CN111222796B - 一种测量lng管道真空度的方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于温度场原理测量LNG管道真空度的方法、装置、存储介质及终端设备,通过测量LNG真空低温管道外管外壁的温度,将获得的温度信号输入单片机控制系统,然后把环境温度、管壁厚、管道材质等参数通过移动终端输入到单片机中,经过预先设置的能够将外管外壁温度转换为夹层真空度的算法,计算得出管道内的真空度,然后将真空度数据实时显示出来。当真空度超出预先设定设定的阈值时,及时发出报警信号,实现预警功能。本发明的目的是为了实现对于LNG真空低温管道真空度的远程实时快速准确检测,装置及方法结构简单可靠、操作方便、节省成本,结果真实可靠,不仅适用于LNG的真空低温管道,也适用于其它真空管道,具有广阔的应用前景。
Description
【技术领域】
本发明属于管道真空检测技术领域,涉及一种基于温度场原理测量LNG管道真空度的方法、装置、存储介质及终端设备。
【背景技术】
随着现代社会对于环保的要求越来越高,因此新能源的应用越来越广泛,液化天然气作为一种清洁能源被广泛应用于汽车、工业生产等各种领域。LNG目前主要有三种运输方式:管道运输;公路运输;海上运输。而在LNG的管道运输中,为了保证LNG的运输安全,一般会使用真空绝热管道进行运输,将夹层空间抽成高真空,阻隔对流传热和减少气体导热,通过增大对流换热热阻减小传热。其结构简单紧凑、热容量小、制造方便,但真空保持有难度,一旦真空丧失,绝热性能将迅速下降。同时,由于对于真空低温管道中的真空度检测操作较为复杂,大多数情况下并不能及时的对于真空度进行检测,半年或者一年甚至更久才检测一次真空度。这就导致在当泄露处附近运输的LNG温度上升以及管道表面结霜才发现LNG管道发生了泄露。一旦发生泄露,真空度就会不满足要求,导致内部介质即LNG温度上升然后发生气化。甲烷本身是一种低毒性的窒息性气体,而泄漏后形成的LNG低温蒸汽云团与空气混合,形成爆炸性混合物。而甲烷的爆炸极限为5%~15%(体积分数),一旦混合物中甲烷的浓度在爆炸极限范围内,就会有爆炸的危险;燃烧起来后,火焰的温度高、辐射热强、易形成大面积火灾。此外,LNG还会产生快速相变危害。当低温的LNG和一种热液体(比如水)接触而被突然加热的时候,就可能出现LNG的快速沸腾气化现象,引起沸腾液体蒸气爆炸(BLEVE),蒸气云爆炸(VCE),超压还会破坏泄漏源附近的设备和构筑物。所以,对于真空度的定期检测至关重要。然而,在对真空度的实际检测中,有一部分管道没有留出测量真空度的孔,对于这些没有留出真空度检测孔的管道,利用常规的办法测量真空度存在很大的困难,迄今为止,在不破坏管道的情况下对管道内的真空度进行检测还没有找到特别快速有效的方法。
【发明内容】
本发明的目的在于解决现有技术中的问题,提供一种基于温度场原理测量LNG管道真空度的方法、装置、存储介质及终端设备,本发明能够快速简便地测量LNG管道的真空度,从而能够降低真空低温管道的安全隐患。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
基于温度场原理测量LNG管道真空度的方法,适用于在计算设备中执行,包括以下步骤:
步骤1,获取LNG管道的外管外壁温度T1、环境温度T0、LNG流体温度T5;
步骤2,输入LNG管道的外管外壁半径r1、外管内壁半径r2、内管外壁半径r3、内管内壁半径r4、管长l、环境与外管外壁的对流换热系数h1、管壁的导热系数λ、外管内壁适应系数a2、内管外壁适应系数a3、比热容比γ、空气的分子质量M、斯忒藩-玻尔兹曼常数σ、外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比E以及LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数h2;
步骤3,利用公式(1)计算LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P:
其中:
一种存储设备,其中存储有多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行:
获取LNG管道的外管外壁温度T1、环境温度T0、LNG流体温度T5;
利用公式(1)计算LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P:
其中:
r1为管道的外管外壁半径、r2为外管内壁半径、r3为内管外壁半径、r4为内管内壁半径、l为管长、h1为环境与外管外壁的对流换热系数、λ为管壁的导热系数、a2为外管内壁适应系数、a3为内管外壁适应系数、γ为残余气体的比热容比、M为残余气体的分子质量、σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数、E为外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比以及h2为LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数。
一种终端设备,包括:
处理器,适于实现各指令;以及
存储设备,适于存储多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行:
获取LNG管道的外管外壁温度T1、环境温度T0、LNG流体温度T5;
利用公式(1)计算LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P:
其中:
r1为管道的外管外壁半径、r2为外管内壁半径、r3为内管外壁半径、r4为内管内壁半径、l为管长、h1为环境与外管外壁的对流换热系数、λ为管壁的导热系数、a2为外管内壁适应系数、a3为内管外壁适应系数、γ为残余气体的比热容比、M为残余气体的分子质量、σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数、E为外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比以及h2为LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数。
一种基于温度场原理测量LNG管道真空度的装置,包括:
壳体,所述壳体内安装数据采集单元、信号处理单元、无线传输模块、继电器、主控单元、串口通讯模块以及电源模块;壳体表面设置按键模块和数据采集单元;
数据采集单元,所述数据采集单元用于采集LNG管道的外管外壁的温度信号T1;
信号处理单元,所述信号处理单元包括A/D转换器,用于将测温探头(1)采集到的模拟温度信号转换为数字信号,并发送给主控模块;
无线传输模块,所述无线传输模块与主控单元相连,用于主控单元与上位机或移动终端的通信;上位机或移动终端通过无线传输模块将LNG管道的外管外壁半径r1、外管内壁半径r2、内管外壁半径r3、内管内壁半径r4、管长l、环境与外管外壁的对流换热系数h1、管壁的导热系数λ、外管内壁适应系数a2、内管外壁适应系数a3、比热容比γ、空气的分子质量M、斯忒藩-玻尔兹曼常数σ、外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比E以及LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数h2输入至主控单元中;主控单元将得到的真空度P反馈给上位机或移动终端;
按键模块,所述按键模块用于将环境温度T0、LNG流体温度T5输入至主控单元中;
继电器,所述继电器用于调节电流,保护检测装置中的电路;
主控单元,所述主控单元包括单片机,所述单片机通过内置的真空度P算法,对温度数据进行处理,得到LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P,并将真空度P发送给串口通讯模块和无线传输模块,所述计算真空度P的算法如下:
其中:
r1为管道的外管外壁半径、r2为外管内壁半径、r3为内管外壁半径、r4为内管内壁半径、l为管长、h1为环境与外管外壁的对流换热系数、λ为管壁的导热系数、a2为外管内壁适应系数、a3为内管外壁适应系数、γ为残余气体的比热容比、M为残余气体的分子质量、T0为环境温度、T1为外管外壁温度、T5为LNG流体温度、σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数、E为外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比以及h2为LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数。
串口通讯模块,所述串口通讯模块用于将单片机得到的真空度P的数值发送给LED显示屏;
电源模块,所述电源模块为数据采集单元、信号处理单元、无线传输模块、按键模块、无线传输模块、继电器、主控单元、串口通讯模块以及LED显示屏提供恒定工作电流。
本发明进一步的改进在于:
所述数据采集单元包括测温探头、温度传感器以及模拟开关;测温探头安装于壳体端部,并于模拟开关的一端相连,模拟开关的另一端与A/D转换器相连。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明结构简单,检测精度高且速度快,能够对于未留有检测孔的LNG真空管道进行真空度的检测。本发明利基于温度场原理来测量LNG真空低温管道的真空度,通过移动终端输入介质的温度、环境温度以及壁厚、材质等参数,然后用本装置测量外管外壁的温度就可以通过主控模块计算得出管道内的真空度,流程简单,响应速度快。本发明能够实现数据的实时传输。将真空度检测装置与移动终端及上位机建立联系,将数据传输实时到上位机和移动终端,以此来实现对真空低温管道真空度的远程监控。当真空度数值超过在电脑或者移动终端预先设定的阈值时,就会立即发出报警信号,从而实现预警功能。最后,本发明误差小,应用范围广,通用性强,不仅适用于LNG的真空低温管道,也适用于其它真空管道。
【附图说明】
图1为本发明测量方法的流程图;
图2为本发明测量装置的结构示意图;
图3为本发明测量装置的架构图。
其中,1-测温探头;2-壳体。
【具体实施方式】
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例,不是全部的实施例,而并非要限制本发明公开的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非按比例绘制,其中为了清楚表达的目的,放大了某些细节,并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的,实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差,并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明公开的上下文中,当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时,该层/元件可以直接位于该另一层/元件上,或者它们之间可以存在居中层/元件。另外,如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”,那么当调转朝向时,该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够适应在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排它的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
参见图1,本发明基于温度场原理测量LNG管道真空度的方法,适用于在计算设备中执行,包括以下步骤:
步骤1,输入LNG管道的外管外壁半径r1、外管内壁半径r2、内管外壁半径r3、内管内壁半径r4、管长l、环境与外管外壁的对流换热系数h1、管壁的导热系数λ、外管内壁适应系数a2、内管外壁适应系数a3、比热容比γ、空气的分子质量M、斯忒藩-玻尔兹曼常数σ、外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比E以及LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数h2;
步骤2,获取LNG管道的外管外壁温度T1、环境温度T0、LNG流体温度T5;
步骤3,利用公式(1)计算LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P:
其中,
步骤4,将计算得到的真空度P与现有的真空计测量的真空度数据进行对比分析,若误差大于设定阈值,则发出警报。
如图2所示,本发明还公开了一种基于温度场原理测量LNG管道真空度的装置,该装置运行上述实施例步骤1-4所对应的计算机程序。所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元,所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中,并由所述处理器执行,以完成本发明。本实施例测量LNG管道真空度的装置包括壳体2、数据采集单元、信号处理单元、无线传输模块、按键模块、继电器、主控单元、串口通讯模块以及电源模块,
壳体2内安装数据采集单元、信号处理单元、无线传输模块、继电器、主控单元、串口通讯模块以及电源模块;壳体2表面设置按键模块和数据采集单元;数据采集单元用于采集LNG管道的外管外壁的温度信号T1;数据采集单元包括测温探头1、温度传感器以及模拟开关;测温探头1安装于壳体2端部,并于模拟开关的一端相连,模拟开关的另一端与A/D转换器相连。信号处理单元包括A/D转换器,用于将测温探头1采集到的模拟温度信号转换为数字信号,并发送给主控模块;无线传输模块与主控单元相连,用于主控单元与上位机或移动终端的通信;上位机或移动终端通过无线传输模块将LNG管道的外管外壁半径r1、外管内壁半径r2、内管外壁半径r3、内管内壁半径r4、管长l、环境与外管外壁的对流换热系数h1、管壁的导热系数λ、外管内壁适应系数a2、内管外壁适应系数a3、比热容比γ、空气的分子质量M、斯忒藩-玻尔兹曼常数σ、外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比E以及LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数h2输入至主控单元中;主控单元将得到的真空度P反馈给上位机或移动终端;按键模块用于将环境温度T0、LNG流体温度T5输入至主控单元中;继电器用于调节电流,保护检测装置中的电路;串口通讯模块用于将单片机得到的真空度P的数值发送给LED显示屏;电源模块为数据采集单元、信号处理单元、无线传输模块、按键模块、无线传输模块、继电器、主控单元、串口通讯模块以及LED显示屏提供恒定工作电流。
主控单元包括单片机,单片机通过内置的真空度P算法,对温度数据进行处理,得到LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P,并将真空度P发送给串口通讯模块和无线传输模块,利用公式(1)计算真空度P。
本发明还公开了一种存储设备,其中存储有多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行:
获取环境温度T0、外管外壁温度T1、LNG流体温度T5;
利用公式(1)计算LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P。
本发明还公开了一种终端设备,包括:
处理器,适于实现各指令;以及
存储设备,适于存储多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行:
获取环境温度T0、外管外壁温度T1、LNG流体温度T5;
利用公式(1)计算LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P。
如图3所示,本发明实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括:处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述测量真空度方法实施例中的步骤,例如图1所示的步骤1-4。或者,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
本发明所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括,但不仅限于,处理器、存储器、显示器等其他相关配件。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块,所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块,以及调用存储在存储器内的数据,实现所述终端设备的各种功能。
本发明的结构原理:
本发明LNG管道真空度检测装置主要包括三部分:
数据采集单元:测温探头1,采集真空低温管道外管外壁的温度信号。
信号处理单元:主要包括A/D转换器,将模拟信号转换为数字信号。
主控单元:主要包括处理器、LED显示模块、串口通讯模块、电源模块。其中处理器采用STM32单片机,通过内置的算法对温度数据进行处理,得到LNG真空低温夹层的真空度。
如图2所示,本发明电源模块同时连接有测温探头1、温度传感器、模拟开关、A/D转换器、单片机、无线传输模块、继电器、串口通讯模块、LED显示屏并提供恒定电流。测温探头1和温度传感器两个检测元件与模拟开关相连,模拟开关另一端与A/D转换器相连接,能够将感应元件检测到的模拟信号转化为数字信号,再将数字信号输入单片机进行数据处理;无线数据传输模块与单片机相连接,能够实现数据的实时传输,能够通过移动终端和上位机对介质温度、壁厚、管道材质等参数输入单片机进行数据处理,将得到的真空度经串口通讯模块在LED显示屏上显示出来,同时又经无线传输模块将真空度的数值实时传输到移动终端和上位机上。
本发明测量方法原理:
本发明是基于温度场原理对LNG真空低温管道的真空度进行检测。外管外壁的温度与夹层真空度、环境温度、管壁材质、壁厚、内管温度等因素有关,外管与内管的热交换除了热辐射还有残余气体的热传导,这就导致外管外壁的温度与绝对真空条件下的温度有所差异,气体的导热系数与气体的压强呈正相关的类线性关系。根据能量守恒关系计算出外管内壁的温度、外管外壁的温度等,最终得出外管外壁温度-夹层真空的数学关系。然后,通过测温探头1测出LNG真空低温管道外管外壁的温度,经A/D转换器转换,将模拟信号转换为数字信号输入到单片机中,同时将环境温度和管道介质温度通过移动终端输入单片机中,经过预先设定的算法,即公式(1),计算得出管道夹层的真空度,然后经串口通讯模块和无线传输模块分别在LED显示屏和上位机和移动终端上实时显示测得的真空度。
电源模块采用+5V稳压电源VDD和±5V稳压电源VCC和VEE;测温探头1选用HS-200A,测量精度高;A/D转换器选用PCF8591A/D转换器;无线传输模块选用XG2822;单片机选用STM32单片机;串口通讯模块选用433MHZ串口数传模块;无线传输模块选用XG2822型。
实施例:
采用本发明装置测量真空度:上位机通过无线传输模块将LNG管道的外管外壁半径r1、外管内壁半径r2、内管外壁半径r3、内管内壁半径r4、管长l、环境与外管外壁的对流换热系数h1、管壁的导热系数λ、外管内壁适应系数a2、内管外壁适应系数a3、比热容比γ、空气的分子质量M、斯忒藩-玻尔兹曼常数σ、外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比E以及LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数h2输入至主控单元中;通过测温探头测量外管外壁的温度,并用按键模块将环境温度T0、LNG流体温度T5输入至主控单元中,最终在LED显示屏上显示出真空度为4.8×10-4,与真实结果相比,误差在9%,误差较小,测量结果可以作为真实结果。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于温度场原理测量LNG管道真空度的方法,适用于在计算设备中执行,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,获取LNG管道的外管外壁温度T1、环境温度T0、LNG流体温度T5;
步骤2,输入LNG管道的外管外壁半径r1、外管内壁半径r2、内管外壁半径r3、内管内壁半径r4、管长l、环境与外管外壁的对流换热系数h1、管壁的导热系数λ、外管内壁适应系数a2、内管外壁适应系数a3、残余气体的比热容比γ、残余气体的分子质量M、斯忒藩-玻尔兹曼常数σ、外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比E以及LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数h2;
步骤3,利用公式(1)计算LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P:
其中:
3.一种终端设备,其特征在于,包括:
处理器,适于实现各指令;以及
存储设备,适于存储多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行:
获取LNG管道的外管外壁温度T1、环境温度T0、LNG流体温度T5;
利用公式(1)计算LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P:
其中:
r1为管道的外管外壁半径、r2为外管内壁半径、r3为内管外壁半径、r4为内管内壁半径、l为管长、h1为环境与外管外壁的对流换热系数、λ为管壁的导热系数、a2为外管内壁适应系数、a3为内管外壁适应系数、γ为残余气体的比热容比、M为残余气体的分子质量、σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数、E为外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比以及h2为LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数。
4.一种基于温度场原理测量LNG管道真空度的装置,其特征在于,包括:
壳体(2),所述壳体(2)内安装数据采集单元、信号处理单元、无线传输模块、继电器、主控单元、串口通讯模块以及电源模块;壳体(2)表面设置按键模块和数据采集单元;
数据采集单元,所述数据采集单元用于采集LNG管道的外管外壁的温度信号T1;
信号处理单元,所述信号处理单元包括A/D转换器,用于将测温探头(1)采集到的模拟温度信号转换为数字信号,并发送给主控模块;
无线传输模块,所述无线传输模块与主控单元相连,用于主控单元与上位机或移动终端的通信;上位机或移动终端通过无线传输模块将LNG管道的外管外壁半径r1、外管内壁半径r2、内管外壁半径r3、内管内壁半径r4、管长l、环境与外管外壁的对流换热系数h1、管壁的导热系数λ、外管内壁适应系数a2、内管外壁适应系数a3、残余气体的比热容比γ、残余气体的分子质量M、斯忒藩-玻尔兹曼常数σ、外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比E以及LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数h2输入至主控单元中;主控单元将得到的真空度P反馈给上位机或移动终端;
按键模块,所述按键模块用于将环境温度T0、LNG流体温度T5输入至主控单元中;
继电器,所述继电器用于调节电流,保护检测装置中的电路;
主控单元,所述主控单元包括单片机,所述单片机通过内置的真空度P算法,对温度数据进行处理,得到LNG管道外管内壁与内管外壁之间的真空度P,并将真空度P发送给串口通讯模块和无线传输模块,计算真空度P的算法如下:
其中:
r1为管道的外管外壁半径、r2为外管内壁半径、r3为内管外壁半径、r4为内管内壁半径、l为管长、h1为环境与外管外壁的对流换热系数、λ为管壁的导热系数、a2为外管内壁适应系数、a3为内管外壁适应系数、γ为残余气体的比热容比、M为残余气体的分子质量、T0为环境温度、T1为外管外壁温度、T5为LNG流体温度、σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数、E为外管内壁表面及内管外壁表面间的有效辐射率比以及h2为LNG流体与内管内壁之间的对流换热系数;
串口通讯模块,所述串口通讯模块用于将单片机得到的真空度P的数值发送给LED显示屏;
电源模块,所述电源模块为数据采集单元、信号处理单元、无线传输模块、按键模块、无线传输模块、继电器、主控单元、串口通讯模块以及LED显示屏提供恒定工作电流。
5.根据权利要求4所述的基于温度场原理测量LNG管道真空度的装置,其特征在于,所述数据采集单元包括测温探头(1)、温度传感器以及模拟开关;测温探头(1)安装于壳体(2)端部,并于模拟开关的一端相连,模拟开关的另一端与A/D转换器相连。
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