激光分布式管網(wǎng)泄漏定位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

袁 敏，毋 焱，郝英杰，楊 帆

(北京埃德爾公司，北京100086)

一、引 言

常規(guī)的天然氣泄漏檢測(cè)方法有甲烷嗅覺傳感器檢測(cè)法、聲波檢測(cè)法、壓力梯度法、質(zhì)量或體積平衡法、泄漏噪聲探測(cè)法、漏磁探測(cè)法、熱紅外成像法和應(yīng)力波檢測(cè)法等。目前應(yīng)用最多的是甲烷嗅覺傳感器法，這種檢測(cè)方式低速低效、巡檢周期長(zhǎng)、檢測(cè)周期長(zhǎng)，而且只有燃?xì)庑孤┖髷U(kuò)散出地表才能檢測(cè)，時(shí)效性差，存在一定的安全隱患。近年來，激光傳感技術(shù)因具有測(cè)量距離遠(yuǎn)、定位精度高等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外也已經(jīng)展開了基于激光傳感技術(shù)在管道泄漏監(jiān)測(cè)方面的研究，使管道泄漏檢測(cè)技術(shù)從傳統(tǒng)的巡檢便攜式儀器檢測(cè)向分布式、自動(dòng)化、高精度和遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展。

激光分布式光纖傳感技術(shù)是一種新型實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，其將探測(cè)光纜沿燃?xì)夤艿啦⑿蟹笤O(shè)，可實(shí)現(xiàn)管道沿線的泄漏、溫度突變、管道受力形變等異常狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有測(cè)量距離遠(yuǎn)、連續(xù)分布式測(cè)量、可精確定位、抗電磁干擾、安裝簡(jiǎn)單、安全可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)已經(jīng)穩(wěn)定的和新發(fā)生的泄漏都可以進(jìn)行識(shí)別，適合埋地管道在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

二、拉曼型激光分布式管網(wǎng)泄漏定位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(ADG—DTS)

1.系統(tǒng)性能及應(yīng)用

拉曼型激光分布式傳感技術(shù)已在電力電纜、海洋石油平臺(tái)、油田及航空、交通隧道、大壩等工程得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)通過實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布來實(shí)現(xiàn)各被測(cè)場(chǎng)合的安全監(jiān)測(cè)，連續(xù)監(jiān)測(cè)距離可達(dá)10 km，定位精度為0.5～2 m，具有精度高、監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾、數(shù)據(jù)傳輸及讀取速度快、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于燃?xì)夤艿馈⑤斢凸艿?、供熱管道、自來水管道、高壓輸配電纜等工程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障點(diǎn)定位。

2.工作原理

拉曼型激光分布式傳感技術(shù)利用了光纖自發(fā)拉曼散射現(xiàn)象，光通過光纖時(shí)，光子和光纖中的光聲子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生拉曼散射。一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動(dòng)，產(chǎn)生波長(zhǎng)大于入射光的斯托克斯光;一部分熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換成熱能，產(chǎn)生波長(zhǎng)小于入射光的反斯托克斯光。反斯托克斯光對(duì)溫度敏感，而斯托克斯光對(duì)溫度不敏感，采用斯托克斯光與反斯托克斯光的強(qiáng)度比可消除光纖的固有損耗和不均勻性所帶來的影響，從而解析出溫度變化信息，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

ADG—DTS系統(tǒng)的原理為:ADG—DTS系統(tǒng)主機(jī)監(jiān)控器在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，激光在光纖中向前傳播的同時(shí)，自發(fā)產(chǎn)生拉曼散射光波，拉曼散射光波的強(qiáng)度受所在光纖散射點(diǎn)的溫度影響而有所改變，通過獲取沿光纖散射回來的背向拉曼光波強(qiáng)度，可以解調(diào)出光纖散射點(diǎn)的溫度變化;同時(shí)，根據(jù)光纖中光波的傳輸速度與背向光回波的時(shí)間的物理關(guān)系，可以對(duì)溫度信息點(diǎn)精確位置進(jìn)行定位(OTDR)。其系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 ADG—DTS系統(tǒng)工作原理圖

3.系統(tǒng)組成及性能

拉曼型激光分布式管網(wǎng)泄漏定位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要由ADG—DTS主機(jī)、傳感光纜和數(shù)據(jù)處理分析軟件構(gòu)成。主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，可靠性高;傳感光纜采用通信上常用單模或多模光纖，價(jià)格便宜;軟件全中文操作，實(shí)時(shí)顯示管線溫度曲線，提供定溫報(bào)警、差溫報(bào)警和差定溫報(bào)警等報(bào)警形式，并可與SCADA系統(tǒng)集成，主機(jī)數(shù)據(jù)可使用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)終端進(jìn)行處理。

AGD—DTS系統(tǒng)最長(zhǎng)檢測(cè)距離可達(dá)10 km，測(cè)溫精度1°C，溫度分辨率 0.1°C，漏點(diǎn)定位精度小于1 m，可提供最高8通道的監(jiān)測(cè)，使用溫度范圍-30℃ ～+120℃(使用特種光線可擴(kuò)展到+700℃)，使用壽命大于30年。

三、布里淵型激光分布式管網(wǎng)泄漏定位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(BOTDA)

1.系統(tǒng)性能及應(yīng)用

布里淵型激光分布式傳感技術(shù)已在橋梁建筑、海洋石油平臺(tái)、海底電纜、架空電纜、地下管道等工程得到了實(shí)際上應(yīng)用，該技術(shù)通過實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)場(chǎng)合的空間溫度、應(yīng)力場(chǎng)分布來實(shí)現(xiàn)各工程場(chǎng)合的監(jiān)測(cè)。它的連續(xù)監(jiān)測(cè)距離最高可達(dá)100 km，定位精度0.5～3 m，具有精度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾、數(shù)據(jù)傳輸及讀取速度快、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于燃?xì)夤艿?、輸油管道、供熱管道、自來水管道、高壓輸電線大壩等監(jiān)測(cè)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警和應(yīng)力報(bào)警，實(shí)現(xiàn)管線泄漏異常和應(yīng)力監(jiān)測(cè)功能。

2.工作原理

布里淵型激光分布式傳感技術(shù)利用了光纖布里淵散射現(xiàn)象。光纖材料分子的布朗運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生聲學(xué)噪聲，當(dāng)這種聲學(xué)噪聲在光纖中傳播時(shí)，其壓力差將引起光纖材料折射率的變化，從而對(duì)傳輸光產(chǎn)生自發(fā)散射作用;同時(shí)聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈現(xiàn)周期性，導(dǎo)致散射光頻率相對(duì)于傳輸光有一個(gè)多普勒頻移，這種散射稱為布里淵散射。

BODTA系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)主機(jī)監(jiān)控器在光纖一端注入一定能量和寬度的激光脈沖，在光纖末端注入一束泵浦激光，泵浦激光與光聲子相互作用受激產(chǎn)生布里淵散射，當(dāng)光纖受到拉壓或溫度作用時(shí)布里淵散射光發(fā)生多普勒頻移，BOTDA系統(tǒng)通過測(cè)量這種多普勒頻移的大小即可解調(diào)出光纖的溫度與所受到的應(yīng)變量;同時(shí)，根據(jù)光纖中光波的傳輸速度與背向光回波的時(shí)間的物理關(guān)系，可以對(duì)溫度、應(yīng)變信息點(diǎn)精確位置進(jìn)行定位。

3.系統(tǒng)組成及性能

布里淵型激光分布式管網(wǎng)泄漏定位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要由BOTDA主機(jī)、傳感光纜和數(shù)據(jù)處理分析軟件構(gòu)成。主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，可靠性高;傳感光纜采用通信上常用的單模光纖，價(jià)格便宜;軟件全中文操作，實(shí)時(shí)顯示管線溫度曲線，提供定溫報(bào)警、差溫報(bào)警和差定溫報(bào)警等報(bào)警形式，并可與SCADA系統(tǒng)集成，主機(jī)數(shù)據(jù)可使用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)終端進(jìn)行處理。

BOTDA系統(tǒng)最長(zhǎng)檢測(cè)距離可達(dá)100 km，測(cè)溫精度1°C，溫度分辨率0.1°C，漏點(diǎn)定位精度小于 1 m，可提供最高4通道的監(jiān)測(cè)，使用溫度范圍-30℃ ～+120℃(使用特種光線可擴(kuò)展到+700℃)，使用壽命大于30年。同時(shí)，與ADG—DTS相比BOTDA除了測(cè)溫以外還可以監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化，從而實(shí)現(xiàn)管道形變監(jiān)測(cè)。

圖2 BODTA系統(tǒng)原理圖

四、天然氣管道泄漏判定

管道內(nèi)的天然氣一般低于環(huán)境溫度，一但發(fā)生泄漏或應(yīng)力變化，布置在管道外側(cè)(如圖3所示)的感溫光纜可感知并傳輸泄漏點(diǎn)的溫度降低或應(yīng)力變化光信號(hào)。激光分布式管線泄漏定位監(jiān)測(cè)主機(jī)實(shí)時(shí)接收感溫光纜傳送過來的光信號(hào)，并將信號(hào)解調(diào)成溫度、應(yīng)力信息，然后把溫度、應(yīng)力數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而發(fā)現(xiàn)泄漏、應(yīng)力變化，如圖4所示。

圖3

五、結(jié)束語

激光分布式管網(wǎng)泄漏定位實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是一種新型的激光的高科技技術(shù)，應(yīng)用其監(jiān)測(cè)天然氣、石油管道泄漏具有廣闊前景。該系統(tǒng)具有其他傳感器檢測(cè)方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)外已有應(yīng)用。該系統(tǒng)可以進(jìn)行大量分區(qū)，對(duì)各被監(jiān)測(cè)區(qū)的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行智能分析，并準(zhǔn)確定位，可瞬時(shí)判定故障并準(zhǔn)確定位;軟件設(shè)置簡(jiǎn)單方便、可調(diào)整多級(jí)報(bào)警閾值;可聯(lián)入局域網(wǎng)系統(tǒng)或其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息共享;可與報(bào)警、攝像、消防等設(shè)備聯(lián)動(dòng)，以更好地保障燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)。

圖4

略)