CN101858488A - 油气管道泄漏监测方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气管道泄漏监测方法，包括：将一束光通过分布式光纤微振动传感器前端的第1耦合器，按功率1∶1分为两束光分别进入第1、第2单模传感光纤，到达末端后，两束光通过与第1、第2单模传感光纤分别熔接的第3、第4单模传感光纤返回分布式光纤微振动传感器前端的第2耦合器，在第2耦合器处汇合，产生干涉光信号，两束光在传输过程中，当传感光纤受到外界信号扰动时，干涉光信号发生变化，形成特征信号，根据相邻两个特征信号的时间差对扰动地点进行定位。该方法不仅具有很高的监测灵敏度和定位精度，而且监测系统容易实现、运行可靠。

Description

油气管道泄漏监测方法及监测系统

技术领域

本发明涉及管道监测技术领域，尤其涉及一种油气管道泄漏监测方法及监测系统。

背景技术

管道运输作为目前石油、天然气最为经济合理的运输方式，对国民经济的发展产生了积极作用。随着管道运输业的不断发展，为了维护管道的安全运行，管道运行监测技术也在不断发展，作为管道监控核心的泄漏监测技术一直受到各国科技工作的重视。

目前国内外已有多种管道泄漏检测技术和方法，但大多数管道泄漏在线监测技术主要是基于管内流体介质的流失所造成的管道各运行参数的变化来检测管道泄漏的。例如，通过监测管道输入端和输出端的压力，流量等管道运行参数的变化，可以判断出管道是否发生泄漏，同时也可以确定管道泄漏发生的位置。中国发明专利公开号CN1184931A、CN1273342A等对该类技术领域的内容已经做了很详细地叙述。由于该类技术受到管道流体介质的性质、管道运行工况及其监测原理的限制，只能检测已经发生的、较大的突发性的管道泄漏事件，不能对管道附近施工、人为破坏以及自然灾害等可能造成管道泄漏的事件进行预报警。

近年来，由于我国管道的老龄化和第三方破坏形势的日益严峻，如何利用各种新方法、新技术在管道因打孔盗油、机械开挖以及滑坡、泥石流等威胁事件所导致的泄漏之前给出预警信息并准确定位，从而对泄漏事故防患于未然，是我国管道安全运行和发展所面临的重大挑战。

中国发明专利公开号CN1414283A将光时域反射仪(Optical TimeDomain Reflectmeter，以下简称“OTDR”)应用于油气管道泄漏检测，通过检测光纤中产生的背向瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断光纤的故障点，主要应用于管道光缆被第三方挖掘、盗油等活动破坏后的光缆故障、光缆长度、光缆损耗等方面的检测。其工作原理为：在管道附近沿管道并排铺设一条光纤，当光纤附近产生应力扰动时，会改变光纤的特性和损耗，OTDR技术将这些损耗检测出来并定位。由于土壤传递来的振动对光纤损耗影响极小，所以该种方法对检测应力造成的光纤永久损伤较好，而对振动的灵敏度较低。另外，为保证每个测试点的准确性，还要对每个测试点进行多次测试并进行平均，因此该技术只能检测静态损耗，不能实现对管道泄漏和第三方机械挖掘的实时监测。

中国发明专利ZL200410020046.6采用光纤干涉技术，能够在侵入事件发生前对事发点进行高精度定位。该方法在管道附近沿管道铺设一根光缆，利用光缆中的三根光纤构成顺、反两路微振动传感器，通过测量两路干涉光的时差达到对侵入事件定位的目的，其突出优点在于可在管道泄漏前对事发点进行定位，其定位精度较高且与管道长度无关。但是由于分光耦合器的使用，使光源功率下降至原先的四分之一，需使用大功率激光光源。

发明内容

本发明的目的是提供一种对第三方破坏具有很高的监测灵敏度和定位精度，监测系统容易实现，而且运行可靠的油气管道泄漏监测方法及监测系统。

为此，本发明的技术方案如下：

一种油气管道泄漏监测方法，包括以下过程：将一束光通过分布式光纤微振动传感器前端的第1耦合器，按功率1∶1分为两束光分别进入分布式光纤微振动传感器的第1、第2单模传感光纤，到达末端后，所述两束光通过与第1、第2单模传感光纤分别熔接相连的第3、第4单模传感光纤，返回至分布式光纤微振动传感器首端的第2耦合器，在第2耦合器处汇合，产生干涉光信号，两束光在传输过程中，当传感光纤受到外界信号扰动时，干涉光信号发生变化，形成特征信号，根据相邻两个特征信号的时间差对扰动地点进行定位。

一种油气管道泄漏监测方法的装置，包括光源、分布式光纤微振动传感器、光电探测器和用于数据采集及信号处理的计算机，其特征在于：所述的分布式光纤微振动传感器包括位于前端的第1、第2耦合器以及第1～第4单模传感光纤，所述光源通过引导光缆与第1耦合器连接，所述第1、第2单模传感光纤的首端连接第1耦合器，末端分别与第3、第4单模传感光纤熔接相连，所述第3、第4单模传感光纤的另一端与第2耦合器连接，第2耦合器通过引导光缆与所述光电探测器连接，光电探测器通过数据采集线与计算机连接。

所述光电探测器可以采用InGaAs型光电探测器或其它适宜的光电探测器，所述光源可以采用波长为1550纳米的半导体激光器或其它适宜的激光器。

本系统采用分布式光纤监测技术，应用光纤干涉原理，采用与长输管道同沟敷设的通讯光缆中的4根传感光纤构成传感回路，避免了管内流体介质的特性、管道运行状况、管道的工艺流程等因素的限制，提高了监测灵敏度和定位精度。光纤作为传感元件，反应灵敏，反应速度快，具有很宽的响应带宽，完全满足了各种测试信号的要求，从而可以实现真正的实时监测。系统中所采用的各种光电器件均采用现有的各种元器件的工业品，可以在正常的工业环境中安全、可靠地工作，而且工程造价非常低廉，很容易实现。该方法不仅对第三方破坏具有很高的监测灵敏度和定位精度，而且监测系统容易实现、运行可靠。

附图说明

图1是本发明的油气管道泄漏监测系统的组成图；

图2是本发明的油气管道泄漏监测系统的结构示意图；

图3是本发明的定位原理示意图；

图4是本发明采集到的干涉信号。

其中：

1：传感光缆，包括1a、1b、1c、1d；

2：耦合器，包括2a、2b；            3：引导光缆；

4：操作终端；                    5：输油管道；

4a：光电探测器；    4b：光源；   4c：计算机

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1所示为本发明的油气管道泄漏监测系统的组成图，其中在输油管道5上方沿管道铺设的传感光缆1和耦合器2组成了高灵敏度的分布式光纤微振动传感器，用于检测管道沿线的第三方入侵等扰动信号。引导光缆3为传输光纤，不具有传感功能，主要用于传播光波和检测信号。参见图2，操作终端4包括光电探测器4a、光源4b和用于数据采集及信号处理的计算机4c，操作终端4主要用于向分布式光纤微振动传感器中发射光波，同时检测光纤微振动传感器传出的检测信号，通过光电探测器将光信号转变为电信号，然后经过数据采集将数据送入计算机中进行信号处理和数据分析。

图2所示为本发明的系统结构示意图。光源1，例如半导体激光器发出的一束单色光进入1×2耦合器2a后，按功率1∶1分成两束光分别进入传感光纤1a、1b。光纤1a、1b在尾端分别与光纤1c、1d熔接，两束光到达光纤1a、1b尾端以后绕回进入光纤1c、1d，传播回首端，在耦合器2b处汇合发生干涉，干涉光信号通过光电探测器4a转换为电信号，然后通过数据采集线传至计算机4c，进行信号处理与分析。当管道附近有施工或者人为破坏等第三方入侵事件发生时，采集到的信号有特殊特征，通过对信号的分析以及特征信号时间差的计算，可以迅速发出报警并对事件发生地点进行准确定位。

在实时监测过程中，可以实现对外界破坏事件发生地点的定位，其原理为：正向传播的两束光经过破坏事件发生处受到干扰，相位差发生变化，从尾端绕回来以后在首端耦合器处产生干涉信号，同样的两束光在尾端绕回来以后在另两条光纤中逆向传播，再次经过破坏事件发生处受到干扰，到达首端后产生干涉信号，由于正向光和逆向光到达耦合器的路程不同，所以生成的干涉信号之间会有时间差，通过检测到的信号计算出两次干涉信号之间的时间差，就可以确定外界破坏事件发生点的位置。

图3所示为本发明的定位原理示意图，当光纤中传播方向相反的两束光受同一事件影响时，该事件的影响因两束光传播路程的不同而使探测端对同一事件的检测会产生时间差。如图3所示，首端到尾端的距离为L，D点为管道沿线发生扰动的位置，到尾端的距离为x，到首端的距离则为L-x。当扰动发生时，光纤1a、1b中传播的两束光在扰动点处产生相位差，到达耦合器2b产生干涉信号经历的路程为L+x，两束光绕回光纤1c、1d中传播时，在扰动点位置又受到影响产生相位差，到达耦合器2b产生干涉信号经历的路程为L-x，因此在光电探测器的输出信号中可以看到有一定时间差的两个特征相同的特征信号，如图4所示，并且可以得到两特征信号的时间差Δt，通过下面的公式可以计算出发生事件的位置D到尾端的距离x为：

$x=\frac{c\·\mathrm{\Δt}}{2n}---\left(1\right)$

其中，c为光在真空中的传播速度，n是光纤的折射率。

图4所示是通过计算机高速采集的有扰动事件发生时探测器的输出信号，可以看到两个特征一致的特征信号，而且信号之间有一定的延时，通过采集时设定的采样率及自相关算法，可以获得两特征信号的时间差，利用公式(1)可以计算出事件发生的位置。

Claims (2)

1.一种油气管道泄漏监测方法，其特征在于包括以下过程：将一束光通过分布式光纤微振动传感器前端的第1耦合器，按功率1∶1分为两束光分别进入分布式光纤微振动传感器的第1、第2单模传感光纤，到达末端后，所述两束光通过与第1、第2单模传感光纤分别熔接相连的第3、第4单模传感光纤，返回至分布式光纤微振动传感器前端的第2耦合器，在第2耦合器处汇合，产生干涉光信号，两束光在传输过程中，当传感光纤受到外界信号扰动时，干涉光信号发生变化，形成特征信号，根据相邻两个特征信号的时间差对扰动地点进行定位。

2.一种实现权利要求1所述的油气管道泄漏监测方法的装置，包括光源、分布式光纤微振动传感器、光电探测器和用于数据采集及信号处理的计算机，其特征在于：所述的分布式光纤微振动传感器包括位于前端的第1、第2耦合器以及第1～第4单模传感光纤，所述光源通过引导光缆与第1耦合器连接，所述第1、第2单模传感光纤的首端连接第1耦合器，末端分别与第3、第4单模传感光纤熔接相连，所述第3、第4单模传感光纤的另一端与第2耦合器连接，第2耦合器通过引导光缆与所述光电探测器连接，光电探测器通过数据采集线与计算机连接。

Images