CN110107819A - 一种石化产品输送管道泄露监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统及方法。所述监测预警系统包括传感检测单元、无线通信单元、远程终端处理单元、供电单元和执行机构。所述监测预警方法为：温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据采集，以及目标产品泄露数据，作为原始数据集；采用灰色神经网络算法进行训练，以原始数据对时间积分作为算法的输入数据，建立数学关系模型；采集实时监测数据，在远程终端上进行实时显示输出和存储，并根据数学关系模型预测目标产品泄露及泄露发生概率；根据泄露发生概率大小分别启动泄露预警。其具有通用性好、准确度高、能耗低等特点，适用于较远距离的化工管道输送过程中的泄露监测及预警。

Description

一种石化产品输送管道泄露监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及监测预警领域，更具体地说是涉及一种石化产品输送管道泄露监测预警系统及方法，用于实现对石化产品输送管道泄露情况的实时监测和预警。

技术背景

在石化行业中，管道运输作为主要的石化产品输送方式，大大地节约了石化产品的运输成本并提高了运输的安全性和可靠性。在管道一些节点包括接口、焊缝、支点等部位通常会出现腐蚀严重、出现裂缝、接口松动等现象，从而引起管道的泄漏。管道发生泄漏后，管道内的高压油气会进入空气中，造成经济损失和环境污染，甚至发生爆炸、有毒物质挥发等安全事故，造成人员伤亡。2013年11月位于青岛经济技术开发区的中国石油化工股份有限公司管道储运分公司东黄输油管道泄漏原油进入市政排水暗渠，在形成密闭空间的暗渠内油气积聚遇火花发生爆炸，造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失75172万元。2014年4月，中石油石化管道泄漏导致兰州自来水苯超标20倍，使当地饮水安全得不到保障，造成了市民的严重恐慌。因此对石化产品输送管道泄露情况的实时监测和预警显得十分必要。

目前对管道泄漏检测方法主要分为管道内部检测和外部检测。内部检测主要是基于超声波、涡流等，但是这种管道内部泄漏检测的方法适用于管径较大、弯头和连通较少的管道,具有较高的准确度,但是造价成本高,维护不方便,且容易发生堵塞和停运等事故,不适用于长期在线监测。如罗清旺在其论文《基于电磁涡流的管道缺陷检测方法研究》深入研究了利用电磁涡流来检测管道的完整性，提出了管道缺陷远场涡流检测信号中伪峰的移除方法，并通过阵列检测技术实现缺陷的定位分析和提高定量分析的精度。李广波在其论文《全自动超声波检测应用于西部管道施工》中，将全自动超声波检测应用于长输管道无损检测中。全自动超声波检测能够快速检测出管道焊缝缺陷但其检测精度受外接温度影响较大，且无法实现在线实时监测。

管道外部检测方法主要有负压波法、质量平衡法、压力梯度法等。如李炜、陈希平等在其论文《天然气管道泄漏点的定位检测方法研究》提出利用小波技术处理检测到的数据，使计算精度和定位精度得到了进一步的提高。负压波检测技术可以迅速检测出大的泄漏，但是对于比较缓慢的泄漏或已经发生的泄漏检测效果不佳。又如蒋仕章、蒲家宁在其论文《用动态质量平衡原理进行管道检漏的精度分析》中提出利用动态质量平衡原理来判断油气管道是否泄漏，但也同时指出此法对管道的流量参数精度要求高，并要求对油品存余量的估计误差要足够小。再如周俊在其论文《利用压力趋势图判断管道盗油点》中将压力梯度法用于工业生产，并能粗略估计出盗油位置，但这种检测方法对采样点的压力传感器精度要求高，否则位置估计误差较大。上述外部检测方法受限于仪表精度, 对于微小泄漏检测难度大，不能准确定位且通用性差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷,本发明提出一种低成本、维护方便、能够准确定位的实时在线监测预警系统，用于石化产品输送管道的泄露监测和泄露提前预警。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统，包括传感检测单元、无线通信单元、远程终端处理单元、供电单元和执行机构，所述的传感检测单元检测输送管道附近的环境参数，通过无线通信单元将信息发送给远程终端处理单元，供电单元为传感检测单元和无线通信单元提供电源。

上述方案中，所述传感检测单元包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、振动传感器和目标气体传感器以及超低功耗的微控制器，所有传感器都与微控制器之间电连接。

上述方案中，所述的目标气体传感器为苯、异丁烯、丙烯、乙炔、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、丙酮、一氧化碳等中的一种或几种的组合。

上述方案中，所述的供电单元由太阳能电池板、锂离子电池和充电控制器组成，其中太阳能电池板尺寸为29cm×24cm，开路电压为22V，锂离子电池的输出电压为4．8V。

上述方案中，所述的执行机构包括电磁阀、LED灯、蜂鸣器。

上述方案中，所述的无线通信单元采用无线通信模块与温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、振动传感器和目标气体传感器以及超低功耗的微控制器组成传感器节点，各节点通过无线通信模块组成无线传感网络，并将监测数据传送到远程终端。

一种石化产品输送管道泄漏监测预警方法，包括如下步骤：

1）数据采集。通过所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统采集任意一个节点的近一年温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据，以及目标产品泄露数据，作为原始数据集；

2）模型建立。以温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据作为输入数据，目标产品泄露作为输出数据，采用灰色神经网络算法进行训练，确定温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据与输送管道泄漏的关联本质，建立温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据与输送管道泄漏之间的数学关系模型；

3）数据处理。采集所述的监测预警系统数据，在所述的远程终端上进行实时显示输出和存储；根据所述的灰色神经网络算法数学关系模型预测目标产品泄露，并评价泄露发生概率；

4）预警。当泄露发生概率在20%~50%时，启动三级泄露预警，远程终端处理单元人机界面显示黄色警报指示灯亮，并给出可能的泄露情况描述；当泄露发生概率在50%~80%时，启动二级泄露预警，远程终端处理单元人机界面进行预警提示包括红色警报指示灯亮、蜂鸣器发出警报声音、向相关利益方发送邮件或者短信预警提示，并给出可能的泄露情况描述；当泄露发生概率超过80%，启动一级泄露预警，远程终端处理单元人机界面显示红色预警指示灯持续闪烁，蜂鸣器发出警报声，界面弹出警告对话框，提示泄露发生地点时间状态等信息，并给出应急措施提示。

上述方案中，步骤2）模型建立过程中，温湿度、光照数据直接作为灰色神经网络算法输入数据，二氧化碳和目标气体浓度数据以时间积分结果作为输入数据，振动数据以振动强度时间积分为输入数据。

上述方案中，步骤4）预警过程中，如果启动所述的一级泄露预警或二级泄露预警或三级泄露预警，则提高距离当前预警传感器各方向最近的传感器的数据上传频率，并将各节点检测到目标气体泄漏概率并输入到所述的灰色神经网络算法数学关系模型中进行分析，根据所述的灰色神经网络算法数学关系模型预测目标产品泄露节点的位置。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

（1）本发明所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统，采用多种类型传感器采集环境信息，并通过远程终端处理单元进行智能分析处理，能够适用于多种目标气体或者挥发性液体泄露的监测和预警，通用性强。

（2）本发明所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统采用灰色神经网络算法，以原始数据对时间积分作为算法的输入数据，能够准确判断泄露的发生，同时能够给出发生的概率，从而有效预测泄露的发生，实现预警的目的。

附图说明

下面结合附图对具体实施方式进行说明。

图1是石化产品输送管道泄漏监测预警系统结构组成框图。

图2是石化产品输送管道泄漏监测预警方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的石化产品输送管道泄漏监测预警系统组成如图1所示，包括传感检测单元、无线通信单元、远程终端处理单元、供电单元和执行机构，所述的传感检测单元检测输送管道附近的环境参数，通过无线通信单元将信息发送给远程终端处理单元，供电单元为传感检测单元和无线通信单元提供电源；所述传感检测单元包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、振动传感器和目标气体传感器以及超低功耗的微控制器，所有传感器都与微控制器之间电连接；所述的目标气体传感器为苯、异丁烯、丙烯、乙炔、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、丙酮、一氧化碳等中的一种或几种的组合；所述的供电单元由太阳能电池板、锂离子电池和充电控制器组成，其中太阳能电池板尺寸为29cm×24cm，开路电压为22V，锂离子电池的输出电压为4．8V；所述的执行机构包括电磁阀、LED灯、蜂鸣器；所述的无线通信单元采用无线通信模块与温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、振动传感器和目标气体传感器以及超低功耗的微控制器组成传感器节点，各节点通过无线通信模块组成无线传感网络，并将监测数据传送到远程终端。

所述的石化产品输送管道泄漏监测预警方法，包括如下步骤：

通过所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统采集任意一个节点的近一年温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据，以及目标产品泄露数据，作为原始数据集。

以温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据作为输入数据，目标产品泄露作为输出数据，采用灰色神经网络算法进行训练，确定温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据与输送管道泄漏的关联本质，建立温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据与输送管道泄漏之间的数学关系模型；温湿度、光照数据直接作为灰色神经网络算法输入数据，二氧化碳和目标气体浓度数据以时间积分结果作为输入数据，振动数据以振动强度时间积分为输入数据。

采集所述的监测预警系统数据，在所述的远程终端上进行实时显示输出和存储；根据所述的灰色神经网络算法数学关系模型预测目标产品泄露，并评价泄露发生概率；

当泄露发生概率在20%~50%时，启动三级泄露预警，远程终端处理单元人机界面显示黄色警报指示灯亮，并给出可能的泄露情况描述；当泄露发生概率在50%~80%时，启动二级泄露预警，远程终端处理单元人机界面进行预警提示包括红色警报指示灯亮、蜂鸣器发出警报声音、向相关利益方发送邮件或者短信预警提示，并给出可能的泄露情况描述；当泄露发生概率超过80%，启动一级泄露预警，远程终端处理单元人机界面显示红色预警指示灯持续闪烁，蜂鸣器发出警报声，界面弹出警告对话框，提示泄露发生地点时间状态等信息，并给出应急措施提示。如果启动所述的一级泄露预警或二级泄露预警或三级泄露预警，则提高距离当前预警传感器各方向最近的传感器的数据上传频率，并将各节点检测到目标气体泄漏概率并输入到所述的灰色神经网络算法数学关系模型中进行分析，根据所述的灰色神经网络算法数学关系模型预测目标产品泄露节点的位置。

实施例1：一种以一氧化碳为目标气体的监测预警系统。

本实施例的实现方法如下：

首先，搭建目标气体检测预警系统。将无线通信模块,显示屏和传感器（包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、振动传感器和一氧化碳气体传感器）以及超低功耗的微控制器等元件安装在壳体内构成了检测终端。

由太阳能电池板、锂离子电池和充电控制器组成供电单元，太阳能电池板通过充电控制器为锂离子电池充电。锂离子电池安装在所述壳体内的电池槽中，输出电压为4.8V，为传感检测单元和无线通信单元提供电源。

壳体内有直径5cm的通孔，通孔内安装有直流电机。直流电机转的轴上安装有扇叶，形成壳体内气流。

将检测终端采集到的数据在显示屏上显示。显示屏为电容触摸屏，其上设有温度显示栏、湿度显示栏、目标产品所挥发气体浓度显示栏、电量显示栏和触屏式控制按钮。

无线通信单元采用ZigBee无线通信模块与所述的传感器组成传感器节点，各检测终端将采集到的信息发送到协调器并组成无线传感网络。协调器将监测数据传送到远程终端。

其次，实现目标气体监测预警模型，模型的建立由以下过程组成。

1）数据采集。通过所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统采集任意一个节点的近一年温湿度、光照、二氧化碳、振动和一氧化碳气体浓度数据，以及一氧化碳泄露数据，作为原始数据集；

2）模型建立。以温湿度、光照、二氧化碳、振动和一氧化碳气体浓度数据作为输入数据，目标产品泄露作为输出数据，采用灰色神经网络算法进行训练，确定温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据与输送管道泄漏的关联本质，建立温湿度、光照、二氧化碳、振动和一氧化碳气体浓度数据与输送管道泄漏之间的数学关系模型；

3）数据处理。采集所述的监测预警系统数据，在所述的远程终端上进行实时显示输出和存储；根据所述的灰色神经网络算法数学关系模型预测一氧化碳泄露，并评价泄露发生概率；

4）预警。当泄露发生概率在20%~50%以时，启动三级泄露预警，远程终端处理单元人机界面显示黄色警报指示灯亮，并给出可能的泄露情况描述；当泄露发生概率在50%~80%时，启动二级泄露预警，远程终端处理单元人机界面进行预警提示包括红色警报指示灯亮、蜂鸣器发出警报声音、向相关利益方发送邮件或者短信预警提示，并给出可能的泄露情况描述；当泄露发生概率超过80%，启动一级泄露预警，远程终端处理单元人机界面显示红色预警指示灯持续闪烁，蜂鸣器发出警报声，界面弹出警告对话框，提示泄露发生地点时间状态等信息，并给出应急措施提示。

灰色神经网络模型建立过程中，温湿度、光照数据直接作为灰色神经网络算法输入数据，二氧化碳和目标气体浓度数据以时间积分结果作为输入数据，振动数据以振动强度时间积分为输入数据。如果启动一级泄露预警或二级泄露预警或三级泄露预警，则提高距离当前预警传感器各方向最近的传感器的数据上传频率，并将各节点检测到目标气体泄漏概率并输入到所述的灰色神经网络算法数学关系模型中进行分析，根据所述的灰色神经网络算法数学关系模型预测目标产品泄露节点的位置。

Claims (9)

1.一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统，其特征在于：包括传感检测单元、无线通信单元、远程终端处理单元、供电单元和执行机构，所述的传感检测单元检测输送管道附近的环境参数，通过无线通信单元将信息发送给远程终端处理单元，供电单元为传感检测单元和无线通信单元提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统，其特征在于：所述传感检测单元包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、振动传感器和目标气体传感器以及超低功耗的微控制器，所有传感器都与微控制器之间电连接。

3.根据权利要求2所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统，其特征在于：所述的目标气体传感器为苯、异丁烯、丙烯、乙炔、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、丙酮、一氧化碳等中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统，其特征在于：所述的供电单元由太阳能电池板、锂离子电池和充电控制器组成，其中太阳能电池板尺寸为29cm×24cm，开路电压为22V，锂离子电池的输出电压为4.8V。

5.根据权利要求1所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统，其特征在于：所述的无线通信单元采用无线通信模块与权利要求2所述的传感器组成传感器节点，各节点将采集到的信息发送到具有多通道信息处理的微处理器，从而构成无线传感网络，并将监测数据传送到远程终端。

6.根据权利要求1所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统，其特征在于：所述执行机构包括电磁阀、LED灯、蜂鸣器。

7.一种石化产品输送管道泄漏监测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）数据采集；通过所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警系统采集任意一个节点的近一年温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据，以及目标产品泄露数据，作为原始数据集；

2）模型建立；以温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据作为输入数据，目标产品泄露作为输出数据，采用灰色神经网络算法进行训练，确定温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据与输送管道泄漏的关联本质，建立温湿度、光照、二氧化碳、振动和目标气体浓度数据与输送管道泄漏之间的数学关系模型；

3）数据处理；采集所述的监测预警系统数据，在所述的远程终端上进行实时显示输出和存储；根据所述的灰色神经网络算法数学关系模型预测目标产品泄露，并评价泄露发生概率；

4）预警；当泄露发生概率在20%~50%时，启动三级泄露预警，远程终端处理单元人机界面显示黄色警报指示灯亮，并给出可能的泄露情况描述；当泄露发生概率在50%~80%时，启动二级泄露预警，远程终端处理单元人机界面进行预警提示包括红色警报指示灯亮、蜂鸣器发出警报声音、向相关利益方发送邮件或者短信预警提示，并给出可能的泄露情况描述；当泄露发生概率超过80%，启动一级泄露预警，远程终端处理单元人机界面显示红色预警指示灯持续闪烁，蜂鸣器发出警报声，界面弹出警告对话框，提示泄露发生地点时间状态等信息，并给出应急措施提示。

8.根据权利要求7所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警方法，其特征在于：所述的2）模型建立过程中，温湿度、光照数据直接作为灰色神经网络算法输入数据，二氧化碳和目标气体浓度数据以时间积分结果作为输入数据，振动数据以振动强度时间积分为输入数据。

9.根据权利要求7所述的一种石化产品输送管道泄漏监测预警方法，其特征在于：所述的4）预警过程中，如果启动一级泄露预警或二级泄露预警或三级泄露预警，则提高距离当前预警传感器各方向最近的传感器的数据上传频率，并将各节点检测到目标气体泄漏概率并输入到所述的灰色神经网络算法数学关系模型中进行分析，根据所述的灰色神经网络算法数学关系模型预测目标产品泄露节点的位置。