感溫光纖測溫法在供能管道監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用研究

郭泊遠　李濱　郭連江

【摘 要】供能管網(wǎng)埋設(shè)于地下，無法常規(guī)檢測，一旦泄漏將直接影響城市用能安全和數(shù)萬市民工作生活。因此，尋找一套科學的管道監(jiān)測方法用來實時遠程自動掌握管網(wǎng)的運行情況顯得尤為重要。利用感溫光纖測溫法用于上海西虹橋能源管道的壓強、流量、溫度等實時數(shù)據(jù)的采集， 再通過軟件分析得出地下管道的保溫狀態(tài)、泄漏位置等相關(guān)數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性， 減少了事故風險。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)用研究；監(jiān)測；能源管道；感溫光纖測溫法

中圖分類號： TD752.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）17-0042-002

Application of Temperature - sensing Optical Fiber Temperature Measurement Technology in Energy Supply Pipeline Monitoring Technology

GUO Bo-yuan1 LI Bin2 GUO Lian-jiang3

（1.Second Affiliated Middle School，East China Normal University，Shanghai 201203，China；

2.Shanghai Municipal Engineering Design and Research Institute （Group） Co.，Ltd.，Shanghai 200092，China；

3.Shanghai Xihongqiao Business Development Co.，Ltd.，Shanghai 201702，China）

【Abstract】Energy supply pipe network buried in the ground，can not be routine testing，once the leakage will directly affect the city with energy security and tens of thousands of people working life.Therefore，it is very important to find a scientific method of pipeline monitoring for real-time remote control of the operation of the pipe network. The temperature，flow rate and other real-time data are collected by the temperature-sensing optical fiber temperature measurement method in Shanghai Xihongqiao energy pipeline，and then the relevant data of underground pipe insulation and leakage location are obtained through software analysis，which greatly improves the system stability And economy， reducing the risk of accidents.

【Key words】Applied research；Monitoring；Energy pipelines；Thermal optical fiber measurement

0 引言

城市地下供能管道是城市的生命線，它埋于地下，易受到周邊建設(shè)、地面外力、土體沉降、溫度應(yīng)力等因素影響，產(chǎn)生變形、破壞、泄漏等，案例不勝枚舉，監(jiān)測供能管道的運行狀況，常規(guī)的方法主要有：人工監(jiān)測、分段試壓檢測、人工聽音識別等，這些方法費時、費力、不能實時，傳統(tǒng)的供能管道監(jiān)測手段已遠遠不能適應(yīng)現(xiàn)在自動化監(jiān)測的需要，因此對供能管道監(jiān)測進行創(chuàng)新性，開拓性研究，具有重要的意義。如何尋求一種實時遠程自動監(jiān)測供能管道安危的方法就顯得尤為重要。

本文以上海西虹橋商務(wù)區(qū)地下供能管道為例，采用感溫光纖測溫法對能源管道的自動實時監(jiān)測技術(shù)進行了應(yīng)用研究，取得了滿意的初步應(yīng)用成果，對進一步研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 工程概況

上海虹橋商務(wù)區(qū)應(yīng)用水源熱泵系統(tǒng)、能源回收和錯峰蓄能等技術(shù)，采用集中式的區(qū)域供冷供熱模式，替代傳統(tǒng)建筑的獨立式的中央空調(diào)系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)降低城市電網(wǎng)壓力、節(jié)能減排和提高能效、集約、高效和節(jié)能的目的。目前已是應(yīng)用此項技術(shù)的最大的商務(wù)開發(fā)區(qū)。

能源管線直接埋在地面以下3-5米處，易受到地面外力、土體沉降、管道和焊接質(zhì)量、腐蝕、溫度應(yīng)力等因素影響，產(chǎn)生泄漏。其外層由防水和保溫層包裹，造成尋找漏點困難，維修時間長、費用高。漏水降低管網(wǎng)保溫層的熱絕緣性能，同時流失管網(wǎng)系統(tǒng)的能量；加速管道腐蝕；引發(fā)的水土流失及路面塌陷，產(chǎn)生交通傷害事故、供能中斷等城市災(zāi)害。

因此，如何實時監(jiān)測虹橋商務(wù)區(qū)供能管道的安全運行、保障市民正常工作生活是至關(guān)重要的。

2 常規(guī)監(jiān)測方法概述及分析

國內(nèi)外為監(jiān)測供能管道的安全運行已有一些應(yīng)對方法，具體有：分段試壓檢測技術(shù)；人工聽音識別法；報警銅線技術(shù)；壓力波檢測技術(shù)；管道內(nèi)專業(yè)機器檢測技術(shù)；測徑器檢測法；閉路電視管道檢測法；超聲波檢測法；漏磁檢測法等。但存在要求安裝技術(shù)條件高、受地下水、電磁等環(huán)境因素影響大的情況，造成系統(tǒng)的效率低、局限性強，誤報率高、效果差。

感溫光纖測溫法尚無在能源管網(wǎng)上實踐的先例。endprint

3 能源管道感溫光纖測溫法實時遠程自動監(jiān)測技術(shù)

3.1 感溫光纖測溫法簡述

感溫光纖測溫法是基于光纖拉曼散射效應(yīng)和光時域反射測量技術(shù)來獲取空間溫度分布信息。通過在管道表面鋪設(shè)感溫光纖，采集和分析光脈沖在感溫光纖內(nèi)傳播時產(chǎn)生的拉曼背向反射光的時間和強度信息得到相應(yīng)的位置和溫度信息，在得知每一點的溫度和位置信息后，就可以得到一個關(guān)于整根光纖不同位置的溫度曲線。測量距離可達30公里，空間定位達到米的數(shù)量級，能夠進行不間斷的自動測量，特別適宜于需要長距離大范圍多點測量應(yīng)用場合。

目前該技術(shù)在隧道內(nèi)、油庫、危險品庫、軍火庫、工礦企業(yè)的生產(chǎn)車間的溫度檢測和火災(zāi)報警報警系統(tǒng)及電力的電纜過載溫度監(jiān)測上應(yīng)用廣泛。

3.2 感溫光纖測溫法在能源管網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用的可行性分析

1）可行性理論分析：當管道發(fā)生泄漏滲水時，管道內(nèi)的水的能量會傳導到感溫光纖上，我們在軟件中便可以實時觀察到泄漏點處溫度及變化， 再通過光時域反射技術(shù)測量到泄漏點的物理位置， 從而實現(xiàn)管道泄漏判斷及定位。

具體情況分析：監(jiān)測時光纖對套管外部的地下滲水的測溫變化幅度和速率反應(yīng)不大，但對內(nèi)部壓力能源漏水的變化幅度和速率高。主要原因是日常土壤環(huán)境溫度干擾區(qū)別于管網(wǎng)能量泄漏的干擾特征。土壤環(huán)境溫度是緩慢變化的，與氣象信息保持一致，并且是全局的整個管道區(qū)域的同時變化；而能量泄漏恰好相反。感溫光纖可以貼在外套管的內(nèi)表面敷設(shè)，與地下環(huán)境溫度相似；發(fā)生外部滲漏時，地下水是由管道外向外滲入到保溫層，剛開始光纖的溫度幾乎沒有變化，后期造成保溫層絕緣能力下降，引發(fā)光纖的溫度和發(fā)生的區(qū)域緩慢變化；而發(fā)生管道內(nèi)部泄漏時，情況則相反，反應(yīng)迅速。

2）光纖布線方式的研究：能源管外部由防水和隔熱材料包裹，無論泄漏發(fā)生部位和方式如何，水都會因重力作用往管道下方的移動后再液位上升，引發(fā)溫度場產(chǎn)生變化，故測溫光纜宜在管道兩側(cè)的中下方布設(shè)。

3.3 本次采用的技術(shù)方案

1）方案的技術(shù)原則概述：系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：（1）實現(xiàn)遠程的集中監(jiān)測和管理；（2）實現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測報警與定位；（3）較小的誤報率和較高的準確度，實現(xiàn)警訊多參量交叉確認；（4）可以日常運行數(shù)據(jù)采集， 便于檢修， 具備較好的經(jīng)濟性；（5）檢測方法和儀器到要具備防潮防水的性能。（6）具備識別功能、高可靠性。

2）技術(shù)方案：本次創(chuàng)新的利用光纖測溫技術(shù)，在國內(nèi)供能管網(wǎng)工程中首次運用。監(jiān)測系統(tǒng)主要由感溫光纖、測溫主機、工控機及監(jiān)測軟件組成，感溫光纖既作為泄漏點溫度采集傳感器，同時也是信號傳輸?shù)墓饫|。測溫主機通過安裝在工控機內(nèi)的溫度監(jiān)測軟件，可以實時監(jiān)測整根管道溫度分布情況，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報警閥值，發(fā)出報警信號。本次預(yù)選用光纖測溫的精度在1℃左右，而最小分辨率達到0.1℃；位置分辨率達到0.5米。通過安裝在工控機上的監(jiān)測軟件計算處理，便可對管道進行泄漏判斷與定位。使用的光纖分布式（DTS）測溫產(chǎn)品是公安部專屬“3C認證”的消防產(chǎn)品，國內(nèi)眾多工程中使用過。

3）光纖布置及安裝方法：在供能管道保溫層內(nèi)部沿保溫層外壁在橫截面的4點鐘和8點鐘位置處各鋪設(shè)一根鍍鋅保護管，然后將感溫光纖沿保護管穿入，鋪設(shè)于整根供能管道內(nèi)部。多芯光纜鋪設(shè)至能源站的監(jiān)控中心機柜內(nèi)。

3.4 現(xiàn)場測試

2016年12月，由業(yè)主方組織設(shè)計、施工和相關(guān)產(chǎn)品供應(yīng)廠商單位對一期已完成的（800米長、直徑為1.2米）能源管網(wǎng)工程開展測試和研究。由于現(xiàn)場條件限制，采用明敷光纖的泄漏模擬測試?，F(xiàn)場利用管網(wǎng)上的排氣閥進行放水，模擬泄漏情況，實地在能源管道上進行了的布線方式、溫度傳導等工況的測驗，對分布式光纖測溫和其他檢測方式的進行了有效性的模擬研究，感溫光纖的使用不僅可以檢測泄漏點，還可通過設(shè)置軟件收集整條管線上各點的溫度實時工況，實時遠程自動掌握管網(wǎng)的運行情況，實現(xiàn)自動監(jiān)測，取得了滿意的初步應(yīng)用成果，對進一步研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

感溫光纖測溫法可以在能源管網(wǎng)系統(tǒng)上使用，提高了預(yù)測的可靠性、精準性和穩(wěn)定性；

感溫光纖的使用不僅可以檢測泄漏點，還可通過設(shè)置軟件收集整條管線上各點的溫度實時工況，實現(xiàn)遠程自動監(jiān)測，借此提高日常的運維水平，減少了能耗；

感溫光纖測溫法和其他檢測方式的進行了有效性的模擬應(yīng)用研究，取得了滿意的初步應(yīng)用成果，對進一步研究奠定了堅實的基礎(chǔ)；

感溫光纖測溫法在能源管網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用對類似管道的遠程自動監(jiān)具借鑒意義、前景廣闊、意義重大。

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