CN107859878B - 一种长输石油管道的监控系统 - Google Patents

Abstract

一种长输石油管道的监控系统，包括中控层、站控层、设备层，中控层对石油管道全线进行集中监视、控制和调度管理；站控层接收来自中控层的控制命令并生成控制指令对输油站进行控制；设备层用于对下达的指令进行具体的执行以及将获取的传感器数据上传至站控层。

Description

一种长输石油管道的监控系统

技术领域

本发明属于监控系统，特别涉及一种长输石油管道的监控系统。

背景技术

管道运输作为国民经济综合运输业的重要组成部分，也是衡量一个国家的能源与运输业是否发达的特征之一。用管道长距离输送石油是安全、经济的运输方式，但由于石油的易燃、易爆及毒性等特点，一旦系统发生事故，容易引起火灾及爆炸、中毒、污染环境等恶性后果，特别在人口稠密地区，此类事故往往会造成严重伤亡及重大经济损失，同时带来恶劣的社会及政治影响。因此，需要对石油管道进行监控，但是目前的监控大多是人工巡线或者简单的单一传感器检测。迫切需要一个对石油管道的安全状况进行全面监控的系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种长输石油管道的监控系统，其能够对石油管道的侵蚀、泄漏、人为盗挖、自然损害的情况进行监控并实时定位。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种长输石油管道的监控系统，包括中控层、站控层、设备层，

中控层对石油管道全线进行集中监视、控制和调度管理，中控层包括网络工作站、应用服务器、前置服务器、防火墙路由器、共享打印机；网络工作站包括系统维护工作站、高级应用工作站；应用服务器包括网络系统服务器、数据库服务器、SCADA服务器、Web服务器、应用服务器；SCADA服务器实时采集站控层上传的数据，同时向各站控层发送数据信息及控制命令；

站控层接收来自中控层的控制命令并生成控制指令对输油站进行控制，包括MSTP(多生成树协议)设备、以太网交换机、EPON(以太网无源光网络)，其中一个主MSTP设备与多个从MSTP设备分别连接，主MSTP设备通过以太网交换机与前置服务器连接，前置服务器通过防火墙路由器与数据总线连接，网络工作站、应用服务器、共享打印机与防火墙路由器共同连接在所述数据总线上，进行数据交换，从MSTP设备通过EPON连接输油站，输油站通过由光纤和分光器组成的通信线路连接设备层，通信线路是双链型，分光器安放在每个所述终端设备的信息接入点上，实现全网自愈保护；

设备层用于对下达的指令进行具体的执行以及将获取的传感器数据上传至站控层，包括泵机组、加热炉、阀门、数据采集设备以及与数据采集设备连接着的传感器，传感器包括振动传感器、分布式光纤传感器、动态压力变送器、电阻探针式传感器、侵蚀电偶式传感器以及阴极电位采集器，各种传感器是管理监控系统的数据源。

本发明的有益效果：

在稳定的数据采集手段的基础上，为整个石油管道运输企业提供准确完整的数据支持，为企业决策层决策提供强有力的数据基础；

通过信息化管理，简化石油管道管理员的工作，提升其工作效率；

及时迅速的发现石油管道发生的人为盗挖，自然问题，找到问题产生的具体位置及原因；

有效减少了通信节点，降低了系统冗余度，通信可靠性强；

侵蚀监测技术得到最大蚀坑深度,对管道内壁侵蚀形态做出详细评估；

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的检测器示意图；

图3为本发明的动态压力变送器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的实施例参考图1-3所示。

一种长输石油管道的监控系统，包括中控层、站控层、设备层，

中控层对石油管道全线进行集中监视、控制和调度管理，中控层包括网络工作站、应用服务器、前置服务器、防火墙路由器、共享打印机；网络工作站包括系统维护工作站、高级应用工作站；应用服务器包括网络系统服务器、数据库服务器、SCADA服务器、Web服务器、应用服务器；SCADA服务器实时采集站控层上传的数据，同时向各站控层发送数据信息及控制命令；

站控层接收来自中控层的控制命令并生成控制指令对输油站进行控制，包括MSTP(多生成树协议)设备、以太网交换机、EPON(以太网无源光网络)，其中一个主MSTP设备与多个从MSTP设备分别连接，主MSTP设备通过以太网交换机与前置服务器连接，前置服务器通过防火墙路由器与数据总线连接，网络工作站、应用服务器、共享打印机与防火墙路由器共同连接在所述数据总线上，进行数据交换，从MSTP设备通过EPON连接输油站，输油站通过由光纤和分光器组成的通信线路连接设备层，通信线路是双链型，分光器安放在每个所述终端设备的信息接入点上，实现全网自愈保护；

设备层用于对下达的指令进行具体的执行以及将获取的传感器数据上传至站控层，包括泵机组、加热炉、阀门、数据采集设备以及与数据采集设备连接着的传感器，传感器包括振动传感器、分布式光纤传感器、动态压力变送器、电阻探针式传感器、侵蚀电偶式传感器以及阴极电位采集器，各种传感器是管理监控系统的数据源。

阴极电位采集器包括电压传感器、电流传感器、A/D转换器、单片机、电源模块和接口芯片，电压传感器、电流传感器将检测到的石油管道电压和电流信号传输给A/D转换器转换为电位数据，单片机对电位数据处理后，产生数据曲线并进行存储，通过接口芯片连接数据采集设备；

分布式光纤传感器，用于实现对振动信号的位置定位，光源和探测器分别放置在两个输油站上，第一、二、三光纤分布在输油站之间的石油管道上，光源发出的光经过光隔离器在耦合器被分为两束，一束经过第一偏振控制器进入第一光纤，经过第二光纤后传回第一探测器；另一束光经过第二偏振控制器，通过第三光纤传给第二检测器；

光源包括激光器、驱动保护电路、前置放大、信号调理电路，用以完成光电信号的转换、放大、滤波等功能，激光器用于向光纤发射光束，激光器为半导体激光二极管，产生的光为模拟光束，光源驱动电路通过一个光电二极管监视激光器的输出并产生控制信号，同时采用自动功率控制电路调整激光器的驱动电流，从而保持光源输出的功率恒定。

检测器由耦合器、光电二极管、前置放大器以及信号调理电路组成，光信号经耦合器入射到光电二极管的光敏面上，光电二极管将光强信号转化为电信号；

前置放大器将该电信号进行放大以供后边的电路进行信号处理，由于光电二极管的产生的光电流非常微弱，先经过前置放大器进行低噪声放大，光电探测器和前置放大器合起来组成光电探测器的前端。前置放大器的输出信号通过一个低通滤波器对信号进行处理，再通过主放大器进行放大，然后再通过经A/D转换以后，将模拟信号转换为数字信号输入数据采集设备；

分布式光纤传感器中的两条光纤构成了传感器的两个传感光纤，均对外界压力进行检测。当石油管道附近发生的非正常时间会产生振动，作用到光纤上，发生光强突变，通过计算光强突变在光纤中发射和返回的时间差对弯曲或断裂处进行定位。

振动传感器按一定间距安装在石油管道上第三方破坏多发地段，采集石油管道受到破坏时产生的振动信号；

动态压力变送器安装在石油管道末端，由压电式传感器、电荷放大器、信号调理模块、微控制器模块和电源模块组成，用于采集石油管道首端动态微压激励信号所产生的瞬态信号，动态压力变送器将接收的压力信号转变成标准的电流电压信号，经过适当的信号放大与滤波处理，最终转换成4～20mA的两线制输出或者485五线制输出；

现场监控单元对瞬态信号和振动信号进行放大、调理并使用内置的数字信号处理器进行综合计算分析，判断管道是否受到威胁，当现场单元判断管道受到威胁时，将威胁事件的信号特征通过站控层传输到中控层，中控层的应用服务器结合数据库服务器存储的管道威胁事件历史数据库使用时频联合分析、神经网络专家系统进行二次判断，Web服务器对于不同的事件类型进行分级报警，将特定的报警信息发送到设定的用户终端上，网络系统服务器利用管道泄漏时不同谐波分量的衰减率不同即可进行泄漏检测及泄漏定位，并在电子地图上标示出石油管道威胁事件的位置；

定位的具体过程如下：

步骤(1)，在石油管道内流体稳定流动的状态下，在管道首端附加动态微压激励信号，该信号由几种固定频率成分的正弦信号组成，注意选取合适的信号幅值，确保不对管道的安全生产造成影响；

步骤(2)，将采集到的管道瞬态信号划分为不同周期，每个周期单独进行分析，采集到的信号划分2个周期；

步骤(3)，对划分出的一个周期的管道瞬态信号，运用离散傅立叶变换或快速傅里叶变换，分解得到一系列谐波分量，并计算各谐波分量的幅值；

步骤(4)，重复步骤(3)，计算出管道瞬态信号各谐波分量在所有周期内的幅值；

步骤(5)，计算所有谐波分量的衰减率；

步骤(6)，通过分析不同谐波分量之间衰减率的不同，对管道进行泄漏检测及泄漏定位。

电阻探针式传感器、侵蚀电偶式传感器安装在石油管道的内壁上，测量管道内壁的侵蚀情况并通过站控层传输到中控层，中控层的应用服务器结合数据库服务器存储的侵蚀状态评估模块进行侵蚀程度评估，评估过程如下：

步骤(1)，计算理论最大安全工作压力，

其中，d：侵蚀蚀坑深度；t：管道公称壁厚；P_s：理论最大安全工作压力；P：实际额定的管道最大允许工作压力与设计压力之中的较大者；P_t：未受到侵蚀的石油管道所能承受的最大压力；S_y：材料的最小屈服强度；F：材料的设计系数；B'：石油管道的侵蚀系数；L_m：最大允许纵向长度；

步骤(2)，计算侵蚀管道断裂压力，

并且，当P₁＜P_d时，取P₁＝P_d；当P₂＜P_d时，取P₂＝P_d；

P₁：当侵蚀坑为纵向时计算得出的石油管道所能承受的最大压力；

P₂：当侵蚀坑为环向时计算得出的石油管道所能承受的最大压力；

P_d：侵蚀管道所能承受的最小压力；

S_y：材料的最小屈服强度；

E：材料的弹性模量；

δ_c：材料的COD值；

M：材料的设计系数；

α：侵蚀区域的当量半裂纹长度；

步骤(3)，综合计算石油管道所能承受的最大压力；

P'＝MIN(P_s,P₁,P₂)，

步骤(4)，侵蚀程度评定，

当时，为一级侵蚀；当时，，为二级侵蚀；当时，为三级侵蚀；

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种长输石油管道的监控系统，包括中控层、站控层、设备层，中控层对石油管道全线进行集中监视、控制和调度管理，中控层包括网络工作站、应用服务器、前置服务器、防火墙路由器、共享打印机；网络工作站包括系统维护工作站、高级应用工作站；应用服务器包括网络系统服务器、数据库服务器、SCADA服务器、Web服务器、应用服务器；SCADA服务器实时采集站控层上传的数据，同时向各站控层发送数据信息及控制命令；

站控层接收来自中控层的控制命令并生成控制指令对输油站进行控制，包括MSTP设备、以太网交换机、EPON，其中一个主MSTP设备与多个从MSTP设备分别连接，主MSTP设备通过以太网交换机与前置服务器连接，前置服务器通过防火墙路由器与数据总线连接，网络工作站、应用服务器、共享打印机与防火墙路由器共同连接在所述数据总线上，进行数据交换，从MSTP设备通过EPON连接输油站，输油站通过由光纤和分光器组成的通信线路连接设备层，通信线路是双链型，分光器安放在每个终端设备的信息接入点上，实现全网自愈保护；

设备层用于对下达的指令进行具体的执行以及将获取的传感器数据上传至站控层，包括泵机组、加热炉、阀门、数据采集设备以及与数据采集设备连接着的传感器，传感器包括振动传感器、分布式光纤传感器、动态压力变送器、电阻探针式传感器、侵蚀电偶式传感器以及阴极电位采集器，各种传感器是管理监控系统的数据源。

2.根据权利要求1所述的一种长输石油管道的监控系统，其特征在于：阴极电位采集器包括电压传感器、电流传感器、A/D转换器、单片机、电源模块和接口芯片，电压传感器、电流传感器将检测到的石油管道电压和电流信号传输给A/D转换器转换为电位数据，单片机对电位数据处理后，产生数据曲线并进行存储，通过接口芯片连接数据采集设备。

3.根据权利要求1所述的一种长输石油管道的监控系统，其特征在于：分布式光纤传感器，用于实现对振动信号的位置定位，光源和探测器分别放置在两个输油站上，第一、二、三光纤分布在输油站之间的石油管道上，光源发出的光经过光隔离器在耦合器被分为两束，一束经过第一偏振控制器进入第一光纤，经过第二光纤后传回第一探测器；另一束光经过第二偏振控制器，通过第三光纤传给第二检测器；

光源包括激光器、驱动保护电路、前置放大、信号调理电路，用以完成光电信号的转换、放大、滤波等功能，激光器用于向光纤发射光束，激光器为半导体激光二极管，产生的光为模拟光束，光源驱动电路通过一个光电二极管监视激光器的输出并产生控制信号，同时采用自动功率控制电路调整激光器的驱动电流，从而保持光源输出的功率恒定；

检测器由耦合器、光电二极管、前置放大器以及信号调理电路组成，光信号经耦合器入射到光电二极管的光敏面上，光电二极管将光强信号转化为电信号；

前置放大器将该电信号进行放大以供后边的电路进行信号处理，由于光电二极管的产生的光电流非常微弱，先经过前置放大器进行低噪声放大，光电探测器和前置放大器合起来组成光电探测器的前端，前置放大器的输出信号通过一个低通滤波器对信号进行处理，再通过主放大器进行放大，然后再通过经A/D转换以后，将模拟信号转换为数字信号输入数据采集设备；

分布式光纤传感器中的两条光纤构成了传感器的两个传感光纤，均对外界压力进行检测，当石油管道附近发生的非正常时间会产生振动，作用到光纤上，发生光强突变，通过计算光强突变在光纤中发射和返回的时间差对弯曲或断裂处进行定位。

4.根据权利要求1所述的一种长输石油管道的监控系统，其特征在于：振动传感器按一定间距安装在石油管道上第三方破坏多发地段，采集石油管道受到破坏时产生的振动信号。

5.根据权利要求1所述的一种长输石油管道的监控系统，其特征在于：动态压力变送器安装在石油管道末端，由压电式传感器、电荷放大器、信号调理模块、微控制器模块和电源模块组成，用于采集石油管道首端动态微压激励信号所产生的瞬态信号，动态压力变送器将接收的压力信号转变成标准的电流电压信号，经过适当的信号放大与滤波处理，最终转换成4～20mA的两线制输出或者485五线制输出；

现场监控单元对瞬态信号和振动信号进行放大、调理并使用内置的数字信号处理器进行综合计算分析，判断管道是否受到威胁，当现场单元判断管道受到威胁时，将威胁事件的信号特征通过站控层传输到中控层，中控层的应用服务器结合数据库服务器存储的管道威胁事件历史数据库使用时频联合分析、神经网络专家系统进行二次判断，Web服务器对于不同的事件类型进行分级报警，将特定的报警信息发送到设定的用户终端上，网络系统服务器利用管道泄漏时不同谐波分量的衰减率不同即可进行泄漏检测及泄漏定位，并在电子地图上标示出石油管道威胁事件的位置。

6.根据权利要求5所述的一种长输石油管道的监控系统，其特征在于：定位的具体过程如下：

步骤(1)，在石油管道内流体稳定流动的状态下，在管道首端附加动态微压激励信号，该信号由几种固定频率成分的正弦信号组成，注意选取合适的信号幅值，确保不对管道的安全生产造成影响；

步骤(2)，将采集到的管道瞬态信号划分为不同周期，每个周期单独进行分析，采集到的信号划分2个周期；

步骤(3)，对划分出的一个周期的管道瞬态信号，运用离散傅立叶变换或快速傅里叶变换，分解得到一系列谐波分量，并计算各谐波分量的幅值；

步骤(4)，重复步骤(3)，计算出管道瞬态信号各谐波分量在所有周期内的幅值；

步骤(5)，计算所有谐波分量的衰减率；

步骤(6)，通过分析不同谐波分量之间衰减率的不同，对管道进行泄漏检测及泄漏定位。

7.根据权利要求1所述的一种长输石油管道的监控系统，其特征在于：电阻探针式传感器、侵蚀电偶式传感器安装在石油管道的内壁上，测量管道内壁的侵蚀情况并通过站控层传输到中控层，中控层的应用服务器结合数据库服务器存储的侵蚀状态评估模块进行侵蚀程度评估。