石油天然氣管道儲運安全系統研究

趙 黎，丁一軍，衛 瑋，葉 飛

(1.江蘇君信新華安全科技有限公司，江蘇 張家港 215600； 2.張家港市應急管理局，江蘇 張家港 215600)

我國近些年的工業產業快速發展，對油氣的需求量也在不斷增加，儲運管道的長度、數量與日俱增[1]。油氣管道運輸的介質易燃、易爆，如汽油、柴油的危險程度較大，引起爆炸和火災事故的概率較大。此外，這類介質也極易揮發、泄漏，管道沿線的環境復雜，發生風險的概率較大，油氣管道內可能存在多種油品順序輸送，這些情況都會對管道儲運的安全性造成負面影響。為確保順利完成油氣輸送任務，需設計一套高效、全面的安全系統，確保管道儲運的安全性。

1 整體設計

油氣儲運管道的環境復雜，安全監控過程中的影響要素過多，為了確保監控的及時性，保證油氣運輸時的監測工作有足夠的準確度，選擇擁有數據并行處理能力的FPGA系統[2]。使用 FPGA 作為微控制器進行數字電路和邏輯程序的設計，對儲運管道安全監測系統使用電極切換進行邏輯控制，依靠操作外部ADC和并行傳輸的方法滿足油氣運輸時需要采集多通道數據的要求，系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構框架Fig.1 Overall structure framework of the system

該系統屬于8通道數據采集設計，能夠對多個儲運管道的油氣運輸情況進行同步采集，其運作邏輯是將監控設備獲取到與油氣運輸相關的數據通過模數轉換芯片進行同步式采集，系統中一共有3片FPGA。其中，2片是用于對采集數據的緩存，另一片用于邏輯控制，采集到的數據經前2片緩存后經過第3片進行邏輯處理，并在經過網口時按照既定順序將8個通道的數據傳送到上位機中，操作人員根據接收到的信號進行后期處理。

2 軟件設計

軟件設計采取自頂向下的思路進行系統模塊化設計，由無數子模塊共同組成FPGA系統，該軟件系統的模塊構成如圖2所示[3]。

圖2 軟件總體結構框架Fig.2 Software architecture framework

該系統由FPGA將AD轉換得到的監測數字信號進行內部預處理，再通過千兆網口將處理過的數據傳輸到上位機的顯示界面，操作人員根據顯示的畫面內容即可以掌握管道的儲運情況[4]。因為管道儲運的復雜性，在油氣的運輸過程中會產生大量的干擾信號，為了保障系統所采集到的信號均完整有效，在系統設計時添加了一個用于預觸發的自適應閾值觸發模塊，這個模塊是用于當干擾信號導致有效信號不能被固定閾值觸發所識別時，可以繼續保證采樣數據擁有足夠的完整性和有效性，提高系統對干擾信號的鑒別程度，增強對油氣在管道內輸送時所發出信號的有效識別程度[5]。該模塊和滑動均值濾波模塊配合使用，對8個通道中的信號行多級緩存模式，將所采樣到的油氣信息緩存到寄存器中，進行濾波處理后給到自適應閾值判斷模塊內，由自適應閾值判斷模塊對油氣信號加以識別。具體流程設計如圖3所示。

圖3 自適應閾值判斷模塊觸發流程設計Fig.3 Trigger flow design of self-adaptive threshold judging module

監控系統所采集到的數據將經由自適應閾值判斷模塊進行多于5次的判斷，如果多于5次判斷都符合觸發條件，說明所采集的數據觸發有效，將其緩存到存儲模塊中，確保采集數據的精確性。

3 硬件設計

考慮油氣管道運輸的介質存在易燃易爆的特點，為了保證信號的穩定傳輸，選用防爆線作為信號線，用防爆箱作為電路的安裝載體，硬件組成包括電極傳感器、信號處理設備、數據采集電路和終端等幾個部分[6]。ADC和電極切換由FPGA操作，依靠硬件對語言編輯進行描述，實現對控制時序的切換以及數據采集。采用8通道采樣頻率對儲運管道運輸油氣過程中的液位信息進行采集，并通過輸送上位機觀察油氣運輸中是否發生滲漏現象。系統硬件結構如圖4所示。

圖4 管道安全監測硬件設計框架Fig.4 Hardware design framework of pipeline safety monitoring

系統所使用的陣列電極模式為2×4陣列電極，其結構參數如圖5所示，圖5中的E1—E8為系統的陣列電極傳感器，設置在儲運管道的下方，奇偶兩電極以對稱形式分布，電極外部設置為屏蔽罩，電極間距L為陣列電極距上方管道的距離，d為E1—E8電極的厚度。

圖5 陣列電極結構參數示意Fig.5 Structural parameters of array electrode

4 仿真分析

針對儲運管道在運輸油氣過程中的滲漏情況進行安全系統的電極響應特性仿真分析。在滲漏出現時，電極E3根據發生的滲漏率差異出現了6種靈敏度響應，將高介電常數、低介電常數與混合電常數的測量電容值分別用Cf、Ce、Cij表示，因此歸一化電容C的算式當為：

(1)

通過算式(1)計算出滲透率的實際值、仿真計算值、仿真計算滲透率的絕對誤差和相對誤差，分別用α真實、α仿真、Δα仿真和δα仿真表示。計算結果見表1。

表1 不同滲漏率的仿真誤差Tab.1 Simulation errors of different leakage rates

從表1所示數據可知，當管道的實際滲漏率≥ 0.21%，但同時≤8%時，運用仿真計算所能取得的儲運管道滲漏率絕對誤差在0.01%～0.39%，平均誤差為0.131%。儲運管道滲漏率相對誤差在0.95%～7.14%，平均誤差為3.46%。當管道的實際滲漏率≥ 1%，但同時≤8%時，儲運管道滲漏率平均相對誤差為2.72%[7]。這表明根據所設計參數的陣列電極進行儲運管道監測，可以及時發現管道存在的微小滲漏問題，并進行測量和定位，幫助工作人員鎖定問題根源并予以解決，保證油氣運輸的安全。

系統的傳感器C與方波信號頻率f的大小等式關系為：

(2)

式(2)中的C與f為反比關系，用Multisim做電路的仿真測試，用公式②對0～30 pF電容器的輸入信號加以計算，得到結果如圖6所示，計算結果見表2，數據表明電容變化和頻率大小呈反比關系。

圖6 測量仿真結果Fig.6 Measurement simulation results

表2 仿真數據分析Tab.2 Simulation data analysis

儲運管道的運輸介質屬于液體，流動性較強，信號頻率在運輸過程中存在發生微弱變化的可能性。當運輸介質為空氣時，獲得如圖7所示測量頻率，平均值為f1=41.8 kHz；當運輸介質為油品時，獲得如圖8所示測量頻率，平均值為f2=40.9 kHz。這表明電容的大小會因為運輸介質的改變而改變，并引起方波信號頻率的變化，頻率大小順序為f2

圖7 空氣介質測量結果Fig.7 Measurement results of air medium

圖8 油品介質測量結果Fig.8 Measurement results of oil medium

5 實例分析

測試方式是將系統監測到的“液位”信息向電量信息轉化[9]。轉化后通過FPGA開展通道采樣，在保障系統所有模塊都具備正常供電的前提下連接所有電路模塊，依次測試各模塊性能。將安全系統的軟件和硬件進行連接處理，讓JTAG接口通過FPGA向數據采集電路下載控制程序，以6.25 kHz采樣頻率對傳感器部分數據以及電極數據進行采樣，將采集數據從串口進行傳輸，得到數據結果見表3。

表3 ADC數據采集測試Tab.3 ADC data acquisition test

由表3可知，該系統實際測量中出現的最大誤差為9 mV，這表明該安全系統的數據采集穩定性良好，能較好地監測儲運管道的油氣運輸情況，并及時發現滲漏等問題，避免危機事故的發生。

6 結語

油氣儲運管道是油氣資源運輸、供給的重要工具，其運輸安全不僅關系到國家能源的安全、社會經濟穩定發展，還關系到生態環境的健康及人身安全。由于油氣儲運管道所處的工作環境惡劣且復雜，加之自身使用功能的特殊性，所以其運輸安全會受到多種因素的影響，存在很多風險類型[10]。對于油氣儲運管道的設備安全問題，除持續加強防腐技術來提高設備設施防滲漏外，還要結合軟件技術，監控油品的運輸過程，做到準確控制油品運輸，防止因為運輸不當引起各類事故，造成財產損失。