短距離濃硫酸輸送管道泄漏監(jiān)控技術(shù)分析

韓 明

（湖北大峪口化工有限責(zé)任公司，湖北荊門 431910）

0 引言

濃硫酸是一種具有腐蝕性的危險性極高的化學(xué)物質(zhì)，其輸送管道的泄漏問題一直是工業(yè)領(lǐng)域的難題。對于濃硫酸輸送管道泄漏問題，傳統(tǒng)的監(jiān)控主要是依靠人工巡檢方式，這種方式存在信息時效性差、監(jiān)測范圍有限等問題，迫切需要一種基于現(xiàn)有技術(shù)的監(jiān)控技術(shù)方案來解決這一問題。短距離濃硫酸輸送管道泄漏監(jiān)控技術(shù)是一種針對濃硫酸等危險化學(xué)品短距離輸送管道的泄漏監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)，能夠?qū)ζ漭斔凸艿肋M(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和處理泄漏事故，保障生產(chǎn)安全和環(huán)境安全。采用視頻監(jiān)控等技術(shù)手段對管道周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，確保生產(chǎn)場地和周邊環(huán)境的安全。短距離濃硫酸輸送管道泄漏監(jiān)控技術(shù)在危化品輸送、儲存和使用中具有重要的應(yīng)用價值，能夠有效保障工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境安全。

1 傳統(tǒng)人工巡檢的優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)人工巡檢作為一種基礎(chǔ)的監(jiān)測手段，在一定程度上可以發(fā)現(xiàn)管道泄漏問題，但也存在一些局限性，需要結(jié)合其他監(jiān)測技術(shù)和手段共同應(yīng)用，以提高監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)如下：

（1）優(yōu)點(diǎn)：人工巡檢可以隨時進(jìn)行，能夠快速發(fā)現(xiàn)管道泄漏問題，提高了泄漏處理的及時性；由于巡檢人員能夠直接觀察管道運(yùn)行情況，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，因此巡檢結(jié)果比較可靠；傳統(tǒng)的人工巡檢技術(shù)適用于各種管道類型和場景，不需要額外的設(shè)備和技術(shù)支持。

（2）缺點(diǎn)：人工巡檢需要耗費(fèi)大量的時間和精力，尤其是在管道較長、難以觀察的情況下，工作強(qiáng)度更大；由于巡檢人員的視線和范圍有限，可能會漏檢一些細(xì)小的問題，容易產(chǎn)生盲區(qū)；巡檢人員需要具備一定的專業(yè)知識和技能，否則可能會對泄漏情況作出錯誤的判斷，影響處理效果。

2 傳感器監(jiān)測原理和技術(shù)路線

基于傳感器的短距離濃硫酸輸送管道泄漏監(jiān)控技術(shù)中，不同類型的傳感器具有不同的監(jiān)測原理、監(jiān)測指標(biāo)以及優(yōu)缺點(diǎn)。通過表1 的比較可以看出，不同類型的傳感器在不同方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的傳感器進(jìn)行監(jiān)測。例如，壓力傳感器可以精確地測量管道內(nèi)部壓力變化，但是受到管道內(nèi)部腐蝕和污染的影響較大；流量傳感器可以精確地測量管道內(nèi)部流量變化，但是受到管道截面積和介質(zhì)黏度等因素的影響較大。因此，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的傳感器可以提高監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性[1]。

表1 傳感器監(jiān)測原理和技術(shù)路線

基于傳感器的短距離濃硫酸輸送管道泄漏監(jiān)控技術(shù)中，傳感器監(jiān)測技術(shù)路線通常包括以下步驟：

（1）傳感器安裝。根據(jù)管道的具體情況和監(jiān)測要求，選擇合適的傳感器類型和數(shù)量，安裝在管道內(nèi)部或外部。

（2）傳感器信號采集。傳感器感應(yīng)到的信號會被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以是硬件設(shè)備或軟件程序，用于采集和處理傳感器信號。

（3）數(shù)據(jù)處理與分析。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的信號進(jìn)行處理和分析，以獲取管道內(nèi)部的壓力、溫度、流量、振動、聲音等信息，并通過算法進(jìn)行分析和判斷是否存在泄漏風(fēng)險。

（4）報警與預(yù)警。當(dāng)監(jiān)測到管道內(nèi)部存在泄漏風(fēng)險時，監(jiān)測系統(tǒng)會通過報警與預(yù)警方式通知相關(guān)人員，及時采取應(yīng)對措施，以避免發(fā)生事故。

在實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)測系統(tǒng)可以設(shè)置不同的報警閾值，一旦傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過了閾值，就會觸發(fā)報警，提醒相關(guān)人員及時采取應(yīng)對措施，以確保管道的安全運(yùn)行。此外，監(jiān)測系統(tǒng)還可以將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，為管道的運(yùn)行和維護(hù)提供參考[2]。

3 實(shí)現(xiàn)方案

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)與設(shè)計(jì)

（1）硬件設(shè)備：監(jiān)測系統(tǒng)需要的硬件設(shè)備包括：傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、信號轉(zhuǎn)換器、報警器等（圖1～圖4），其整體架構(gòu)可表示為：硬件設(shè)備=傳感器+數(shù)據(jù)采集設(shè)備+信號轉(zhuǎn)換器+報警器。

圖2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

圖3 信號轉(zhuǎn)換器

圖4 報警器

（2）數(shù)據(jù)采集與處理：監(jiān)測系統(tǒng)需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理和分析，以便及時發(fā)現(xiàn)管道泄漏風(fēng)險。數(shù)據(jù)采集和處理過程可表示為：數(shù)據(jù)采集和處理=數(shù)據(jù)采集設(shè)備+數(shù)據(jù)處理算法。

（3）報警與預(yù)警：監(jiān)測系統(tǒng)需要在監(jiān)測到管道泄漏風(fēng)險時，及時發(fā)出報警和預(yù)警信號，以便相關(guān)人員及時采取應(yīng)對措施。報警與預(yù)警過程可表示為：報警與預(yù)警=報警器+預(yù)警系統(tǒng)。

（4）監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)：將以上3 個部分進(jìn)行整合，可得到基于傳感器的短距離濃硫酸輸送管道泄漏監(jiān)控技術(shù)的整體監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，可表示為：監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)=硬件設(shè)備+數(shù)據(jù)采集和處理+報警與預(yù)警。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)各模塊功能

短距離濃硫酸輸送管道泄漏監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案中，監(jiān)控系統(tǒng)包括多個模塊，每個模塊各有不同的功能。

（1）傳感器模塊：負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)測管道的溫度、壓力、流量等物理量，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集設(shè)備。傳感器模塊的功能可以表示為：傳感器模塊功能=物理量監(jiān)測+數(shù)據(jù)傳輸。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊：負(fù)責(zé)采集傳感器模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行處理和分析，以便及時發(fā)現(xiàn)管道泄漏風(fēng)險。數(shù)據(jù)采集模塊的功能可以表示為：數(shù)據(jù)采集模塊功能=數(shù)據(jù)采集+數(shù)據(jù)處理。

（3）信號轉(zhuǎn)換模塊：負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號，并將其發(fā)送給報警器。信號轉(zhuǎn)換模塊的功能可以表示為：信號轉(zhuǎn)換模塊功能=數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換+信號傳輸。

（4）報警器模塊：負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)測管道泄漏風(fēng)險，并在檢測到風(fēng)險時，及時發(fā)出警報信號，通知相關(guān)人員進(jìn)行應(yīng)急處置。報警器模塊的功能可以表示為：報警器模塊功能=風(fēng)險檢測+報警信號發(fā)送。

（5）預(yù)警系統(tǒng)模塊：負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)測管道的運(yùn)行狀態(tài)，并在檢測到異常時，發(fā)出預(yù)警信號，以便及時進(jìn)行管道維修或更換。預(yù)警系統(tǒng)模塊的功能可以表示為：預(yù)警系統(tǒng)模塊功能=異常監(jiān)測+預(yù)警信號發(fā)送。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

4.1 泄漏監(jiān)測實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

4.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）數(shù)據(jù)處理。對采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出各個時刻的傳感器信號值，并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中。

（2）數(shù)據(jù)分析。利用數(shù)據(jù)分析軟件，如MATLAB、Python 等，對存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?？梢允褂眯盘柼幚砑夹g(shù)，如濾波、譜分析、小波變換等，對傳感器信號進(jìn)行處理，提取出有用信息，并對其進(jìn)行分析。

（3）結(jié)果展示。將處理后的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行展示?？梢岳L制泄漏監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線，以及泄漏預(yù)警圖表等。同時，還可以設(shè)置報警閾值，當(dāng)傳感器信號超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，并及時通知相關(guān)人員進(jìn)行處理。

4.1.2 泄漏量計(jì)算

短距離濃硫酸輸送管道泄漏量計(jì)算公式：Qf=Kf×A×ΔP。其中，Qf為泄漏量，Kf為系數(shù)，A 為燃?xì)夤艿佬孤┎课坏谋砻娣e，ΔP 為壓降的大小。該計(jì)算公式顯示，泄漏量Qf與表面積A、壓力降低量ΔP 密切相關(guān)。Kf系數(shù)是由氣體種類以及泄漏管道結(jié)構(gòu)形式以及環(huán)境因素決定，這里只能給出一個Kf值的平均數(shù)，不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更精確的校核。

表面積A 的大小與管道類型、直徑有關(guān)，它可以由管道的外徑r、內(nèi)徑R、管道長度L 等參數(shù)計(jì)算而確定，表面積A=πrL+π（r2-R2）。

壓降ΔP 與氣體的性質(zhì)，流量，管道的結(jié)構(gòu)及表面粗糙度等有關(guān)，可以用壓降公式AP=f（流量、管徑、管道類型、管道表面粗糙度等）表示[3]。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析是短距離濃硫酸輸送管道泄漏監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案中非常重要的一步，包括以下5 個方面：①數(shù)據(jù)采集，在實(shí)驗(yàn)中，傳感器采集到的數(shù)據(jù)可能包括溫度、壓力、流量、振動等，需要將其存儲在數(shù)據(jù)庫中以備后續(xù)處理；②數(shù)據(jù)預(yù)處理，對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如去噪、濾波、插值等，以獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；③特征提取，通過對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，可以得到數(shù)據(jù)的主要特征，如幅值、頻率、功率譜等，這些特征可以用于泄漏檢測和診斷；④泄漏檢測算法，針對所采集到的數(shù)據(jù)，需要開發(fā)泄漏檢測算法，以實(shí)現(xiàn)對泄漏的準(zhǔn)確檢測。泄漏檢測算法可以基于統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)行開發(fā)；⑤結(jié)果分析，對泄漏檢測結(jié)果進(jìn)行分析，如計(jì)算泄漏位置、泄漏量等。同時，還需要對檢測結(jié)果進(jìn)行評估，如準(zhǔn)確率、誤判率等指標(biāo)，以評估監(jiān)測系統(tǒng)的性能[4]。

5 結(jié)束語

本文以濃硫酸輸送管道泄漏問題為研究對象，基于現(xiàn)有技術(shù)提出了一種監(jiān)控技術(shù)方案，并實(shí)現(xiàn)了泄漏監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。短距離濃硫酸輸送管道泄漏監(jiān)控技術(shù)通常采用多種監(jiān)測手段，如壓力監(jiān)測、溫度監(jiān)測、流量監(jiān)測、振動監(jiān)測、聲學(xué)監(jiān)測等技術(shù)手段，將實(shí)時采集的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析，對管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警，發(fā)現(xiàn)管道異常情況及時報警，并對泄漏事故采取緊急處置和應(yīng)急措施。