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和順利投產，浙江、江蘇和上海等經濟發達地區開始了大規模的天然氣長輸管道的建設。由于長三角地區水系發達，高等級公路、鐵路密布，在管道建設中，經常需要采用頂管施工工藝穿越河流、公路和鐵路，即先頂進水泥套管，然后將天然氣管道沿套管形成的涵洞中穿進[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]，可能導致套管內天然氣管道發生泄漏，泄漏的天然氣容易在函箱內聚集，一旦泄漏的天然氣產生爆炸事故，會導致天然氣供氣中斷，所穿越的公路、鐵路交通中斷，造成重大損失。由此可見函箱內天然氣的泄漏聚集具有較高的危險性，需要對其進行有效監控。
目前，對于天然氣管道的監控主要是測定管道的壓力、溫度等運行參數，通過光纖通信、微波通信、專線通信或衛星通信將測量數據傳送至中央集控室，經過數據分析確定管道有無泄漏并進一步判斷泄漏發生的位置[4-10]。然而，此類監控方式的通信設施建設投入非常大，維護和運行也比較復雜，同時通信工程的建設還受到地形地貌、大型建筑物、交通設施以及信號傳送頻率的影響，因此此類監控方式并不適用于函箱處的天然氣泄漏監控。另外，由于函箱封閉，巡線工人很難對函箱內的泄漏進行檢測。基于GPRS網絡可以實現遠程數據傳輸，而且技術成熟[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  設計方案的確定
本文針對浙江省天然氣長輸管道關鍵部位（如：穿越橋梁、高速公路、居民區等）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；為了適用于野外環境，裝置的電源系統采用電池供電；為了降低功耗和具有較強的處理能力，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行測定，確定報警級別，將告警信息通過GPRS網絡傳回天然氣公司的通訊服務器，寫入數據庫。上層的地理信息系統（GIS）可以不斷訪問數據庫服務器，將函箱內天然氣濃度顯示在應急指揮決策系統上，一旦有濃度出現并報警，實現對天然氣管道頂管穿越函箱部位的全天候監測報警[13]。

2  函箱檢漏裝置的設計
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《混凝土和鋼筋混凝土排水管》（GB11836）選用，同時根據管徑大小選用選擇套管。頂管盡量在原土層內通過，同時對軟弱土層和地下水水位較高地段應采取適當措施防止拱起與塌陷以及滲流的影響。

頂管穿越施工時，一般先開挖工作坑，再按照設計管線的位置，在工作坑底修筑基礎，設置導軌，把套管安放在導軌上，開設洞口放水，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、天然氣濃度監測單元、A/D轉換器、數據處理模塊、信息發送裝置、GPRS網絡等模塊組成，其結構框圖和實物分別如圖2和圖3所示。

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

（2）電源檢測系統：通過檢測電壓監控電源系統1，電源檢測系統2測得的電信號經A/D轉換器4轉換為數字信號，報數據處理模塊5分析，并通過信息發送裝置6、GPRS網絡7、通訊服務器8將運行信息報告至中央控制系統的數據庫9。

正常運行狀態下每天發送一次運行報告至數據庫9。當電源系統1電量低時則發送報警信息，電量低于30%每周發送一次報警信息，電量低于10%每天發送一次報警信息，電量低于5%每六小時發送一次報警信息。

（3）天然氣濃度監測單元：采用低功耗催化燃燒可燃氣體傳感器（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18mv），經A/D轉換器4轉換為數字信號，報數據處理模塊5分析。

正常運行狀態下通過信息發送裝置6每天發送一次運行報告至數據庫9。當天然氣管道出現泄漏時，根據泄漏的天然氣濃度高低分為三個報警等級：三級報警（1000ppm，20％LEL）信息每小時發送一次，二級報警（3000ppm，60%LEL）信息十分鐘發送一次，一級報警（>3000ppm）信息每分鐘發送一次。

（4）A/D轉換器：主控制器TMS320LF2407自帶A/D轉換功能，可直接對采集的信號進行模數轉換。

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

（6）信息發送裝置：其中的數據發送部分采用SIM300GPRS模塊。

（7）報警短信信息通過信息發送裝置6由GPRS網絡7、通訊服務器8發送至數據庫9，即可對電源系統1進行更換或對天然氣管道泄漏點進行檢查搶修。
搶修后，電源檢測系統2、天然氣濃度監測單元3分別測得的電源電壓和天然氣濃度信號經A/D轉換器4轉換為數字信號，報數據處理模塊5分析，連續十五分鐘正常，則取消報警。

3  裝置的技術特點

函箱檢漏裝置采用了計算機、無線網絡通訊等技術，其技術特點主要如下：
（1）低功耗、長壽命：該函箱檢漏裝置采用低功耗的可燃氣體傳感器、低功耗且性能穩定的低電壓DSP處理器及成熟的GPRS數據發送模塊，正常時以近乎待機的方式僅分析數據，放棄大量無效數據的發送，使系統功耗降到最低。檢測到泄漏時按設置條件加快發送頻率，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發送數據的監測設計思路，使用一塊小容量工業蓄電池可保證系統穩定工作三個月以上，大大提高了系統的獨立性。
（2）高靈敏度：布置高靈敏度可燃氣體傳感器來采集函箱內天然氣泄漏的濃度信號，可測氣體最低濃度達500ppm。
（3）高可靠性，適于野外應用：采用公用移動信息網傳輸報警信息，并且將無線網絡和管道的GIS監控相結合，反應及時，錯報、漏報率低。

4  測試與運行
函箱檢漏裝置最終應用于基于GIS的天然氣長輸管道應急指揮輔助聯動決策系統中，該系統是浙江省科技廳重大科技攻關項目“浙江省天然氣長輸管道安全監控關鍵技術研究”的重要成果之一，且目前已經成功應用到天然氣長輸管道中。圖4和圖5展示了該裝置的運行結果，一旦函箱中檢測到氣體泄漏或電源電量減少，則通過短信平臺發送信息至基于GIS的天然氣長輸管道應急指揮輔助聯動決策系統中，實時顯示每一個函箱對應的天然氣管段的報警信息；同時，給相關負責人的手機上發送報警短信，便于工作人員及時做出處理。

5  結論
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計思路，使用電池供電，以高性能DSP為主控制器，結合甲烷傳感器，利用GPRS網絡傳輸數據，具有低功耗、高靈敏度、長壽命的特點。將該裝置應用于基于GIS的天然氣長輸管道應急指揮輔助聯動決策系統中，系統運行測試證明該裝置能夠遠程、快速、有效、全天候地監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，有利于函箱檢漏報警監控系統快速組網和擴容，具有良好的應用前景。

參考文獻：
[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. 發生樁基沉降在役壓力管道的斷裂失效風險分析[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. 應用微波技術檢測天然氣管道泄漏[J]. 天然氣工業, 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檢測天然氣管道泄漏[J]. 傳感器技術, 2003, 22(10): 48-49, 53.
[6]        劉祖德, 趙云勝. 天然氣集輸站泄漏監控系統研究[J]. 安全與環境學報, 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的研究[J]. 遼寧工業大學學報(自然科學版), 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測預警系統[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的函箱敷設天然氣管道泄漏報警裝置[P]. 中國實用新型專利: ZL200820168794.2.

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