CN111779986B - 一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于天然气管道安全维护领域，涉及针对于天然气管道滑油的沉积和附着位置、累积量的检测和抽吸处理。其特征在于：该系统由管道机器人、后端控制系统组成；后端控制系统设定运行参数，并控制放置回收系统和气液分离储存器，引导和控制机器人的进出，对抽排出的油气进行后处理；管道机器人由前端控制系统控制，带有沉积检测模块、三维空间检测模块、数据存储模块、电源模块和抽排模块，在管道内自主运行检测并处理滑油，同时回传数据。本发明与现有技术相比具有以下优点：能够实现不停产检测和处理，管道空间形态、滑油累积形态、累积位置一趟测，累积的滑油一趟处理，也可用于检测管道变形和缺陷。

Description

一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统

技术领域

本发明属于天然气管道安全维护领域，涉及针对于天然气管道滑油的沉积和附着位置、累积量的检测和抽排处理系统。

背景技术

近年来，为适应需求，我国油气管网规模不断扩大，管道的建设施工及管理水平得到大幅度的提升。根据《中长期油气管网规划》，到2020年全国长输油气管网规模将达到16.9万km；到2025年，管网规模将达到24万km，截至2017年底，中国油气长输管道里程已达13.14万km，其中天然气管道约7.26万km，原油管道约3.09万km，成品油管道约2.79万km。

随着清洁能源战略的实施，我国天然气使用量逐年增高，天然气管线长度也在不断增加。部分管道已运行十多年，难免存在腐蚀和缺陷问题；同时，天然气的长距离传输需要进行增压，常见的增压设备包括注油润滑的往复式压缩机(以下简称压缩机)，注入压缩机的滑油一部分经过压缩机橇内的回流管线伴随被压缩的天然气进入压缩机入口涤气罐；一部分通过活塞杆气封进入污油收集罐；剩余的滑油则随被压缩的天然气进入下游管道、直至海管。滑油的沉积是以往检测未被重视的领域，滑油随天然气运输过程中会凝结并滞留于输气管道中，大量的滞留滑油会增加天然气阻力，严重影响天然输送安全。

目前在天然气管道滑油检测和处理领域，还未有针对性的系统检测处理方案。滑油进入天然气管道后因温度降低，一部分附着于管道内壁，一部分沉积于管道底部，造成管道内径减小。因此需要及时对这些管道进行滑油沉积和附着检测，明确滑油在管道内的形态、位置和累积程度，随后将其转移出管道，避免影响管道的正常使用和输送安全。

由于滑油存在于管道内，只能实行管道内检测。目前在管道内检测主要的方式有三种，分别是：漏磁检测，超声检测和涡流检测。由于滑油的沉积和附着改变的是管道内壁的厚度，滑油本身不导电的性质使漏磁检测和涡流检测对其无法有效检测。因此可选的方案是超声波检测，超声波检测是通过换能器发送和接收超声波的时间差来计算管壁附着厚度和沉积高度。但单个换能器无法覆盖整个管道内壁，无法确定滑油在管道内的累积状态；同时仅靠超声波检测无法确定沉积和附着在管道的具体位置。

通常检测设备需要通过搭载平台进入管道进行检测。常见的搭载平台有管道猪、履带式管道机器人、轮式管道机器人、智能球等。管道猪通常是依靠两端的气体压差移动，对生产影响大，不易控制速度和及时回收数据；智能球是将检测设备置于球内，将球置于管道内进行检测，不易控制且难以回收。在天然气管道内检测中所常见的履带式管道机器人，如江苏若博机器人科技有限公司的专利(申请号：CN105856235A、CN105856234A)所示，多为履带驱动的小车形式，在仪器居中性、运载稳定性和承载能力都不及轮式管道机器人。

管道机器人随行控制系统目前多以ARM系列芯片为核心，例如上述江苏若博机器人科技有限公司的管道机器人随行控制系统芯片为ARM芯片和DSP、FPGA芯片组合。ARM芯片为通用芯片，特点是功能多样，但在许多传感器信息的处理效率上不及DSP等芯片。DSP是一种具有特殊结构的微处理器，在数据处理方面具有高效可靠等优点，其同时具有控制单元、运算单元、寄存器及储存单元，本身即为完整的微型计算器。随着技术的进步，已有在工业机器人系统中应用DSP芯片控制的先例，使用DSP芯片作为管道机器人随行控制核心具有降低系统复杂度，提升控制系统效率的作用。

对管道内液体的排出和控制方面，主要有利用气体的本身减少液体沉积或者安装积液排除装置两种思路。第一种思路如以下两个专利(申请号：CN201610111812.2，CN201510386095.X)，一个是通过气体涡旋效应提升携液能力来减少沉积，该方案未从根本上减少天然气中的积液，且只能处理气体中的水；另一个是通过气举排除积液，该方案处理量小，且容易泄露污染环境。第二种思路如专利(申请号：CN201920883923.4)在进出气口之间安装排除装置，使积液在装置下部堆积，该方案破坏了管道整体性，处理量小，容易泄露造成污染。

信息传递方面，主要有有线传输，无线传输，嵌入式存储。无线传输不稳定，传输距离短；有线传输需要提供足够牵引力；嵌入式存储效率低，不易及时发现和解决问题。相应对应的控制方式就有采用有线或无线的人工控制或嵌入式的自动控制。无线传输稳定性不及有线，全自动控制安全性不及人工，人工控制效率不及自动控制。

因此，目前在长距离天然气管道滑油检测处理系统方面有以下要解决的要点问题：

(1)确定滑油在管道内的具体位置以及沉积量与附着量；

(2)能够在不停产的情况下实现检测设备的安全进出和检测；

(3)兼顾检测效率和安全性的系统设计；

(4)长距离管道内滑油的有效排出和安全处置。

发明内容

为了摸清对长距离天然气管道滑油的累积状态和位置并有效处置，补充针对于长距离天然气管道滑油累积检测和处理系统的空白。本发明提出了一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统，能够实现在不停产、兼顾效率与安全的条件下，实现对天然气管道的滑油的存在位置、沉积量和附着量一次性检测，并进行一次性抽排处理。

为了实现以上目的，本发明通过以下方案来实现：

一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统，包含管道机器人、后端控制系统；所述管道机器人含有前端控制系统并由运动模块、沉积检测模块、三维空间检测模块、抽排模块、数据存储模块、前端DSP处理器等主要部分组成，所述后端控制系统包括后端控制主机、信号放大器、I/O设备等，其特征在于：后端控制系统还包括放置回收系统，放置回收系统由电动阀3a-3d、密闭舱、绞车、脐带缆、天然气检测仪、气液分离储存器、以及并行管路组成，所述放置回收系统中的电动阀3a-3d、绞车、气液分离储存器和管道机器人中的DSP前端处理器分别与后端控制系统中的后端控制主机相连。

所述整个系统的由两级控制系统控制，分别是以DSP处理器为核心的前端控制系统，负责控制管道机器人的运动，检测系统、抽排系统的运行和数据处理回传，以及以后端控制主机为核心的后端控制系统，负责管道机器人的启动、返回和滑油回收管理，以及数据的解析显示。

所述前端控制系统包括DSP前端处理器、运动模块、沉积检测模块、三维空间检测模块、抽排模块、电源模块，其特征在于：运动模块包括驱动电机和支撑电机、沉积检测模块包括超声阵列、重力云台、工业CCD相机，三维空间检测模块包括行程计数器、多轴机械陀螺、绞车传感器，抽排模块包括抽吸器和气液分离储存器，电源模块包括电源控制器和电池，以上部件分别与DSP处理器相连，由DSP汇总处理各类数据，并同时储存在数据存储模块和通过脐带缆向后端控制系统发送。

所述超声阵列后端连接重力云台，再通过云台安装于管道机器人最前端，共有4-6个超声波换能器周向均匀排布，以便覆盖整个管道内部；云台对阵列的方向基准保持监测，并根据DSP指令实时调整维持阵列基准方向。

所述脐带缆由电力缆、通信光缆、抽排管和拉力钢缆组成，负责通信、供电、提供滑油排出渠道和意外时的拉力，其外部涂有防静电涂层，防止产生静电影响管道安全。所述管道机器人经过防静电处理，支撑系统和驱动系统均为轮式，以保证管道机器人的有足够的去牵引力和合适的驱动速度，且支撑轮和驱动轮均为防静电橡胶轮保证安全。

所述放置回收系统为并联双路带密封舱结构，与主管道连接处设有金属过滤网阻隔检测设备及杂物进入主管道，密封舱还引出有抽排管连接气液分离储存器，保证抽出的滑油和附带的天然气的安全处理。

所述抽吸器为带有多个均布抽吸口的圆盘状装置，抽吸器与机器人末尾短节同心安装，并与抽排管相连。同心安装有利于减小体积，安装在末尾短节有利于缩短滑油抽排距离，避免因机器人转向导致的抽排管弯折堵塞，同时有利于二次抽排后检测。

附图说明

图1为本发明的系统整体图；

图2为本发明的管道检测机器人；

图3为本发明系统主要部件及控制关系图；

图4为本发明管道机器人运行流程图；

图5为本发明脐带缆截面图；

图中标号表示：1-主管道；2-金属过滤网；3a～3d-电动阀；4-天然气检测仪；5-管道机器人；6-脐带缆；6a-拉力钢缆；6b-通信缆；6c-电力缆；6d-抽排管；6e-防静电涂层；7-密封舱；8-旁路管线；9-I/O设备；10-后端控制主机；11-信号放大器；12-绞车传感器；13-绞车；14-气液分离储存器；15-超声阵列；16-重力云台；17-驱动电机；18-驱动轮；19-重力传感器；20-扶正器；21-万向节；22-多轴机械陀螺；23-DSP处理器(前端控制器)；24-行程计数器；25-支撑轮；26-支撑电机；27-数据存储模块；28-电源控制器；29-蓄电池；30-工业CCD照相机；31-抽吸器；32-脐带缆接头；

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的效果有更加清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施。

如图1、2所示，所述一种输气管道滑油累积定为检测抽排系统，包含管道机器人5、后端控制系统A1；所述管道机器人5具有前端控制系统A2并由运动模块a3、沉积检测模块a1、三维空间检测模块a2、抽排模块a4、数据存储模块27、前端DSP处理器23等主要部分组成，所述后端控制系统包括后端控制主机10、信号放大器11、I/O设备9等，其特征在于：后端控制系统A1还包括放置回收系统，放置回收系统由电动阀3a-3d、密闭舱7、绞车13、脐带缆6、天然气检测仪4、气液分离储存器14、以及并行管路组成，所述放置回收系统中的电动阀3a-3d、绞车13、气液分离储存器14和管道机器人5中的DSP前端处理器23分别与后端控制系统A1中的后端控制主机10相连。

如图1、3、4所示，本发明的系统工作流程为，启动时管道机器人5受控制后端控制系统A1控制，后端控制主机10控制放置回收系统的各个阀门3a-3d，排出管内空气。在天然气检测仪4检测满足设定时，管道机器人5在后端控制主机10的命令下，通过回收放置系统进入需要检测的天然气管道。随后管道机器人5自主运行，将检测处理后的信息通过脐带缆6回传，经过信号放大器11将信号处理后传输至后端控制主机10供工作人员分析，同时抽排管6d道内的滑油，抽排出的滑油由分离器14处理，即将滑油储存，将附带天然气点燃。所有任务完成后，管道机器人5停止并等待后端控制主机10发出返回命令，并在返程中进行二次抽排和通过工业CCD相机30检测剩余滑油，最终在后端控制系统A1的引导下，通过回收放置系统返回。

由图1所示，所述放置回收系统为并联双路带密封舱7结构，主体由两段并联的天然气管道组成，除管道之外还包括：电动阀3a-3d、密闭舱7、绞车13、脐带缆6、天然气检测仪4、气液分离储存器14；其中与密封舱7相连的为主路，管道机器人5通过该管道进入需要检测的管道。另一路较短的为旁路管线8，保证在机器人放置过程或主路不通期间，天然气能够顺利进入长输气主管道1。由于主管道1不能进入杂物，为防止管道机器人5零件脱落进入主管道1，主管道1连接处设有金属过滤网2。抽排出的滑油和附带的天然气通过分离器14，将滑油储存，天然气则通过端部出口点燃释放。

如图1、2所示，所述后端控制系统包括后端控制主机10、信号放大器11、I/O设备9、存储设备；还包括放置回收系统，放置回收系统由电动阀3a-3d、密闭舱(7)、绞车(13)、脐带缆(6)、天然气检测仪(4)、气液分离储存器(14)、以及并行管路组成，所述放置回收系统中的电动阀3a-3d、绞车(13)、气液分离储存器(14)和管道机器人(5)中的DSP前端处理器(23)分别与后端控制系统(A1)中的后端控制主机(10)相连。

所述管道机器人5包括多轴机械陀螺22、行程计数器24、万向节21、扶正器20、脐带缆6、重力云台16、超声阵列15、抽吸器31等；所述管道机器人5经过防静电处理，支撑系统和驱动系统均为轮式，保证提供足够的牵引力和合适的牵引速度，且支撑轮24和驱动轮均为防静电橡胶轮，采用橡胶轮既能防止静电也能减少机器人振动，提高检测准确性。

如图1、2所示，所述脐带缆6一端通过脐带缆接头32与管道机器人5连接；另一端缠绕于绞车13并引出通信缆6c和抽排管6d道分别与后端控制主机10和分离器14相连。脐带缆6外部涂有防静电涂层防止静电引发安全问题。所述脐带缆6由电力缆6c、通信光缆6b、抽排管6d和拉力钢缆6a组成，负责通信、供电、提供滑油排出渠道和意外时的拉力。其外部涂有防静电涂层6e。

如图2、3所示，所述输气管道滑油累积定位检测系统，该系统由两级控制系统控制：以DSP处理器23为核心的前端控制管道机器人5的运动，检测系统a1，a2、抽吸器31的运行和数据处理回传；以后端控制主机10为核心的后端控制系统，负责管道机器人5的启动、返回和滑油回收管理，以及数据的解析显示。

所述前端控制系统A2包括DSP前端处理器23、运动模块a3、沉积检测模块a1、三维空间检测模块a2、抽排模块a4、电源模块a5，它们分别与DSP处理器23相连，所有系统数据汇总在DSP前端处理器23处理，处理后的同时将数据通过保存到存储模块27和通过脐带缆6传输至与后端控制主机10。

所述运动模块a3中核心部件是驱动电机17和支撑电机26，分别位于驱动短节和支撑短节，驱动电机17与驱动轮18相连，支撑电机26与支撑轮25相连。

所述沉积检测模块a1的核心部件是超声阵列15、重力云台16和工业CCD相机30，超声阵列15位于管道机器人5最前端，共有4-6个超声波换能器，周向均匀排布，实现对管壁360°覆盖；重力云台16位于超声阵列15与管道机器人5之间，分别与二者相连；工业CCD相机30位于末尾短节，用于对滑油的位置和残余量进行检测复核。

所述三维空间检测模块a2的核心部件是多轴机械陀螺22、行程计数器24和绞车传感器12，多轴机械陀螺22和行程计数器24与DSP处理器23相连并安装在一个短节内，行程计数器24与其中一个驱动轮18连接；绞车传感器12安装于绞车13上，用于检测脐带缆6的延伸量，并通过数据缆与前端DSP处理器23相连。

所述抽排模块a4核心部件为抽吸器31和气液分离储存器14，抽吸器31与前端DSP处理器23相连并由其控制，气液分离储存器14与后端控制主机10相连并由其控制。

抽吸器31为带有多个均布抽吸口的圆盘状装置，抽吸器31与机器人末尾短节同心安装，并与抽排管6d相连。检测模块a1，a2确定滑油的累积位置形态，由DSP处理器23根据检测数据和行程数据控制抽吸器31在滑油累积的相应的位置启动，将滑油抽排出管道。

如图2、3所示，所述脐带缆6中的通信缆6c与DSP处理器23连接，电力缆6c与电源控制器28连接；电源控制器28、蓄电池29安装在管道机器人末尾短节，二者组成电源模块负责管道机器人5的供电。电能通过电力缆6c输送至管道机器人，由电源控制器28根据DSP处理器23的指令调节好电压电流分配至机器人5的各模块。

Claims (6)

1.一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统，包含管道机器人(5)、后端控制系统(A1)；所述管道机器人含有前端控制系统(A2)并包括运动模块(a3)、沉积检测模块(a1)、三维空间检测模块(a2)、抽排模块(a4)、数据存储模块(27)、DSP前端 处理器(23)，所述后端控制系统(A1)包括后端控制主机(10)、信号放大器(11)和I/O设备(9)，其特征在于：后端控制系统(A1)还包括放置回收系统，放置回收系统由电动阀3a-3d、密闭舱(7)、绞车(13)、脐带缆(6)、天然气检测仪(4)、气液分离储存器(14)以及并行管路组成，所述放置回收系统中的电动阀3a-3d、绞车(13)、气液分离储存器(14)和管道机器人(5)中的DSP前端处理器(23)分别与后端控制系统(A1)中的后端控制主机(10)相连；

所述放置回收系统为并行双路管道带密封舱(7)结构，所述并行双路包括与密封舱(7)相连的主路以及较短的旁路管线(8)，所述与密封舱(7)相连的主路以及较短的旁路管线(8)的一端均连接有天然气进气口，运动模块(a3)包括驱动电机(17)和支撑电机(26)，沉积检测模块(a1)包括超声阵列(15)和重力云台(16)、工业CCD相机(30)；三维空间检测模块(a2)包括行程计数器(24)和多轴机械陀螺(22)和绞车传感器(12)；抽排模块(a4)包括抽吸器(31)和气液分离储存器(14)；电源模块(a5)包括电源控制器(28)和蓄电池(29)，以上部件分别与DSP前端处理器(23)相连，由DSP前端处理器(23)汇总处理各类数据并同时储存在数据存储模块(27)和通过脐带缆(6)向后端控制系统(A1)发送。

2.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统，其特征在于：系统由两级控制系统控制，分别是以DSP前端处理器(23)为核心的前端控制系统，负责控制管道机器人(5)的运动，沉积检测模块(a1)、三维空间检测模块(a2)、抽排模块(a4)的运行和数据处理回传；以及以后端控制主机(10)为核心的后端控制系统(A1)，负责管道机器人(5)的启动、返回控制和滑油回收管理以及数据的解析显示。

3.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统，其特征在于：超声阵列(15)共有4-6个超声波换能器周向均匀排布，其连接后端重力云台(16)，再通过重力云台连接管道机器人(5)，重力云台(16)对阵列的方向基准保持监测，并根据DSP前端处理器(23) 指令实时调整维持阵列基准方向。

4.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统，其特征在于：系统内进入管道部分均经过防静电与摩擦处理，所述管道机器人(5)外露部分包裹有防静电橡胶保护层，驱动系统均为轮式，支撑轮(25)和驱动轮(18)均为防静电橡胶轮；脐带缆(6)由拉力钢缆(6a)、抽排管(6d)、通信缆(6b)和电力缆(6c)组成，外有防静电涂层(6e)。

5.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统，其特征在于：所述放置回收系统与主管道(1)连接处设有金属过滤网(2)阻隔检测设备及杂物进入主管道(1)，密封舱(7)还引出有抽排管(6d)连接气液分离储存器(14)。

6.根据权利要求5所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排系统，其特征在于：抽吸器(31)为带有多个均布抽吸口的圆盘状装置，抽吸器与机器人末尾短节同心安装，并与抽排管(6d)相连。

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