建筑健康监控系统在石油化工装置中的应用

丁雷

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

随着石油化工生产装置规模的不断扩大，跨度大、高度高的工艺装置越来越多，而装置所在的建筑物风险又总与飓风、雨雪、地震、滑坡、沉陷等自然因素，和振动、事故、材料使用等技术因素息息相关，因此对于建筑物及其周边的环境实施定期、自动的监测就变得越来越重要。建筑健康监控系统一方面能够通过及时捕捉建筑物的特征信息，积累大量有效数据，当监测指标超过设定阈值时进行报警，从而实现及时发现问题、排除隐患，避免可能发生的重大事故；另一方面该监控系统能够为生产人员了解建筑物的性能及健康状态提供数据支撑，通过对监测数据的分析，及时发现结构的薄弱环节，用以指导建筑物的施工及后期日常维护，有效降低施工风险和维护成本。本文以在“一带一路”沿线某国实施的丙烷脱氢综合体装置为例，对该监控系统在石油化工装置中的应用进行阐述和分析。

1 系统框架构成

建筑健康监控系统主要由现场传感器、多通道数据采集仪、网络系统，以及包含数据显示、存储、历史数据查询、超限自动报警等功能的监测系统组成，其中应用较为广泛的包括倾角、加速度和风速等类型传感器，采集仪将现场多个传感器信号采集后通过有线或无线网络系统上传至该监控系统，该监控系统通过数据存储和分析实现对建筑物结构的有效监控。建筑健康监控系统的框架如图1所示。

a) 有线数据传输

2 系统传感器检测原理

2.1 倾角传感器

倾角传感器用于监测建筑施工和生产运行中由于环境因素导致荷载变化而产生的建筑物变形偏差。当建筑物产生倾斜变形时，形变通过安装支架传递给该传感器，该传感器内装有电解液和导电触点，当传感器发生倾斜变化时，电解液的液面始终处于水平，但液面相对触点的部位发生了改变，也同时引起了输出电量的改变。该传感器随建筑物的倾斜变形量与输出的电量呈对应关系，以此可测出建筑物的倾斜角度，同时该传感器的测量值可显示出以零点为基准值的倾斜角变化的正负方向。

2.2 加速度传感器

加速度传感器用于监测装置设备的固有频率和振动、风和雪荷载对结构的影响以及分析地震效应等环境因素。该传感器采用电容式工作原理，当弹性膜片在外力作用下发生位移，电容量将发生变化，该电容值被转化成比例电压输出，通过测量电压变化实现对加速度的监测。

该传感器除了测量加速度以外还可以兼做倾角传感器使用，用以监测建筑物的静态倾角，在该情况下，倾角由加速度(传感器自身加速度和重力矢量的叠加)在坐标轴上投影大小决定。测量原理如图2所示。

图2 加速度传感器测量建筑物静态倾角原理示意

图3中倾角α的计算如式(1)所示：

(1)

式中:ax——x轴加速度值；ay——y轴加速度值；az——z轴加速度值。

2.3 风速传感器

该监控系统的风速传感器一般采用超声波时差法原理。声音在空气中的传播速度，会与风向上的气流速度叠加。当超声波的传播方向与风向相同，传播速度会加快；反之，当超声波的传播方向与风向相反，传播速度会变慢。因此，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应，通过该监控系统软件计算可得到精确的风向和风速值。

3 系统设计方案

该监控系统的设计原则在于通过可靠的传感器搜集建筑物结构受力与变形等数据，由数据处理单元进行建筑物结构健康运算与监测，最后将重要信息发送到管理网页与应用程序，让生产人员能够随时了解建筑物及周边环境状态。在该监控系统设计上，依循以下几项原则。

3.1 兼顾建筑物结构安全与综合性指标

装置对于环境因素所造成的建筑物结构安全问题，兼顾测量准确性和经济性，选择监测主要建筑物和关键指标。在丙烷脱氢反应单元、冷却冷冻单元、压缩单元的结构立柱和建筑面积超过3.7×104m2仓库的结构立柱以及仓库屋顶金属桁架上设计安装倾角传感器，主要监测各单元框架结构由于可变荷载及地基沉降可能造成的建筑物倾斜变形；在丙烷脱氢反应单元和压缩单元设备上方屋顶设计安装加速度传感器，主要监测由于丙烷脱氢反应单元建筑物荷载变化和压缩单元压缩机振动对建筑物结构产生的影响；在丙烷脱氢反应单元建筑物顶部开放区域，设计安装风速传感器，监测环境风向和风速。

3.2 选择性能可靠的监测设备和网络系统

装置按照建筑物结构测点实际位置设计安装了性能可靠的双轴倾角、三轴加速度和超声波风速传感器。倾角传感器按轴向可分为单轴倾角传感器和双轴倾角传感器，在安装方式上倾角传感器可以选择水平安装和垂直安装，单轴倾角传感器只能测量某一方向的角度，双轴倾角传感器则可以测量互相垂直的2个方向的角度。双轴倾角传感器可以完成单轴倾角传感器的测量功能要求，并且同时能够测量物体的滚转角和俯仰角，多次测量同一物体的不同方向角度再求均值测量出较准的角度，大幅提升了测量精准度。

考虑建筑物所在地气候与低温环境因素，设计选择耐低温型传感器和数据采集仪，避免环境影响导致传感器失效。由于部分倾角传感器根据监测要求需要安装在爆炸性气体环境，因此该部分传感器与对应的数据采集仪设计选择了能够满足防爆等级要求的隔爆型产品。倾角传感器和加速度传感器在实际应用时往往具有较大的非线性误差和温度漂移误差，为了提高测量精度，倾角传感器和加速度传感器设计选择上都配置了半导体温度传感器进行温度补偿，现场温度传感器同时还能够输出温度信号，监测传感器安装地点的环境温度。

该监控系统采用的传感器数量较多，同时现场干扰因素也多，对信号数据传输的准确性和稳定性都提出了较高的要求。为保证传输数据的可靠性，该系统采用采集频率高、速度快且数据稳定的有线传输的连接方式，即传感器监测信号经采集仪、集线器后由生产单元通过单模光纤连接至控制室内的串口服务器和交换机，最后将数据存储至服务器。多通道数据采集仪将多台传感器设备信号接入监控系统网络，主要特点是采用光隔离信号通道，电路设计提供较高的稳定性和抗噪性并可应用于广泛的温度和湿度范围，有效抑制信号传输过程中的干扰。

3.3 监控系统具有弹性扩展功能

该监控系统的监测指标涵盖建筑物变形监测、结构监测和环境监测，其中倾角传感器在监测建筑物倾斜角度变化外，还能够通过系统软件计算实现对传感器安装位置间的水平偏移量以毫米为单位进行测量，加速度传感器在监测建筑物振动变化外，也能够通过系统软件计算实现对传感器安装位置的建筑物倾斜角度测量。

该监控系统具有开放的框架结构和标准化的数据接口，可与第三方厂商软硬件设备兼容，支持各种监测传感器、GPS、火警报警系统等实现综合的生产管理解决方案。该监控系统软件可根据监测数据评估建筑物健康状态，将相同监测项目的不同数据进行对比，监测数据在后台分析评估后，当指标出现异常时，除在系统平台报警外，还能够通过邮件、短信等方式及时将报警信息推送到到生产人员的手上，有利于问题及时处理并提供了工程处理措施的参考依据。生产人员也可以通过系统软件随时查询各监测点的状态以及监测数据是否处于合理范围中，随时掌握建筑物的健康状态。

4 结束语

自动化系统在工业生产中的广泛应用，将传统土木工程建筑物结构同信息化、数据化紧密结合，建筑健康监控系统将采集到的大量建筑物结构状态数据进行统一管理、分析、报警、预测，用真实数据体现建筑物的健康状态，相信在石油化工生产装置上将有更为广阔的应用前景。