位系统设计
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