硫化氢监测系统在天然气井场的应用

摘要

作为一种被广泛使用的清洁能源，天然气如今在我们的生产和生活中扮演着越来越重要的作用。随着对天然气资源需求的上升，天然气的开采工作也面临着越来越大的压力，为了满足对天然气资源的需求，近年来天然气的开采量也在持续攀升。在追求产量的同时，天然气开采过程中存在的管理手段落后、设备老化陈旧、维护检修不及时等问题也逐渐暴露了出来，而这些问题导致的直接结果之一就是天然气的泄露。在天然气中，除了我们需要的甲烷之外，一般还包含硫化氢，这是一种有毒气体，在浓度达到1g/L时就可威胁个人的生命安全，而目前开采的气田中很大一部分是高含硫气田，一旦发生大规模泄露其后果不堪设想，因此对天然气井场中硫化氢的实时监测工作就显得格外重要了。
　　早期的硫化氢监测系统采用的大多是有线通信的方式来进行信号的传输，今天我们在井场中使用的监测系统有很多仍然是基于这种通信方式的。基于这种通信方式所设计的监测系统一般都有体积较大、安装和转移不便等缺点，而近年来快速发展的无线传感器网络技术给这个问题提供一种解决思路，可以很好地改善传统监测系统所存在的问题。
　　本文介绍了天然气井场硫化氢监测的背景和意义，分析了目前井场硫化氢监测发展情况，在此基础上提出了一种基于无线传感器网络的井场硫化氢监测系统设计方案，并根据拟定的设计方案的要求完成了系统硬件和软件的设计。在系统硬件设计中，采用了德州仪器公司的MSP430F149芯片作为微处理器，CC2530芯片作为无线通信模块主芯片，结合传感器、电压芯片等相关硬件设计了监测系统的微处理器模块、电源模块、传感器模块、无线通信模块、显示模块等硬件模块，实现了系统低功耗的要求。在系统软件设计中，通过对德州仪器公司开发的Z-Stack协议栈的应用，实现了系统通过ZigBee进行组网和通信，加上无线通信、监测终端、路由设备等各部分的软件流程设计，从软件层面保证了系统的低功耗、稳定性和易扩展性。
　　在完成系统的各项设计后，本文还在实际的天然气井场中对系统进行了标定测试和布置应用，取得了实际应用场景中的测试和使用数据。根据所得到的数据进行了相应的分析，结果显示该监测系统可以满足实际应用中的准确性和稳定性等需求，可以实时、准确地监测井场内硫化氢气体的浓度并在硫化氢气体浓度到达实现设定的报警阈值时进行声光报警，从而提醒井场内工作人员以及井场周边区域的居民及时进行疏散。这样既保证了井场工作人员的生命安全，也可以为今后此类系统的开发设计提供重要参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 天然气井场硫化氢监测研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 系统总体方案设计及相关技术介绍

2．1 系统总体方案设计

2．1．2 系统总体结构

2．1．3 技术方案及主要器件选型

2．2 相关技术介绍

2．2．1 无线传感器网络

2．2．2 ZigBee技术

2．3 本章小结

第3章 系统硬件设计

3．1 系统硬件整体结构

3．2 电源模块

3．3 微处理器模块

3．4 传感器模块

3．5 无线通信模块

3．6 显示模块

3．7 其他模块

3．7．1 按键接口电路

3．7．2 复位电路

3．7．3 USB电路

3．8 本章小结

第4章 系统软件设计

4．2 无线通信软件设计

4．3 传感器节点软件设计

4．4 路由设备软件设计

4．5 其他部分软件设计

4．5．1 声光报警流程软件设计

4．5．2 USART通信子程序软件设计

4．6 本章小结

第5章 硫化氢监测系统的应用

5．1 硫化氢监测系统的实际布置

5．2 硫化氢监测系统实际工作过程

5．2．1 传感器节点实际工作过程

5．2．2 控制器实际工作过程

5．2．3 路由设备实际工作过程

5．3 系统标定测试

5．4 天然气井场实测数据分析

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果