1、基于多传感器的热网补偿器泄漏预警监测系统 牟春华 寇水潮 兀鹏越 乔磊 居文平 西安热工研究院有限公司 摘 要： 针对国内补偿器泄漏监测成型设备的空白, 提出了一种基于多传感器直接和间接协同工作的热网补偿器泄漏预警监测新方法, 并设计了热网补偿器泄漏预警监测系统。该系统利用温度、流量、压力和电导率传感器, 结合智能处理器和4G 无线通信网络技术, 通过远程数据监测平台, 判断热网补偿器实时运行参数的突变量、梯度与差动值的变化, 有效识别出热网补偿器渗漏或泄漏的具体位置。模拟实验和实际工程应用结果表明, 热网补偿器泄漏监测装置能够替代传统人工巡检方式, 及时发现热网补偿器微小渗漏, 对推动热网运
2、行优化与热网改造具有重要意义, 为热网稳定运行和信息化管理提供数据依据。关键词： 热网补偿器; 泄漏预警; 传感器; 协同监测; 突变量; 梯度值; 差动值; 远程数据监测; 作者简介：牟春华 (1966) , 男, 高级工程师, 主要从事发电厂技术管理, 。收稿日期：2017-06-02Early warning and monitoring system for heating supply network compensator leakage based on multiple sensorsMU Chunhua KOU Shuichao WU Pengyue QIAO Lei JU
3、Wenping Xian Thermal Power Research Institute Co., Ltd.; Abstract： The domestic molding devices for monitoring the heating network compensator leakage are almost blank.To solve this problem, a new method of early warning and monitoring for heating network compensator was proposed, based on multiple-
4、sensor direct and indirect cooperative working.Moreover, the early warning monitoring system for heating network compensator leakage was designed, which applies the temperature, flow, pressure and conductivity sensors and employs the intelligent processor and 4 G wireless sensor network technology.B
5、y using the remote data monitoring platform, the variations of break-variable, gradient and differential value of the real-time operating parameters are judged, thus the specific location of the leakage can be effectively identified.The simulation test and actual engineering application show that, t
6、he monitoring device for heating network compensator leakage can replace the conventional manual inspection methods and timely find out tiny leakage in the heating network compensator, which has an important meaning to promote the heating network optimization operation and reconstruction engineering
7、.The research can provide data basis for stable operation and information management of heating network.Keyword： heating network compensator; early warning system; sensor; cooperative monitoring; break variable; gradient value; differential value; remote data monitoring platform; Received： 2017-06-0
8、2集中供热凭借其污染低、能耗小等优点, 逐渐取代分散供热, 成为我国北方近300 多个城镇的主要供热方式1-2。集中供热管网一旦发生损坏泄漏, 将对生活取暖和热能生产带来不便, 严重时将导致供热中断事故, 造成巨大经济损失和能源浪费3。近几年热网发生重大事故约 1 400 余起, 其中 80%由热网补偿器渗漏或泄漏造成4-13。通常热网补偿器渗漏过程极为隐蔽, 很难通过人工巡检方式发现, 且微小渗漏容易引发热网大规模泄漏事故。目前管网补偿器存在泄漏识别慢、定位精度低等缺点, 且缺少一种有效的热网补偿器泄漏监测手段9,14。因此, 有必要建立热网补偿器泄漏预警监测系统, 利用多传感器协同监测技术
9、评估热网补偿器工作运行状态, 以提高热能利用率, 填补国内补偿器泄漏监测成型设备的空白。1 系统总体设计方案与硬件电路1.1 系统总体设计方案热网补偿器发生泄漏后, 渗漏点附近温度和电导率随之变化。由于温度和电导率测点布置在热网补偿器外部, 所以温度和电导率是泄漏间接物理量;压力、流量传感探头安装在热网补偿器内部, 所以压力和流量是热网泄漏后直接物理量。整个系统采用温度、电导率间接监测, 压力、流量直接监测相结合原理, 利用嵌入式智能处理器实时采集热网各补偿器处的温度、电导率、压力和流量等数据, 并通过 4G 无线通信网络将采集的数据打包传输至远程数据监测平台, 再经突变量、梯度变化和差动算法
10、判断出该补偿器是否发生泄漏, 并进一步识别出具体泄漏位置, 系统总体设计方案如图 1 所示。图 1 系统总体设计方案 Fig.1 Overall design scheme of the system 下载原图1.2 系统硬件原理硬件电路作为整个监测设备的最底层, 其采样精度的准确与否直接影响远程数据监测平台接收热力管网运行参数的可信度。结合热网补偿器实际工作环境, 设计小型化、稳定度高且适合恶劣环境下使用的监测系统, 并采用高精度工业级别传感器和芯片, 设计防护等级高、运行可靠度高的管网补偿器检漏装置。系统硬件电路包括传感器模块、A/D 模数转换模块、嵌入式智能处理器模块、4G 无线通信模块
11、、太阳能供电模块, 其硬件功能框图如图 2 所示。采用 12 位多点组网总线型数字式温度传感器, 各温度传感器分别通过 3 条总线与智能处理器通信, 完成温度读取。热网补偿器进出口流量与压力传感器通过 4 通道 12位 A/D 转换模块将模拟量信号转换为处理器可识别的数字量信号, 并依据流量、压力与电压转换公式计算出实际压力和流量。图 2 硬件功能框图 Fig.2 Schematic diagram of the hardware principle 下载原图系统所有温度、电导率、压力和流量数据经串行通信方式传输至 4G 无线模块, 并以 4G 无线模块为载体转发至远程数据监测平台。利用太阳能
12、供电单元光伏板收集能量, 再通过充电控制模块为锂电池充电, 锂电池通过辅助电源模块为硬件各部分电路提供能量。1.2.1 电导率传感器电路电导率传感器给电导电极施加正弦波信号, 利用 I/V 转换、半波整流、RC 滤波电路, 即可得到能够反映电导率大小变化的直流信号, 随后输入至模拟量数据采集模块。电导率传感器电路原理如图 3 所示。四通道 LM324 运算放大器基于文氏振荡电路原理产生标准正弦激励源, 智能处理器依据标准电导拟合曲线计算出土壤电导率。图 3 电导率传感器电路原理 Fig.3 Circuit principle of the conductivity sensor 下载原图1.2
13、.2 数据采集电路数据采集部分由 ADS7841E、REF02、LM324 芯片组成, LM324 实现信号放大、隔离作用, 为后级 ADS7841E 提供高品质模拟量信号, REF02 输出高精度 (+5V) 、低误差 (0.2%) 的基准电压源信号, 保证 A/D 转换精度。电导率、压力、流量传感器输出电压信号通过 ADS7841E 转换电路变为数字量信号, 再经STC89C54 单片机进行数据分析和还原。数据采集电路原理如图 4 所示。图 4 数据采集电路原理 Fig.4 Circuit principle of data acquisition 下载原图1.2.3 智能处理器电路智能处
14、理器电路主要由低功耗 8 位 STC89C54 单片机、11.059 2 MHz 时钟电路、复位电路以及 MAX232 串口通信电路组成。其中, STC89C54 将采集、还原后管网运行参数以串行通信方式发送至 4G 无线传感器, 并进一步转发至远程数据监测平台。智能处理器电路原理如图 5 所示。图 5 智能处理器电路原理 Fig.5 Circuit principle of the intelligent processor 下载原图2 泄漏预警监测原理远程数据监测平台对补偿器下方多路温度、电导率传感器上传的数据进行突变量计算, 当温度、电导率突变量大于设定门槛值时, 发出泄漏预警信号, 同
15、时启动参考温度、电导率梯度变化协同监测算法, 若梯度差大于设定泄漏报警梯度差值, 则确定发生渗漏或泄漏。热网补偿器进出口的压力、流量传感器主要用来做差动计算, 补偿器正常运行时进出口压力、流量差值较小, 一旦差值大于设定值, 发出补偿器大规模泄漏报警信息。2.1 温度、电导率突变量间接监测算法热网补偿器正常运行时, 温度与电导率变化趋势缓慢, 基本趋于稳定状态。当补偿器在 m 时刻发生泄漏, 温度、电导率立即发生突变, 并出现较大的突变量值。补偿器渗漏或泄漏前后温度和电导率突变量波形如图 6 所示。图 6 中, tm、D m表示 时刻温度和电导率测量值, 时刻温度和电导率测量值, 表示温度、电
16、导率突变量计算差值, 为采样间隔。由图 6 可知, 热网补偿器泄漏监测温度和电导率突变量计算公式为:图 6 补偿器渗漏或泄漏前后温度和电导率突变量波形 Fig.6 The temperature and conductivity break-variable waveform around pipe leakage time 下载原图2.2 温度、电导率梯度变化监测算法系统收到突变量预警信号后, 进入梯度变化监测判据。通常情况热网补偿器下方的多路温度、电导率与参考温度、电导率之间的差值较小, 只有发生泄漏时梯度差值才会高于设定门槛值。当补偿器在 m 时刻发生泄漏, 温度、电导率波形立即上升,
17、并与参考温度、电导率之间出现较大的梯度差值, 补偿器渗漏或泄漏前后温度和电导率梯度波形如图 7 所示。图 7 补偿器渗漏或泄漏前后温度和电导率梯度波形 Fig.7 The temperature and conductivity gradient waveform around pipe leakage time 下载原图由图 7 可知, 节点泄漏监测温度和电导率梯度判据公式为:2.3 流量、压力差动变化直接监测算法图 8=m 时刻补偿器大规模泄漏前后进出口压力和流量差动波形 Fig.8 The inlet大规模泄漏则由进出口压力、流量差动判据组成。热网补偿器泄漏预警逻辑如图 11 所示。图
18、1 1 补偿器泄漏预警逻辑 Fig.11 The logic diagram of leakage warning 下载原图4 实验结果分析与工程应用方案4.1 实验结果分析为验证热网补偿器泄漏监测的准确性和快速性, 在实验室人为用热水模拟热网补偿器泄漏突变量和梯度变化监测功能, 远程数据监控平台设置好数据传输格式、解码格式及通信地址, 同时配置参数设定值 、D m, set1=6S/cm、D m, set2=30S/cm。模拟泄漏时, 将参考温度、电导率传感器放置于室内时监测平台显示测量、参考温度均为 32左右, 温度波动较小, 测量、参考电导率为 0。待测量温度、电导率传感器放置于热水中后
19、, 测量温度在 20 s 内从 32迅速提高至 71, 测量电导率则立即从 0 增大至 205.8S/cm, 此时在监控平台主界面自动弹出泄漏参数趋势图, 发生泄漏的补偿器监测节点由绿色变为黄色闪烁, 并发出热网补偿器泄漏预警报文, 补偿器泄漏后监控平台显示画面如图 12 所示。图 1 2 模拟补偿器泄漏后监控平台显示画面 Fig.12 The picture of monitoring platform after pipe leakage 下载原图由实验结果知:热网补偿器泄漏预警监测平台和 4G 无线通信网络之间数据通信稳定、快速;模拟热网补偿器泄漏后, 该协同监测算法能够在 5 s 内快
20、速识别出泄漏信号, 并避免平台误报、漏报现象发生, 实现了热网补偿器运行监测预警功能。4.2 工程典型应用方案某热电联产电厂供热管网一级管网分为南线和北线, 采用间接供热方式。供热温度不高于 100, 一级管网最大管径为 800 mm, 一级直埋供回水管道上各存在 40 个热网补偿器。供热面积约 1 000 万 m, 为供热区域 70 万户居民和企事业单位供暖。管网日常运行主要靠人工巡检。在该电厂应用基于多传感器热网补偿器泄漏预警监测系统, 其典型应用方案如图 13 所示。根据热网实际运行情况, 在施工时首先沿热网补偿器正下方均匀布置多路测温传感器, 具体数量根据实际补偿器规格确定, 然后在补
21、偿器进出口正下方各安装电导率传感器, 在热网补偿器周围环境中安装参考温度和参考电导率传感器, 最后在热网补偿器本体热水进出口各安装流量和压力传感器, 监测仪则置于热网补偿器正上方, 监测仪上的天线露出地面。图 1 3 工程典型应用方案 Fig13 The typical application project 下载原图每个热网补偿器埋设一套泄漏预警监测装置和太阳能供电单元, 因此整个电厂一级管网需 80 套监测装置和 1 台数据接收服务器。每个监测节点单晶太阳能供电额定功率为 20 W, 输出电压为 18V, 经 DC-DC 充电控制器变换为 12 V、20 Ah 锂电池充电, 保证监测装置在
22、 1 个供暖期连续、稳定运行。在电厂热网调度中心服务器安装热网补偿器泄漏监测软件, 将各个监测节点运行参数汇总, 利用上述泄漏监测算法分析热网补偿器的运行状况。实际应用表明, 热网补偿器泄漏监测装置能够替代传统人工巡检方式, 预期减小热网运行费用, 及时发现热网补偿器微小渗漏, 减少不必要的能源浪费, 进而降低因热网补偿器渗漏或泄露而发生供热中断事故的概率, 对推动该厂热网运行优化与改造具有重要意义。5 结语1) 热网补偿器泄漏预警监测系统通过智能处理器采集补偿器周围温度、电导率以及进出口压力、流量等数据, 并及时将采集数据加密后经 4G 无线通信网络传输至 WINCC 远程数据监测平台, 监
23、测平台利用突变量、梯度变化和差动协同监测算法, 快速、准确识别出热网补偿器的跑冒滴漏状态, 为热网补偿器运行状态评估和调度提供理论依据, 能够保证热网补偿器长期安全可靠地运行。2) 监测系统使用太阳能清洁能源供电, 可解决热网距离较远、分布分散且无监测预警等问题, 实现具有动态跟踪和实时诊断功能的远程无人值守热网补偿器泄漏预警监测。3) 该系统还可应用于石油、化工、冶金等工业领域。参考文献1王天添.基于 Zigbee 的无线热网监控系统研究D.南京:南京理工大学, 2007:1-5.WANG Tiantian.Research on wireless network monitoring sy
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