天然气管道密闭空间无线监测系统.doc

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天然气管道密闭空间无线网络监测系统四川恒芯科技有限公司第1章系统概述1.1前言燃气阀门井内管道、阀门等设施经过长时间运行，在不通风、潮湿环境下，阀门阀体、法兰等部位因腐蚀、胀缩等原因可能会产生局部燃气泄漏，在通风不良条件下易造成燃气聚集，积累到一定体积分数，遇明火或工具之间摩擦以及静电感应等原因就有可能发生燃气爆炸，从而破坏燃气设施，造成供气中断，对作业人员产生伤害和影响周围环境安全。目前，预防燃气管道泄漏普遍方式是以人工巡检方式进行，但这种方式需要耗费大量的人力、物力，并且由于人工巡查是沿线逐步巡查，不能连续进行检测，有案例表明，燃气公司人员刚进行完巡检，但由于后来工程施工等情况，对管道造成破环，而没有及时发现从而发生事故的情况。因此，四川恒芯科技有限公司在人工巡检的基础上，结合城市地下燃气管网无线网络监测系统，通过利用无线GPRS技术形成燃气泄漏监测方案。无线监测系统具有自动化程度高、维护保养简便、系统成本低等特点，把预防管道燃气泄漏的人工巡检方式实现为昼夜实时监测的现代化自动模式，实现全方位的监测，从而达到完善和提升了整个城市燃气管网泄漏的预、报警能力，杜绝燃气泄漏事故的发生。1.2监测原理燃气泄漏检测监控系统将在每个检查井安装一个可燃气体探测器，实时检测地下空间可燃气体浓度。通过地面安装的一个RTU，经无线网络将气体浓度情况传送至管理中心，随时应对可能发生的燃气泄漏事故。采用区域集中管理网络，由以下三级构成：1)现场可燃气体探测器实时监控每个检查井空间内的可燃气体浓度。安装在地下密闭空间内，每个检查井安装1个，每个探测器由RTU供电并与RTU保持通信联系。2)RTU在密闭空间附近的地面上安装一台RTU。接收管辖范围内现场探测器的数据，通过GPRS无线通信方式与管理中心进行远程数据传输。RTU由市电供电、太阳能供电或者电池供电。3)管理中心管理中心，实现对密闭空间实时浓度状况显示及告警提示。1.3系统特点1、传感器采用本质安全、采集精度高、高灵敏度、不受时间和空间限制。对探测点的浓度指标以及水位高度进行实时监测。2、采用市电和电池供电两种方式，根据实际现场状况灵活选择。电池供电方式安装简便，适于取电不方便的地方；市电方案实时性更好，能实现24小时监测。3、使用无线数字通讯技术传输报警和故障信号，无线传输稳定可靠，燃气探测设备采用gprs通讯方式，实现覆盖范围较广、传输速度较快、维护安全可靠。4、设备采用防水、防爆外壳设计。5、工作环境、温度范围宽，可安装于任何地点，无需布线。6、实时上报监测点的燃气浓度数据，可在最短时间内提供给管理人员实时分析泄漏点浓度趋势，供管理人员决策。第2章系统结构对于燃气管道阀门井、阀室及周边的污水井、电力电缆井或者分散的管井，采用在密闭空间安装工业级红外燃气探头来解决管线附近密闭空间的燃气泄漏的探测与报警问题：通过密闭空间内的可燃气体探测器和RTU，与管理中心的管网监控系统联动，进行相应的处理。地下密闭空间（包括污水井、电缆井、电力沟、化粪池等）内安装可燃气体探测器，用于探测密闭空间内的可燃气体浓度值；每个探测器通过RTU供电并与RTU保持数据通讯。RTU内置DTU模块，具有GPRS数据传输功能，它将可燃气体探测器回传的数据，通过GPRS上传到管理中心。RTU即可以通过接入市电供电，也可以使用太阳能供电或者电池供电；RTU并同时为可燃气体探测器供电。在市电停止供电的情况下使用内置电池供电，可连续工作4天。如果使用锂电池单独供电，则至少可以续航半年以上时间。管网监控中心接收各个RTU传来的数据，分析各个密闭空间是否有安全隐患；对可燃气体达到爆炸下限以下的某个阀值时，进行报警，并与GPS抢险车调度监控系统进行联动处理。第3章详细设计3.1设备选择3.1.1探测器选择密闭空间内燃气泄漏检测实施的重点是安放在密闭空间内的气体探测器。它的稳定、可靠、有效是项目实现的关键。当前可燃气体探测方式主要有电化学式，催化燃烧式，红外式。由于地下环境特殊、气体成分复杂、氧气含量较少、维护困难，所以有效期为１～２年的电化学式和需要稳定氧气供给的催化燃烧式传感器被放弃。而红外式传感器由于工作寿命为5年以上，并且免维护时间长，对氧气无依靠等优点成为地下气体探测器的首选。此次地下气体探测器即选用红外式气体探测器。考虑到密闭空间有可能浸水，因此探测器增加了防水装置，防护等级能达到IP67。3.1.2地下管线安装气体探测器安装在地下沟道中，既涉及供电及信号传输。由于可燃气体探测器的功耗都在1.5W左右，所以决定了探测器必须尽量获得有线供电，在无法取电的情况下，采用电池供电，但监测最多每天一次，且半年左右必须更换电池。而通信方式则可使用现有的多种通信方式，包括模拟分线式、数字总线式、无线通信和光纤通信等。a)模拟分线式的优点是每个探测器独立可靠，并且符合进口探测器的4～20mA接口,采用直流供电；缺点是探测器越多则布线越多,增加电缆安装成本，占用电缆沟空间。b)数字总线式的优点是用一组供电及通信电缆连接探测器，节约电缆安装空间；缺点是需要为探测器定制数字转换盒。c)无线通信方式优点是无通信线路铺设，安装位置灵活。但缺点是地下无线通信困难，且无线通信成本较高，需要定制无线转换盒。d)光纤通信方式的优点是光纤不会影响电缆沟内的电环境。但缺点是成本高，依然需要布线和光纤转换盒。根据实际情况，建议选用选择模拟分线式的通讯方式。3.2项目具体实施方案3.2.1地下空间探测器密闭空间内的每个检查井安装1个红外可燃气体探测器。探测器采用防水密封处理，在进气口设置防水罩，体积约343×200×130mm。并做一定机械防护处理。安装在检查井的侧壁上层。进行外壳接大地处理。每个探测器和通讯中继器之间都用一根3芯电缆联接，共６组电缆。3芯电缆包括2芯＋24V电源线和1芯4～20mA信号线。电缆采用阻燃电缆并且穿挠性防爆软管。密闭空间内可能出现积水，所以各电缆，探测器，以及接头等都需进行防水处理。3.2.2 RTU实施RTU安放在附近的地面上（利于信息传输），露天安放。电缆通过现成的排管或者重新布线连到井内的探测器。其供电由路灯电源或适合取市电的地方取得。如遇停电，系统内置的电池可以坚持工作4天（RTU将切换到间歇工作模式，如6小时监测一次）。RTU采用防水密封箱体，需要为RTU砌水泥平台，RTU安装在水泥平台上。3.2.3供电模式3.2.4市电供电其供电由路灯电源或适合取市电的地方取得。如遇停电，系统马上自动切换到备用电池供电模式，无损系统正常工作。3.2.5电池供电u电池型号：美国电池A123电池供电采用可充放锂电池，基本参数如下：²标称电压：22V²标称容量：11Ah²标准放电持续电流：0.2C²最大放电持续电流：0.8C²工作温度：充电：0~45℃放电：-20~60℃²产品尺寸：MAX 38*70.5*150mm成品内阻：≤120mΩu供电时长计算：²计算条件：标定电池容量：可充电锂电池22V/11AH（实际按80%容量计算）RTU运行参数：采集平均电流：60mA；通讯平均电流：60mA；静态电流：100uA；²工作模式：RTU1天采集1次，采集持续时间15分钟，1天上传数据1次，传送平均持续时间2分钟。²功耗计算：每天采集功耗：（60mA/1000）*15/60=0.015AH每天传送数据功耗：（60mA/1000）*2/60=0.002AH每天静态功耗：（0.1mA/1000）*24=0.0024AH每天总功耗：0.015+0.002+0.0024=0.0194AH电池自放电：电池每月自放电5%，半年自放电<11*0.05*6=3.3AH工作可持续时间：(11*0.8–3.3)/0.0194=283（天）综上所述：283天大于实际需要的半年。3.2.6太阳能供电方案太阳能板选型太阳能板选型基本参数如下：75W-24V太阳能电池板参数名称详细描述型号YQM-75W-24MONO(单晶)MONOMaximum power(Wp)（最大功率）75wpMaximum power voltage(V)（最大工作电压）36Maximum power current(A)（最大工作电流）2.08Open circuit voltage(V)（开路电压）43.3Short circuit current(A)（短路电流）3.75Number of cells(Pcs)（电池数量）48Size of module(mm)（太阳能板的尺寸）1206*535*35 mm(125x125mm cell)Maximum system voltage(V)（最大系统电压）1000Temperature coefficients of Isc(%)（短路电流的温度系数）0.065+/-0.015%/℃Temperature coefficients of Voc(%)（开路电压的温度系数）-（2.23+/-0.1）mv/℃Temperature coefficients of Pm(%)（最大功率的温度系数）-（0.5+-0.05）/℃Temperature coefficients of Im(%)（最大电流的温度系数）+0.1/℃Temperature coefficients of Vm(%)（最大电压的温度系数）-0.38/℃Temperature Range（工作温度范围）-40℃～+85℃Tolerance Wattage(e.g.+/-5%)（功率的公差）+/-5%Surface Maximum Load Capacity（太阳能板表面可以承受的最大压力）30m/s(200kg/sq.m)Allowable Hail Load（冰雹压力测试）steel ball fall down from 1m heightWeight per piece(kg)（每块太阳能板的重量）10.5Junction Box Type（连接盒类型）PPO,blackLength of Cables(mm)（连接线长度）900mmCell Efficiency(%)（电池效率）16%Output tolerance(%)（输出功率公差）+/-5%Frame(Material,Corners,etc.)（边框材料）Anodized Aluminum AlloyStandard Test Conditions（标准测试条件）AM1.5 100mW/C㎡25’CWarranty（产品质量保证）5 years product warranty and 25 years 80%of powerFF(%)（填充因子）75%Packing（包装）carton（硬纸盒,纸板箱）太阳能控制器LS1024：参数详细参数型号LS1024额定充电电流10A额定负载电流10A系统电压12V、24V自适应过载、短路保护1.25倍额定电流60秒.1.5倍额定电流5秒时过载保护动作空载损耗≤4 mA充电回路压降不大于0.26V放电回路压降不大于0.15V超压保护17V，×2/24V；工作温度工业级：-35℃至+55℃(后缀I)；商用级-5℃至+50℃提升充电电压14.6V；×2/24V；(维持时间：30min)（只当出现过方时调用）直充充电电压14.4V;×2/24V；(维持时间：30min)浮充13.6V；×2/24V；(维持时间：直至充电返回电压动作)充电返回电压13.2v；×2/24V；温度补偿-5mv/℃/2V（提升、直充、浮充、充电返回电压补偿）;欠压电压12.0V；×2/24V；过放电压11.1V-放电率补偿修正的初始过放电压（空载电压）；×2/24V；过放返回电压13.1V；×2/24V；过放可强制返回电压12.5V；×2/24V；（按键强制返回）控制方式充电为PWM脉宽调制，控制点电压为不同放电率智能补偿修正；备注：电池持续工作时间计算：²计算条件：标定电池容量：24V/36AH（实际按70%容量计算）RTU运行参数：采集平均电流：100mA；通讯平均电流：60mA；静态电流：120mA；²工作模式：RTU1分钟采集1次，采集持续时间1秒，2分钟上传数据1次，传送持续时间1分钟。²功耗计算：每天采集功耗：（100mA/1000）*60*24/3600=0.04AH每天传送数据功耗：（60mA/1000）*30*24/60=0.72AH每天静态功耗：（120mA/1000）*24=2.88AH每天总功耗：2.88+0.72+0.04=3.64AH工作可持续时间：36*0.7/3.64=6.9（天）综上所述：6.9天大于实际需要的5天，因此36AH容量的电池能满足系统在连续阴雨天、不少于5天的持续工作时间。3.3业务流程及功能3.3.1业务流程管线泄漏报警系统主要是对管线附近的密闭空间进行监测，将实时监测到的数据上传到管理中心。管理中心根据当前密闭空间的可燃气体浓度，进行相应的告警处理，或与GPS抢险车调度监控系统进行联动。对各个密闭空间安装可燃气体检测器之前，需要对燃气公司的管线进行基础数据清理：各个管线相应的GPS数据、附近的密闭空间情况，在管理中心建立管线基础资料库；对各个密闭空间安装可燃气体检测器、通讯中继器时，充分考虑防爆、防水、防潮；通讯中继器通过市电取电，并给可燃气体检测器供电；可燃气体检测器实时将检测数据上传到管理中心；管理中心根据该点的历史信息，进行分析处理，产生声光告警或与其它系统联动。3.3.2系统功能密闭空间的监控实现功能如下：1)对密闭空间的燃气泄漏实时监测报警。2)系统能在中心通过图形化界面观测到管网安全状况（是否出现异常施工状况），出现异常时能进行声光告警。3)和燃气公司现有的GIS系统无缝低耦合、快速集成。第4章主要设备性能指标4.1.1 RTU(Remote Terminal Units)基本参数如下：参数类型详细描述通讯方式内置GPRS/3G无线模块实现远程通讯RS422接口/RS485接口(两种接口任选其一)1个（用于与表具通信）通信速率：300~bps通讯协议：MODBUS RTU/ASCⅡ、自定义（集成各类型流量计私有协议）传输方式：全双工/半双工模拟量输入8路4~20mA模拟量输入数字量输入6路开关量输入（用于门禁、流量开关等开关量输出传感器）数字量输出2路开关量输出供电方式交流220V±10%;电池供电；太阳能供电对外供电直流,5V,100mA;9V50mA;12V,50mA（用于对外提供电源）温度特性使用温度：-25°C~+55°C存储温度：-50°C~+80°C管理表具数量≤32只数据存储总容量64Kbyte存储器类型FRAM（掉电不丢失信息，可保存20年）功耗≤2W防爆等级ExdIICT4防雷符合国标《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2004《雷电电磁脉冲防》GB/T19271-2003/IEC 61312-1995要求防护等级IP66 4.1.2燃气探头AEC2232b序号参数1探头类型：红外式2检测气体：可燃气体及蒸气、有毒有害气体3采样方式：扩散式4湿度范围：<93%RH5温度范围：-40℃~+70℃6压力范围：86kPa~106kPa7常备检测量程：0~100%LEL8工作电压：DC24V±6V9功耗：≤1.5W（DC24V）10电气接口：G3/4＂内螺纹11防爆等级：ExdⅡCT612外壳：铸铝13尺寸：204mm×155mm×70mm（长×宽×厚）14重量：约1.5kg。