CN109058772A - 一种输送管道泄漏检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输送管道泄漏检测装置及方法，属于故障检测技术领域，本发明装置包括一个以上的智能压力变送器、电磁流量计、PC机、微处理器、GPRS通信模块、RS‑232串行通讯接口、RS485总线、供电模块；本发明通过先后采集管道内以及管道首尾端智能压力变送器、电磁流量计的压力、流量信号数据，通过RS‑232串行通讯接口将信号传送至微处理器，微处理器对数据进行处理、存储后，再通过RS485总线将数据发送到GPRS通信模块，通过GPRS远程数据通信网络，传送至PC机，PC机对信号进行处理、储存、分析、显示，泄漏信号检测、故障报警，最终操作者在客户端浏览矿浆输送管道的运行状况，本发明基于现有故障测量数据实现管道泄漏检测，硬件搭建简便，易于现场实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种输送管道泄漏检测装置及方法，属于故障检测技术领域。
背景技术
随着我国各类工业的飞速发展，管道作为五大运输方式之一以其经济、方便的优势得到了广泛的应用，较铁路、公路、航空以及水路运输具有安全性高、占地少、损耗低、污染小、运输量大、便于自动化和管理等优点。对于复杂地形、地貌及气候条件，其优势更为明显，因此在输送液体、气体、浆体等方面得到了普遍的运用。对于矿物输送管道而言，其介质主要为矿浆，即矿物与水以一定的比例进行配比后来进行输送。利用泵作为动力来源将固液两相流载体送至冶炼厂。截止2016年底，据不完全统计，我国目前己经建成的各类输送管道的长度达到16余万公里，且运输量又以每年约10％的速度继续增长。
在如此庞大的输送量作用下，很多管道长期处于超负荷的运行状态。随着服役时间的增长，管道所暴露出来的问题也随之日益凸显，例如老化、腐蚀、焊接缺陷、地理条件的变化(如滑坡、泥石流、地震等)以及其他自然或人为(如施工、盗窃和破坏等)等原因，我国目前管道运输的安全现状不容乐观。例如2013年11月，中石化石油管道青岛段发生了泄漏并造成两次爆炸，造成55人遇难。这次重大的安全事故不仅给国家经济造成了严重的损失，更加危及到了人民的生命安全，同时也暴露出来当前管道安全运行机制不健全以及自动检测数据不能及时、有效得到处理与分析。因此，及时对奖体输送管道的泄漏进行检测、分析及泄漏点定位，以遏制泄漏事故进一步扩大，具有重要的经济和社会意义。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种输送管道泄漏检测装置，本发明装置主要通过先后采集管道内以及管道首尾端智能压力变送器、电磁流量计的压力、流量信号数据，通过RS-232串行通讯接口将信号传送至微处理器，微处理器对数据进行处理、存储后，再通过RS485总线将数据发送到GPRS通信模块，通过GPRS远程数据通信网络，传送至PC机，PC机对信号进行处理、储存、分析、显示，泄漏信号检测、故障报警，最终操作者在客户端在网上(远程)浏览矿浆输送管道的运行状况。本发明是基于现有故障测量数据实现管道泄漏检测，硬件搭建简便，易于现场实现。
本发明的技术方案是：一种输送管道泄漏检测装置，包括一个以上的智能压力变送器、电磁流量计、PC机、微处理器、GPRS通信模块、RS-232串行通讯接口、RS485总线、供电模块；
所述一个以上的智能压力变送器、电磁流量计分别安装在输送管道内，所述一个以上的智能压力变送器、电磁流量计均通过RS-232串行通讯接口与微处理器连接，所述微处理器通过RS485总线与GPRS通信模块连接，所述GPRS通信模块与PC机连接，所述供电模块与微处理器连接。
所述微处理器为STM32微处理器。
所述供电模块为12V电池和稳压器，所述GPRS通信模块为GPRS远程数据通信网络。
所述PC机用于信号数据的处理、存储、分析、显示、泄漏信号检测、向客户端发送管道运行状态，故障报警。
所述智能压力变送器选用CJT型，所述电磁流量计选用的型号为MEC10118110A005。
本发明的目的之二在于提供一种输送管道泄漏检测装置的检测方法，具体步骤如下：
(1)首先在所检测输送管道内选定一个以上的点，并在所选择点处安装智能压力变送器、电磁流量计测得所选择点处的压力、流量数据，压力、流量数据通过通过RS-232串行通讯接口传输至微处理器中，微处理器对数据进行处理、储存后再通过RS485总线将数据发送至GPRS通信模块，GPRS通信模块将数据传送至PC机，PC机将压力、流量数据进行汇总；
(2)然后在所检测输送管道的首尾上下游两端分别放置一个以上的智能压力变送器和电磁流量计，测出所检测输送管道的首尾两端的压力、流量数据，并将采集的压力、流量数据通过RS-232串行通讯接口传输至微处理器中，微处理器对数据进行处理、储存后再通过RS485总线将数据发送至GPRS通信模块，GPRS通信模块将数据传送至PC机，PC机将压力、流量数据通过实时瞬态模型求得的步骤(1)所选择点处相对于首尾端的压力、流量数据的理论计算值；
(3)将步骤(1)测得的所选择点处的压力、流量数据实际值与步骤(2)计算得出的压力、流量数据的理论计算值相减求差并将得到的各个差值分别与输送管道的压力、流量预值进行比较，若各个差值中出现一个以上大于所检测输送管道的预值，则判断为管道泄漏；
(4)所述PC机将对管道泄露的判断结果传输至远程客户端，操作者通过观察远程客户端浏览输送管道的运行状况，并对泄露状况及时处置。
所述实时瞬态模型具体如下所示：
PC机将管道上下游两端的压力、流量四个变量值或其中两个变量值作为实时模型的边界条件进行仿真计算，根据流体力学的质量平衡与能量平衡构建管内流动方程，其方程为：
式中：ρ为所检测输送管道内矿浆的平均密度，kg/m3；V为所检测输送管道内矿浆的中心流体的平均流速，m/s；f为所检测输送管道的摩阻系数；D为所检测输送管道的内径，m；x为平行于管轴线所检测输送管道的距离，以矿浆流动方向为正，m；P为矿浆输送管道中心流体的压强，Pa；a为矿浆输送管道负压波传播速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；α为矿浆输送管道与水平轴的角度；t为时间，s；
其中，所检测输送管道的摩阻系数计算公式为：
其中，Reg表示广义雷诺数；
设A为管道首端点，B为管道尾端点，P为管道首尾之间任一点，则A处的压力、流量值由步骤(2)测得实际值分别为PAm、VAm，则根据公式(2)在P和A之间积分，则P点的压力、流量值Pp、Vp由PAm、VAm表示，结合实际值，求出P点的压力、流量值理论值即PPA、VPA，同理，B处的压力、流量值由步骤(2)测得分别为PBm、VBm，则根据公式(4)在P和B之间积分，则P点的压力、流量值Pp、Vp由PBm、VBm表示，结合实际值，求出P点的压力、流量值理论值即PPB、VPB；
将步骤(1)测得的所选择P点处的压力、流量数据值Pp、Vp与步骤(2)计算得出的P点的四个压力、流量值理论值分别进行比较，将Pp-PPA的差与△P1比较大小，Pp-PPB的差与△P2比较大小，Vp-VPA的差与△V1比较大小，Vp-VPB的差与△V2比较大小，其中，△P1、△P2分别为输送管道上、下游压力的预值，△V1、△V2分别为输送管道上、下游流量的预值，若四个差值比较中出现一个以上大于预值，则输送管道出现泄漏。
本发明的工作原理是：通过智能压力变送器和电磁流量计检测管道压力、流量信号，流量数据通过RS-232串行通讯接口传输至微处理器中，微处理器对数据进行处理、储存后再通过RS485总线将数据发送至GPRS通信模块，GPRS通信模块将数据传送至PC机，PC机将压力、流量数据通过实时瞬态模型求得所选择点处的压力、流量数据的理论计算值，将测得的所选择点处的压力、流量数据值与计算得出的理论计算值进行比较，若两者的差值大于所检测输送管道的预值，则判断为管道泄漏，若两者的差值小于所检测输送管道的预值，则判断为管道不泄漏，PC机将最终结果上传显示到客户端，监测人员可以通过客户端在网上(远程)浏览矿浆输送管道的运行状况，及时作出处置。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明装置将采集的数据经微处理器处理后，采用GPRS将信号发送给PC机，减少了线材的使用，节约了成本。
(2)本发明通过将管道首尾上下游的压力、流量四个变量的计算值或其中的两个值作为实时模型的边界条件进行来仿真计算，硬件搭建简便，易于现场实现。
(3)本发明PC机通过网络将结果发送至客户端，管理人员可以在远程客户端浏览矿浆输送管道的运行状况，具有实时性。
附图说明
图1为本发明装置的组成结构图；
图2为本发明的矿浆输送管道压力信号服务器界面；
图3为本发明检测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，对铁精矿浆输送管道进行泄漏检测，监测装置包括2个智能压力变送器、电磁流量计、PC机、微处理器、GPRS通信模块、RS-232串行通讯接口、RS485总线、供电模块；
所述2个智能压力变送器、2个电磁流量计分别安装在输送管道内，所述2个智能压力变送器、2个电磁流量计均通过RS-232串行通讯接口与微处理器连接，所述微处理器通过RS485总线与GPRS通信模块连接，所述GPRS通信模块与PC机连接，所述供电模块与微处理器连接，所述PC机用于信号数据的处理、存储、分析、显示、泄漏信号检测、向客户端发送管道运行状态，故障报警。
所述微处理器为STM32微处理器。
所述供电模块为12V电池和稳压器，所述GPRS通信模块为GPRS远程数据通信网络。
所述智能压力变送器选用CJT型，输出4-20mADC标准电流信号；电磁流量计选用的型号为MEC10118110A005，精度等级0.5级；工作压力1.6MPa，输出4-20mADC标准电流信号。
利用本输送管道泄漏检测装置的检测方法，具体步骤如下：
(1)首先在所检测输送管道内选定1个点即P点，并在P点处分别安装智能压力变送器、电磁流量计测得P点处的压力、流量数据，即Pp、Vp，压力、流量数据通过RS-232串行通讯接口传输至微处理器中，微处理器对数据进行处理、储存后再通过RS485总线将数据发送至GPRS通信模块，GPRS通信模块将数据传送至PC机，PC机将压力、流量数据进行汇总；
(2)然后在所检测输送管道的首尾上下游两端分别均放置智能压力变送器和电磁流量计，测出所检测输送管道的首尾两端的压力、流量数据，并将采集的压力、流量数据通过RS-232串行通讯接口传输至微处理器中，微处理器对数据进行处理、储存后再通过RS485总线将数据发送至GPRS通信模块，GPRS通信模块将数据传送至PC机，PC机将压力、流量数据通过实时瞬态模型求得的步骤(1)所选择点处的压力、流量数据的理论计算值，所述实时瞬态模型具体如下所示：
PC机将管道上下游两端的压力、流量四个变量值作为实时模型的边界条件进行仿真计算，根据流体力学的质量平衡与能量平衡构建管内流动方程，其中方程为：
式中：ρ为所检测输送管道内矿浆的平均密度，kg/m3；V为所检测输送管道内矿浆的中心流体的平均流速，m/s；f为所检测输送管道的摩阻系数；D为所检测输送管道的内径，m；x为平行于管轴线所检测输送管道的距离，以矿浆流动方向为正，m；P为矿浆输送管道中心流体的压强，Pa；a为矿浆输送管道负压波传播速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；α为矿浆输送管道与水平轴的角度；t为时间，s；
其中，所检测输送管道的摩阻系数计算公式为：
其中，Reg表示广义雷诺数；
如图3所示，设A为管道首端点，B为管道尾端点，P为管道首尾之间任一点，则A处的压力、流量值由步骤(2)测得实际值分别为PAm、VAm，则根据公式(2)在P和A之间积分，则P点的压力、流量值Pp、Vp由PAm、VAm表示，结合实际值，求出P点的压力、流量值理论值即PPA、VPA，同理，B处的压力、流量值由步骤(2)测得分别为PBm、VBm，则根据公式(4)在P和B之间积分，则P点的压力、流量值Pp、Vp由PBm、VBm表示，结合实际值，求出P点的压力、流量值理论值即PPB、VPB；
(3)将步骤(1)测得的所选择P点处的压力、流量数据值Pp、Vp与步骤(2)计算得出的P点的四个压力、流量值理论值分别进行比较，将Pp-PPA的差与△P1比较大小，Pp-PPB的差与△P2比较大小，Vp-VPA的差与△V1比较大小，Vp-VPB的差与△V2比较大小，其中，△P1、△P2分别为输送管道上、下游压力的预值，△V1、△V2分别为输送管道上、下游流量的预值，若四个差值比较中出现一个以上大于预值，则输送管道出现泄漏。
若两者的差值大于所检测输送管道的预值，则判断为管道泄漏，若两者的差值小于所检测输送管道的预值，则判断为管道不泄漏；
(4)所述PC机将对管道泄露的判断结果传输至远程客户端，操作者通过观察远程客户端浏览输送管道的运行状况，并对泄露状况及时处置。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种输送管道泄漏检测装置，其特征在于，包括一个以上的智能压力变送器、一个以上的电磁流量计、PC机、微处理器、GPRS通信模块、RS-232串行通讯接口、RS485总线、供电模块；
所述一个以上的智能压力变送器、一个以上的电磁流量计分别安装在输送管道内，所述一个以上的智能压力变送器、一个以上的电磁流量计均通过RS-232串行通讯接口与微处理器连接，所述微处理器通过RS485总线与GPRS通信模块连接，所述GPRS通信模块与PC机连接，所述供电模块与微处理器连接。
2.根据权利要求1所述的输送管道泄漏检测装置，其特征在于：所述微处理器为STM32微处理器。
3.根据权利要求1所述的输送管道泄漏检测装置，其特征在于：所述供电模块为12V电池和稳压器，所述GPRS通信模块为GPRS远程数据通信网络。
4.根据权利要求1所述的输送管道泄漏检测装置，其特征在于：所述PC机用于信号数据的处理、存储、分析、显示、泄漏信号检测、向客户端发送管道运行状态，故障报警。
5.根据权利要求1所述的输送管道泄漏检测装置，其特征在于：所述智能压力变送器选用CJT型，所述电磁流量计选用的型号为MEC10118110A005。
6.权利要求1～5所述的输送管道泄漏检测装置的检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)首先在所检测输送管道内选定一个以上的点，并在所选择点处分别安装智能压力变送器、电磁流量计测得所选择点处的压力、流量数据，压力、流量数据通过RS-232串行通讯接口传输至微处理器中，微处理器对数据进行处理、储存后再通过RS485总线将数据发送至GPRS通信模块，GPRS通信模块将数据传送至PC机，PC机将压力、流量数据进行汇总；
(2)然后在所检测输送管道的首尾上下游两端分别放置一个以上的智能压力变送器和电磁流量计，测出所检测输送管道的首尾两端的压力、流量数据，并将采集的压力、流量数据通过RS-232串行通讯接口传输至微处理器中，微处理器对数据进行处理、储存后再通过RS485总线将数据发送至GPRS通信模块，GPRS通信模块将数据传送至PC机，PC机将压力、流量数据通过实时瞬态模型求得的步骤(1)所选择点处相对于首尾端的压力、流量数据的理论计算值；
(3)将步骤(1)测得的所选择点处的压力、流量数据实际值与步骤(2)计算得出的压力、流量数据的理论计算值相减求差并将得到的各个差值分别与输送管道的压力、流量预值进行比较，若各个差值中出现一个以上大于所检测输送管道的预值，则判断为管道泄漏；
(4)所述PC机将对管道泄露的判断结果传输至远程客户端，操作者通过观察远程客户端浏览输送管道的运行状况，并对泄露状况及时处置。
7.根据权利要求6所述的输送管道泄漏检测装置的检测方法，其特征在于：所述实时瞬态模型具体如下所示：
PC机将管道上下游两端的压力、流量四个变量值或其中两个变量值作为实时模型的边界条件进行仿真计算，根据流体力学的质量平衡与能量平衡构建管内流动方程，其中方程为：
式中：ρ为所检测输送管道内矿浆的平均密度，kg/m3；V为所检测输送管道内矿浆的中心流体的平均流速，m/s；f为所检测输送管道的摩阻系数；D为所检测输送管道的内径，m；x为平行于管轴线所检测输送管道的距离，以矿浆流动方向为正，m；P为矿浆输送管道中心流体的压强，Pa；a为矿浆输送管道负压波传播速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；α为矿浆输送管道与水平轴的角度；t为时间，s；
其中，所检测输送管道的摩阻系数计算公式为：
其中，Reg表示广义雷诺数；
设A为管道首端点，B为管道尾端点，P为管道首尾之间任一点，则A处的压力、流量值由步骤(2)测得实际值分别为PAm、VAm，则根据公式(2)在P和A之间积分，则P点的压力、流量值Pp、Vp由PAm、VAm表示，结合实际值，求出P点的压力、流量值理论值即PPA、VPA，同理，B处的压力、流量值由步骤(2)测得分别为PBm、VBm，则根据公式(4)在P和B之间积分，则P点的压力、流量值Pp、Vp由PBm、VBm表示，结合实际值，求出P点的压力、流量值理论值即PPB、VPB，将步骤(1)测得的所选择P点处的压力、流量数据值Pp、Vp与步骤(2)计算得出的P点的四个压力、流量值理论值分别进行比较，将Pp-PPA的差与△P1比较大小，Pp-PPB的差与△P2比较大小，Vp-VPA的差与△V1比较大小，Vp-VPB的差与△V2比较大小，其中，△P1、△P2分别为输送管道上、下游压力的预值，△V1、△V2分别为输送管道上、下游流量的预值，若四个差值比较中出现一个以上大于预值，则输送管道出现泄漏。
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