CN112950903A

CN112950903A - 一种油田井口易燃、有害气体综合检测报警系统

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Publication number: CN112950903A
Application number: CN202110161682.4A
Authority: CN
Inventors: 关学忠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2021-06-11

Abstract

本发明属于油田生产设备技术领域，具体涉及一种油田作业井口有害气体检测报警设备，包括防爆箱、摄像报警器、风速检测装置、气体检测装置和控制系统；防爆箱盖上安装有太阳能板；摄像报警器通过饶性连接管与防爆箱连通；风速检测装置包括风速传感器和风向传感器，风向传感器的基座安装在防爆箱上，风向传感器的基座和风速传感器的底座通过风速风向支架组装固定；气体检测装置包括甲烷气体传感器、硫化氢气体传感器和氧气传感器，传感器安装在防爆外壳基座上，气体防爆外壳基座的连接管安装在防爆箱上；控制系统包括铅酸蓄电池、4G数据传输器、太阳能控制器和核心控制器以及4G数据传输天线。实现对油井的洗井作业、修井作业人员安全保护。

Description

一种油田井口易燃、有害气体综合检测报警系统

技术领域：

本发明属于油田生产设备技术领域，具体涉及一种油田井口易燃、有害气体综合检测报警系统。

背景技术：

油田开采过程中，抽油机的机头做往复运动抽取地下井液，井液中含有不同成分，包括油、水、蜡、泥、沙等等。抽油机长时间工作时，抽油杆与油管会出现磨损、堵塞等多种问题。因此，定期对抽油杆与油管的清洗、维修、更换，可以有效的提高抽油机的采液量。

地层油矿驱动时，有水驱油、聚合物驱油等多种方式。多种驱油方式的应用过程中，油矿伴生气变得多样化，对洗井作业现场操作人员危险最大的有可燃气体与硫化氢气体，其中可燃气体中主要含量为甲烷。

在对抽油机的油井进行洗井作业、修井作业中，采油伴生气检测与报警是关系到作业人员安全的重要因素。

发明内容：

本发明的发明目的是针对洗井、修井作业时，可能存在采油伴生气泄露现象而研发的检测报警系统。以甲烷气体含量、硫化氢气体含量、氧气含量等多种气体含量检测传感器为基础数据，结合风速、风向传感器参数，辅助全景视频拍摄传输、太阳能充放电供电系统，实现对油井的洗井作业、修井作业人员安全保护。

本发明采用的技术方案为：一种油田作业井口有害气体检测报警设备，所述检测报警系统包括防爆箱、摄像报警器、风速检测装置、气体检测装置和控制系统；所述防爆箱的侧面安装有防爆箱上盖，防爆箱盖上安装有太阳能板；所述摄像报警器安装在防爆箱顶端，摄像报警器通过饶性连接管与防爆箱连通；所述风速检测装置包括风速传感器和风向传感器，风向传感器的基座安装在防爆箱上，风向传感器的基座和风速传感器的底座通过风速风向支架组装固定；所述气体检测装置包括甲烷气体传感器、硫化氢气体传感器和氧气传感器，甲烷气体传感器、硫化氢气体传感器和氧气传感器安装在防爆外壳基座上，气体防爆外壳基座的侧面安装有外壳上盖，气体防爆外壳基座的底端与连接管连通，连接管安装在防爆箱上；所述控制系统包括设置于防爆箱内的铅酸蓄电池12V8AH、4G数据传输器DTU、太阳能控制器MPPT和核心控制器以及安装在摄像报警器上的4G数据传输天线，4G数据传输器DTU、太阳能控制器MPPT和核心控制器通过铅酸蓄电池12V8AH供电，4G数据传输器DTU和太阳能控制器MPPT与核心控制器电连接。

进一步地，所述摄像报警器由全景摄像头和报警灯组成。

进一步地，所述气体防爆外壳基座的数量至少为两个，多个气体防爆外壳基座组装后能够安装至少四个气体传感器。

进一步地，、所述检测系统具有甲烷气体含量检测功能；硫化氢气体含量检测功能；氧气含量检测功能；风速参数检测功能；风向参数检测功能；GPS定位功能；4G的GPRS无线网络数据传输功能；蓝牙数据传输功能；无线LORA扩频通信报警功能；全景视频监控与数据传输功能；太阳能充电系统。油井修井作业、洗井作业时，检测井口泄露有害气体并报警，进而有效保护现场作业人员安全的设备。GPS定位功能由4G数据传输天线构成，4G的GPRS无线网络数据传输功能由4G数据传输天线，、4G数据传输DTU构成；蓝牙数据传输功能、无线LORA扩频通信报警功能包含在核心控制器中。全景视频监控与数据传输功能由全景视频摄像头与报警灯构成。太阳能充电系统由太阳能板、铅酸蓄电池12V8AH、太阳能控制器MPPT)构成。

本发明的有益效果：本发明针对洗井、修井作业时，可能存在采油伴生气泄露现象而研发的检测报警系统。提出了作业井口现场有毒、有害气体检测方法，传感器布置新思路，遇到报警后的现场紧急处置方案，报警后矿区生产指挥中心应急处理方案与逃生施救方法。以甲烷气体含量、硫化氢气体含量、氧气含量等多种气体含量检测传感器为基础数据，结合风速、风向传感器参数，辅助全景视频拍摄传输、太阳能充放电供电系统，实现对油井的洗井作业、修井作业人员安全保护。其主要优点如下：

(1)、甲烷气体检测范围：0～100％，精度为0.1％；

(2)、硫化氢气体检测范围：0～100ppm，精度为0.01ppm；

(3)、氧气气体检测范围：0～30％，精度为0.1％；

(4)、风速测量范围：0～30m/s，精度±1m/s；

(5)、风向测量范围：0～360°，精度±3°；

(6)、GPS定位功能，实时定位设备所在位置；

(7)、4G的GPRS无线网络数据传输，传输参数包括多种气体含量参数、全景图像数据，太阳能电池板与电池参数；

(8)、蓝牙数据传输与无线LORA扩频通信，将报警数据传输到井口作业人员的安全帽中的报警设备。一旦接收报警数据，安全帽声光报警；

(9)、太阳能电池板、太阳能控制器MPPT、铅酸蓄电池构成系统供电与充电系统；

(10)、计算机服务器软件接收所有设备的网络数据，实时显示每个设备的技术参数。

附图说明：

图1是实施例一的立体结构示意图；

图2是实施例一的主视结构示意图；

图3是图2中的A-A剖视图；

图4是实施例一中防爆外壳基座的结构示意图；

图5是实施例一中防爆箱的示意图；

图6是实施例一中控制系统的流程图；

图7是实施例一的流程框图；

图8是实施例二的剖视示意图；

图9是实施例二的主视图；

图10是实施例三的结构示意图；

图11是实施例三的立体结构示意图；

图12是实施例三的电路图。

具体实施方式：

实施例一

参照图1-图7，一种油田井口易燃、有害气体综合检测报警系统，所述检测报警系统包括防爆箱1、摄像报警器9、风速检测装置、气体检测装置和控制系统；所述防爆箱1的侧面安装有防爆箱上盖2，防爆箱盖2上安装有太阳能板7；所述摄像报警器9安装在防爆箱1顶端，摄像报警器9通过饶性连接管23与防爆箱1连通；所述风速检测装置包括风速传感器4和风向传感器6，风向传感器6的基座5安装在防爆箱1上，风向传感器6的基座5和风速传感器4的底座3通过风速风向支架8组装固定；所述气体检测装置包括甲烷气体传感器17、硫化氢气体传感器18和氧气传感器20，甲烷气体传感器17、硫化氢气体传感器18和氧气传感器20安装在防爆外壳基座10上，气体防爆外壳基座10的侧面安装有外壳上盖19，气体防爆外壳基座10的底端与连接管21连通，连接管21安装在防爆箱1上；所述控制系统包括设置于防爆箱1内的铅酸蓄电池24、4G数据传输器25、太阳能控制器26和核心控制器27以及安装在摄像报警器9上的4G数据传输天线22，4G数据传输器25、太阳能控制器26和核心控制器27通过铅酸蓄电池24供电，4G数据传输器25和太阳能控制器26与核心控制器27电连接。

连接管内部中空管，连接到气体传感器防爆外壳基座，中空管内部走线，气体传感器防爆外壳基座内部有接线端子，连接三种传感器的信号线、电源线。甲烷气体含量传感器、硫化氢气体含量传感器、氧气气体含量传感器、风速传感器和风向传感器都是并联接入RS485总线中，供电为+5V供电，均为并联方式连接，+5V电源由通信模块提供；太阳能充电系统由太阳能板、太阳能控制器、电池三部分组成，对外输出直流12V电源；核心控制板连接太阳能充电系统的电源输出，串联控制通信模块输出与输入，串联控制4G网络模块启动与停止工作。4G网络模块与全景摄像头与报警灯通过RJ45网线连接并直流12V供电，4G天线通过50Ω阻抗匹配线路连接。

核心控制模块由太阳能充电系统、4G数据传输天线、4G数据传输DTU、蓝牙数据传输设备、无线LORA扩频通信报警设备、核心控制器(27)构成。其中太阳能充电系统由太阳能板、铅酸蓄电池12V8AH、太阳能控制器MPPT构成，蓝牙数据传输设备、无线LORA扩频通信报警设备均安装在核心控制器上。太阳能板部嵌入在防爆箱上盖中，太阳能板表面采用单晶高效率电池片，转换效率高，防水防雷防潮IP67防护等级。太阳能板、铅酸蓄电池12V8AH接入太阳能控制器MPPT，太阳能板接收太阳光照射发电输送到太阳能控制器MPPT，太阳能控制器MPPT给铅酸蓄电池12V8AH充电，当铅酸蓄电池12V8AH充电完成后，太阳能控制器MPPT切换到自耗电状态；太阳能控制器MPPT还有一组直流电压输出给核心控制器。太阳能板将光能转换为电能，经过太阳能控制器MPPT的控制对铅酸蓄电池12V8AH进行充放电。核心控制器可以读取太阳能充电系统的电压、电流、功率等参数，读取GPS接收数据，将所有参数发送到4G数据传输DTU。全景视频摄像头与报警灯采集的视频信息同样通过4G数据传输DTU发送到网络端，全景视频摄像头与报警灯具有报警功能，由核心控制器控制报警时间。

本实施例可以实时检测甲烷、硫化氢、氧气、可燃气体等具有扩展功能的多种气体的浓度；可以实时检测油田井口区域的风速、风向参数；4G的GPRS数据传输功能；蓝牙数据传输功能；无线LORA扩频通信报警功能；全景视频拍摄传输功能；超低温电池供电；太阳能充电功能；根据油田井口实际作业工况，在作业现场区域合理布置4个或更多设备。所有数据通过4G的GPRS传输模块将设备采集的数据通过网络发送到计算机服务器，计算机软件与服务器联动，实时显示某一区块内所有作业井口的参数。当计算机软件监控内的任意一个或多个设备出现报警状态时，软件自动切换到报警设备的所属视频信号，提供GPS的定位信息，按照报警级别做出不同报警处理规划。

检测报警系统工作流程如下：

(1)、设备上电，核心控制器读取所属配件在线数量，准备传输数据；

(2)、核心控制器读取太阳能控制器MPPT的参数，获取太阳能系统参数；

(3)、判断铅酸蓄电池12V8AH容量是否在允许范围内工作，允许工作则继续工作；不允许工作则等待太阳能板充电；

(4)、读取硫化氢气体含量传感器的参数，准备数据传输；

(5)、读取甲烷气体含量传感器的参数，准备数据传输；

(6)、读取氧气气体含量传感器的参数，准备数据传输；

(7)、判断三种气体含量是否在安全生产的允许范围内，决定是否进行报警；

(8)、当硫化氢气体含量或者甲烷气体含量超标，或者氧气气体含量过低时报警，开启视频传输功能，将视频流与参数流均传输到计算机服务器软件。当三种气体含量不超标时，设备继续运行；

(9)、读取风速传感器参数，准备数据传输；

(10)、读取风向传感器参数，准备数据传输；

(11)、核心控制器获取GPS定位信息，包括经度、纬度等参数；

(12)、核心控制器将设备的所有参数通过4G数据传输DTU传输到计算机服务器软件；

(13)、计算机服务器软件将收集到所有参数按照作业井号进行显示；

(14)、计算机服务器软件绘制所有参数数据曲线、数据工作状态等功能。

计算机软件可以显示当前区域作业井口的甲烷、硫化氢、氧气等多种气体参数，风速、风向等环境参数，可以按照指针、图标、曲线等等多种方式进行显示。当计算机软件监控内的任意一个或多个设备出现报警状态时，软件自动切换到报警设备的所属视频信号，软件根据GPS的定位信息，给出井口作业人员的逃生、撤退最优路径。计算机软件出现报警状态时，根据风速与风向的环境参数信息，软件以地图地形方式显示报警气体的3D分布状态，报警气体的传播速度、传播方向等，给作业井口附近相关单位报警信息，提供撤离路径与撤离时间等数据。

实施例二

参照图8和图9，气体防爆外壳基座10的数量至少为两个，多个气体防爆外壳基座10组装后能够安装至少四个气体传感器，该实施例的外壳基座可以按照至少四个气体传感器，用于多种气体的检测。气体传感器防爆外壳基座和气体传感器外壳上盖构成的四通结构件，此结构件可以多级的级联应用。当需要安装多个气体检测传感器时，可以使用多个四通结构件进行连接。本实施例可实现甲烷、硫化氢、氧气、可燃气体、一氧化碳、一氧化硫、环氧乙烷、乙醇、氯气、臭氧、氯化氢、氨气、二氧化硫、磷化氢等多种气体的检测。

实施例三

气体综合检测报警系统的气体传感器即可选用现有传感器，也可使用本实施例中的气体传感器。以甲烷气体传感器为例，即可以选用济宁佳硕工矿设备有限公司生产的KG9701B型低浓度甲烷传感器，也可以使用本实施例的传感器，如图10和图11所示，本实施例的甲烷气体传感器包括传感器基座11、氟胶圈12、传感器电路板13、气体传感器后盖薄片14、传感器外壳15、感器外壳过滤网16和甲烷传感元器件17。传感器基座11为基础部件，氟胶圈12套接到传感器基座11的固定螺纹根部，传感器基座11的固定螺纹与气体传感器防爆外壳基座螺纹连接。传感器电路板13安装在传感器基座11内部孔台阶上，传感器基座11内腔灌胶密封，甲烷传感元器件17插接到传感器电路板13上；传感器后盖薄片14过盈配合地安装在传感器外壳15上，传感器外壳15与传感器基座11螺纹连接，传感器外壳过滤网16通过螺纹安装在传感器基座11上；感器外壳过滤网16是在使用传感器到现场时，防止泥水、污油迸溅；传感器后盖薄片14材质为铝制颗粒压制而成，可以有效过滤空气中水分子大颗粒，保持传感元器件的干燥程度与延长传感器使用寿命。另外，硫化氢气体传感器和氧气传感器的结构与甲烷气体传感器的结构相同，只是将甲烷传感元器件分别替换为硫化氢传感元器件和氧气传感元器件即可。

图12为甲烷气体传感器的电路图，气体含量传感器是一种电化学传感器，是通过与被测气体发生反应，进而产生与气体浓度成正比的电信号，测量此电信号的大小就可以直观反映出气体含量的多少。

IC2为电化学传感器，IC1A为运算放大器，Q1为P沟道JFET，IC3为运算放大器，IC4为模拟数字转换器，其他电阻、电容为辅助配件。气体含量传感器模拟电路中，IC2是检测气体含量的设备，当IC2与被检测的气体发生反应时，IC2的第1引脚WE电压将要发生变化趋势，为保持WE引脚电压不变，IC2的第2引脚RE反馈信息到IC1A的第2引脚，改变IC1A的第6引脚输出电压，进而改变IC2的第3引脚CE的电压值。IC2的第2引脚RE经过两级RC低通滤波器，截止频率点f₀＝1/(2*pi*R*C)＝641Hz。整个检测过程中，IC2的WE引脚电压不变，第3引脚CE电压变化，WE与CE引脚之间电压差值越大，电流越大，对应的检测到气体浓度越大。IC2到达稳定工作状态需要预热10-20分钟，为了缩短预热时间，在IC2的第1、2两个引脚增加P沟道JFET管，当外部控制信号IC2_C由高电平跳变到低电平时，Q1的第2、3引脚短路，5秒后完成IC2的预热。外部控制信号IC2_C再次有低电平跳变到高电平，Q1的第2、3引脚断路，IC2独立稳定工作。IC3分为两部分运算放大器，IC3B为小信号电流放大电路，将IC3B的第6引脚输入的电流信号经过R6转换为电压信号，R6取值100KΩ，1uA电流经过100KΩ的电阻后输出电压为0.1V。电容C3是与R6构成低通滤波器，截止频率点f₀＝1/(2*pi*R*C)＝318Hz。IC3A的输入端3引脚连接输入信号，2引脚与第1引脚直接短路，构成运算放大器的射随电路。射随电路的作用是保证IC3A放大后电压信号的阻抗匹配。IC4是一款精密、低功耗、16位模拟数字转换器。集成了可编程增益放大器(PGA)、电压基准、振荡器和高精度温度传感器。数据转换速率最高可达每秒860次采样(SPS)。PGA的输入范围为±256mV至±6.144V。数据通过串行外设接口(SPI^TM)进行传输。工作温度范围为-40℃至+125℃。C6、C7是IC4电源的退耦滤波电容，R7、R8、R9、R10为SPI接口阻抗匹配电容，SPI接口外部接智能控制器(MCU)进行数据传输。

Claims

1.一种油田井口易燃、有害气体综合检测报警系统，其特征在于：所述检测报警系统包括防爆箱(1)、摄像报警器(9)、风速检测装置、气体检测装置和控制系统；所述防爆箱(1)的侧面安装有防爆箱上盖(2)，防爆箱盖(2)上安装有太阳能板(7)；所述摄像报警器(9)安装在防爆箱(1)顶端，摄像报警器(9)通过饶性连接管(23)与防爆箱(1)连通；所述风速检测装置包括风速传感器(4)和风向传感器(6)，风向传感器(6)的基座(5)安装在防爆箱(1)上，风向传感器(6)的基座(5)和风速传感器(4)的底座(3)通过风速风向支架(8)组装固定；所述气体检测装置包括甲烷气体传感器(17)、硫化氢气体传感器(18)和氧气传感器(20)，甲烷气体传感器(17)、硫化氢气体传感器(18)和氧气传感器(20)安装在防爆外壳基座(10)上，气体防爆外壳基座(10)的侧面安装有外壳上盖(19)，气体防爆外壳基座(10)的底端与连接管(21)连通，连接管(21)安装在防爆箱(1)上；所述控制系统包括设置于防爆箱(1)内的铅酸蓄电池(24)、4G数据传输器(25)、太阳能控制器(26)和核心控制器(27)以及安装在摄像报警器(9)上的4G数据传输天线(22)，4G数据传输器(25)、太阳能控制器(26)和核心控制器(27)通过铅酸蓄电池(24)供电，4G数据传输器(25)和太阳能控制器(26)与核心控制器(27)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种油田井口易燃、有害气体综合检测报警系统，其特征在于：所述气体防爆外壳基座(10)的数量至少为两个，多个气体防爆外壳基座(10)组装后能够安装至少四个气体传感器。