一种基于GPRS的天然气管道函箱检漏装置

近年来，随着西气东输工程的建设和顺利投产，浙江、江苏和上海等经济发达地区开始了大规模的天然气长输管道的建设。由于长三角地区水系发达，高等级公路、铁路密布，在管道建设中，经常需要采用顶管施工工艺穿越河流、公路和铁路，即先顶进水泥套管，然后将天然气管道沿套管形成的涵洞中穿进[1]。套管直径为天然气管道的1.5-2倍，管道就位后，水泥套管两端封闭，从而在套管和天然气管道间形成了一定的空间，即称为函箱。由于腐蚀、地基沉降、施工等因素[2,3]，可能导致套管内天然气管道发生泄漏，泄漏的天然气容易在函箱内聚集，一旦泄漏的天然气产生爆炸事故，会导致天然气供气中断，所穿越的公路、铁路交通中断，造成重大损失。由此可见函箱内天然气的泄漏聚集具有较高的危险性，需要对其进行有效监控。
目前，对于天然气管道的监控主要是测定管道的压力、温度等运行参数，通过光纤通信、微波通信、专线通信或卫星通信将测量数据传送至中央集控室，经过数据分析确定管道有无泄漏并进一步判断泄漏发生的位置[4-10]。然而，此类监控方式的通信设施建设投入非常大，维护和运行也比较复杂，同时通信工程的建设还受到地形地貌、大型建筑物、交通设施以及信号传送频率的影响，因此此类监控方式并不适用于函箱处的天然气泄漏监控。另外，由于函箱封闭，巡线工人很难对函箱内的泄漏进行检测。基于GPRS网络可以实现远程数据传输，而且技术成熟[11,12]。因此，本文针对天然气管道函箱位置分散、难以人工检测以及泄漏遇明火易发生爆炸的问题，研制了一种基于GPRS的低功率、长寿命、高灵敏度的天然气管道顶管穿越部位的函箱检漏装置。

1  设计方案的确定
本文针对浙江省天然气长输管道关键部位（如：穿越桥梁、高速公路、居民区等）研制出函箱检漏装置。该装置采用成熟的甲烷传感器测量函箱内天然气浓度，具有较高的可靠性和灵敏度；为了适用于野外环境，装置的电源系统采用电池供电；为了降低功耗和具有较强的处理能力，装置的主控制器采用高性能DSP。通过对天然气浓度和电源电量进行测定，确定报警级别，将告警信息通过GPRS网络传回天然气公司的通讯服务器，写入数据库。上层的地理信息系统（GIS）可以不断访问数据库服务器，将函箱内天然气浓度显示在应急指挥决策系统上，一旦有浓度出现并报警，实现对天然气管道顶管穿越函箱部位的全天候监测报警[13]。

2  函箱检漏装置的设计
2.1 顶管穿越施工工艺
对于交通频繁的公路、铁路穿越，以及不允许开挖的河流、公路、铁路等场合，在地质条件允许的情况下，一般采用顶管穿越。顶管穿越套管的形式根据《混凝土和钢筋混凝土排水管》（GB11836）选用，同时根据管径大小选用选择套管。顶管尽量在原土层内通过，同时对软弱土层和地下水水位较高地段应采取适当措施防止拱起与塌陷以及渗流的影响。

顶管穿越施工时，一般先开挖工作坑，再按照设计管线的位置，在工作坑底修筑基础，设置导轨，把套管安放在导轨上，开设洞口放水，然后用千斤顶将套管顶入。公路顶管穿越施工图如图1所示。

2.2  函箱检漏装置
函箱检漏装置由电源系统、天然气浓度监测单元、A/D转换器、数据处理模块、信息发送装置、GPRS网络等模块组成，其结构框图和实物分别如图2和图3所示。

装置中各功能模块说明如下：
（1）电源系统：采用6V电池供电，由于主控制器DSP采用3.3V供电，信息发送单元SIM300采用4V供电，JTAG调试接口采用5V供电，因此系统通过LDO器件MIC29302和TPS7333Q将6V输入分别转换为5V、4V和3.3V输出。

（2）电源检测系统：通过检测电压监控电源系统1，电源检测系统2测得的电信号经A/D转换器4转换为数字信号，报数据处理模块5分析，并通过信息发送装置6、GPRS网络7、通讯服务器8将运行信息报告至中央控制系统的数据库9。

正常运行状态下每天发送一次运行报告至数据库9。当电源系统1电量低时则发送报警信息，电量低于30%每周发送一次报警信息，电量低于10%每天发送一次报警信息，电量低于5%每六小时发送一次报警信息。

（3）天然气浓度监测单元：采用低功耗催化燃烧可燃气体传感器（在本装置中采用甲烷浓度传感器），传感器测得的天然气浓度信号为毫伏信号（5000ppm浓度甲烷对应18mv），经A/D转换器4转换为数字信号，报数据处理模块5分析。

正常运行状态下通过信息发送装置6每天发送一次运行报告至数据库9。当天然气管道出现泄漏时，根据泄漏的天然气浓度高低分为三个报警等级：三级报警（1000ppm，20％LEL）信息每小时发送一次，二级报警（3000ppm，60%LEL）信息十分钟发送一次，一级报警（>3000ppm）信息每分钟发送一次。

（4）A/D转换器：主控制器TMS320LF2407自带A/D转换功能，可直接对采集的信号进行模数转换。

（5）数据处理模块：电路主控制器采用TMS320LF2407，16位定点DSP。它除了具有DSP的基本功能，还具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式。

（6）信息发送装置：其中的数据发送部分采用SIM300GPRS模块。

（7）报警短信信息通过信息发送装置6由GPRS网络7、通讯服务器8发送至数据库9，即可对电源系统1进行更换或对天然气管道泄漏点进行检查抢修。
抢修后，电源检测系统2、天然气浓度监测单元3分别测得的电源电压和天然气浓度信号经A/D转换器4转换为数字信号，报数据处理模块5分析，连续十五分钟正常，则取消报警。

3  装置的技术特点

函箱检漏装置采用了计算机、无线网络通讯等技术，其技术特点主要如下：
（1）低功耗、长寿命：该函箱检漏装置采用低功耗的可燃气体传感器、低功耗且性能稳定的低电压DSP处理器及成熟的GPRS数据发送模块，正常时以近乎待机的方式仅分析数据，放弃大量无效数据的发送，使系统功耗降到最低。检测到泄漏时按设置条件加快发送频率，使得管理人员能够迅速采取有效措施。此种方式摒弃了常用的大功率常备电源连续发送数据的监测设计思路，使用一块小容量工业蓄电池可保证系统稳定工作三个月以上，大大提高了系统的独立性。
（2）高灵敏度：布置高灵敏度可燃气体传感器来采集函箱内天然气泄漏的浓度信号，可测气体最低浓度达500ppm。
（3）高可靠性，适于野外应用：采用公用移动信息网传输报警信息，并且将无线网络和管道的GIS监控相结合，反应及时，错报、漏报率低。

4  测试与运行
函箱检漏装置最终应用于基于GIS的天然气长输管道应急指挥辅助联动决策系统中，该系统是浙江省科技厅重大科技攻关项目“浙江省天然气长输管道安全监控关键技术研究”的重要成果之一，且目前已经成功应用到天然气长输管道中。图4和图5展示了该装置的运行结果，一旦函箱中检测到气体泄漏或电源电量减少，则通过短信平台发送信息至基于GIS的天然气长输管道应急指挥辅助联动决策系统中，实时显示每一个函箱对应的天然气管段的报警信息；同时，给相关负责人的手机上发送报警短信，便于工作人员及时做出处理。

5  结论
针对天然气管道函箱部位存在的泄漏难以检测、函箱位置分散等问题，提出了一种基于GPRS的天然气管道函箱检漏装置。该装置采用低功耗设计思路，使用电池供电，以高性能DSP为主控制器，结合甲烷传感器，利用GPRS网络传输数据，具有低功耗、高灵敏度、长寿命的特点。将该装置应用于基于GIS的天然气长输管道应急指挥辅助联动决策系统中，系统运行测试证明该装置能够远程、快速、有效、全天候地监控野外天然气管道函箱部位的泄漏聚集情况。该装置上层接口简单，成本较低，安装方便，有利于函箱检漏报警监控系统快速组网和扩容，具有良好的应用前景。

参考文献：
[1]        徐敬林, 宁海程. 石油天然气管道地下工程施工工艺综合分析[J]. 焊管, 2008, 31(4): 81-84.
[2]        李翔, 郑津洋. 发生桩基沉降在役压力管道的断裂失效风险分析[J]. 压力容器, 2006, 23(4): 40-43.
[3]        Caleyo F, Gonzalez J L, Hallen J M. A study on the reliability assessment methodology for pipelines with active corrosion defects[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2002, 79(1): 77-86.
[4]        陈志刚, 张来斌, 王朝晖, 等. 应用微波技术检测天然气管道泄漏[J]. 天然气工业, 2008, 28(1): 119-121.
[5]        胡志新, 张桂莲, 何巨, 等. 利用分布式光纤传感技术检测天然气管道泄漏[J]. 传感器技术, 2003, 22(10): 48-49, 53.
[6]        刘祖德, 赵云胜. 天然气集输站泄漏监控系统研究[J]. 安全与环境学报, 2007, 7(2): 130-132.
[7]        Chet S. The application of a continuous leak detection system to pipeline and associated equipment[J]. IEEE Transaction on Industry Applications, 1989, 25(5): 906-909.
[8]        Ferrante M, Brunone B. Pipe system diagnosis and leak detection by unsteady-state tests 2 wavelet analysis[J]. Advance in Water Resources, 2003, (26): 107-116.
[9]        Rafai W, Barnes R J. Underlying performance of real time software based pipeline leak detection systems[J]. Pipes and Pipelines International, 1999, 6(2): 44-51.
[10]        徐素红, 崔玉婷, 冯丽. 基于GPRS的输油管道泄漏检测与定位系统的研究[J]. 辽宁工业大学学报(自然科学版), 2008, 28(5): 293-295.
[11]        包亮, 王里奥, 陈萌, 等. 基于GPRS的市政下水道气体安全监测预警系统[J]. 中国给水排水, 2009, 25(15): 39-42.
[12]        石平, 杨晓明, 郭伟灿, 等. 基于GPRS的函箱敷设天然气管道泄漏报警装置[P]. 中国实用新型专利: ZL200820168794.2.

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