CN107607274A - 基于awg阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统，涉及天然气预警技术领域。包括用于检测天然气站场工艺设备泄漏信号产生的超声波的AWG传感单元；用于AWG传感单元信号处理终端；用于控制信号处理终端的控制中心。本发明通过采用传感器和传输信号均为光纤介质，无源，本质安全，全光纤组网，适合石油化工等易燃易爆场所，具有防爆，安全性能好；通过同一根光缆可以串联若干AWG传感单元，每个AWG传感单元为一个高灵敏超声波传感器，可检测泄漏信号产生的超声波，进而检测是否泄漏天然气及其泄漏天然气工艺设备的位置；通过采用FBG构成的AWG声音信号检测单元具有很高的灵敏度和MHz的频率响应范围，适合对泄漏产生的超声波信号进行检测。

Description

基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统

技术领域

本发明属于天然气预警技术领域，特别是涉及基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统。

背景技术

天然气是一种易燃易爆气体，成份主要由甲烷组成，其性质与纯甲烷相似，相对密度(空气＝1)q＝0.55,如发生泄漏能迅速在空气中扩散，当与空气混合浓度达到5％-15％范围时，形成爆炸性混合物；遇热源、明火时有火灾、爆炸危险。天然气属“单纯窒息性”气体，高浓度时因缺氧而引起人员窒息。空气中天然气浓度达到25％-30％时，出现头昏、呼吸加速、运动失调。另外天然气与五氟化溴、氯气、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化溴、强氧化剂等接触能够剧烈反应，极易引发中毒窒息、火灾和爆炸等事故。

在导致天然气泄漏事故的安全隐患中，人的不安全行为是主要风险因素之一，具体表现为企业员工安全教育不到位，部分人员安全生产意识淡薄、主观上麻痹大意，在生产过程中不遵守安全操作规程、违章作业，导致泄漏事故发生。

另外，第三方的人为损坏也是目前导致天然气泄漏事故的一个突出问题，城市给排水工程、热力工程、强弱电工程等施工单位未取得其施工范围内反映地下管线位置的详尽技术资料就擅自开工，盲目施工导致天然气管道断裂，造成天然气泄漏。

天然气生产经营单位作为高危经营行业，只有建立科学、规范、统一、高效的燃气事故预警及应急救援体系，才能提高供气管辖区域内燃气防灾和减灾的综合管理能力和抗风险能力，才能在城镇天然气供气区域发生安全事故时，迅速启动应急救援行动，快速、积极、有序地控制事故蔓延和处置生产安全事故，并尽快恢复燃气供应，最大限度的减少燃气事故对人民生命财产的威胁和危害。

天然气的开发和利用离不开天然气集输系统，其中集气站则是重要的一环。由于天然气集气站生产的连续性、工业技术的复杂性、生产介质的易燃易爆及有毒性等特点，集气站生产的安全问题显得尤为突出。目前，天然气集气站站控系统SCADA(数据采集与监视控制系统)，主要功能是对集气站各节点和元件的压力、温度、流量、液位(油水分离液位、水位)等进行监控，以保证各参数符合工艺要求，同时防止天然气水合物的形成。存在主要问题是数据采集点少，信号处理精度不高，无泄漏报警和定位，误报率高等缺点。为保证集气站的安全运行，建立独立于生产过程控制之外的安全控制系统，实时、准确地监控站场天然气泄漏，显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统，通过采用传感器和传输信号均为光纤介质；通过采用FBG构成的AWG声音信号检测单元具有很高的灵敏度和MHz的频率响应范围，适合对泄漏产生的超声波信号进行检测。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统，包括用于检测天然气站场工艺设备泄漏信号产生的超声波的AWG传感单元；用于AWG传感单元信号处理终端；用于控制信号处理终端的控制中心。

进一步地，所述AWG传感单元串联在光缆上；所述AWG传感单元与工艺设备相对应。

进一步地，所述工艺设备通过三个及以上的AWG传感单元进行检测定位。

进一步地，所述AWG传感单元对工艺设备的检测定位方法具体包括：

SS01在工艺设备周侧布置若干AWG传感单元；所述AWG传感单元依次通过光缆串联；

SS02检测工艺设备是否泄漏天然气，若是，则对应位置的AWG传感单元的频率、幅度特征发生改变；若否，则对应位置的AWG传感单元的频率、幅度特征无改变；

SS03确认泄漏工艺设备的位置。通过三个AWG传感单元形成三角形方位的分布，工艺设备位于该三个AWG传感单元形成的三角形内，主要原理对于任意三角形，边长知道，三角形中间某一点到三个顶点的距离已知，根据余弦公式可以求出该点相对三个顶点的位置。

进一步地，所述控制中心的预警方法具体包括：

步骤一，AWG传感单元检测到工艺设备发生天然气泄漏，当工艺设备发生天然气泄漏时产生声波的变化；

步骤二，AWG传感单元检测到的信号通过中央处理器进行信号处理，得到信号的频率信息、时频特征、功率谱能量分布；

步骤三，分析得出工艺设备发生天然气泄漏的泄漏位置和泄漏大小；

步骤四，分级预警，将预警等级分成1-n级，n小于10。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采用传感器和传输信号均为光纤介质，无源，本质安全，全光纤组网，适合石油化工等易燃易爆场所，具有防爆，安全性能好。

2、本发明通过同一根光缆可以串联若干AWG传感单元，每个AWG传感单元为一个高灵敏超声波传感器，可检测泄漏信号产生的超声波，进而检测是否泄漏天然气及其泄漏天然气工艺设备的位置。

3、本发明通过采用FBG构成的AWG声音信号检测单元具有很高的灵敏度和MHz的频率响应范围，适合对泄漏产生的超声波信号进行检测。

4、本发明通过采用每三个AWG传感单元可以精确定位工艺设备泄漏的位置，通过将多个分布的AWG串联构成可定位的传感器。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统图；

图2为AWG传感单元对天然气站场工艺设备的定位分布图；

图3为控制中心的预警的流程图；

图4为典型泄漏信号频率随时间变化的短时傅立叶变换结果；

图5为AWG的解调原理图；

图6为AWG传感单元对工艺设备的检测定位示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

FBG FiberBragg Grating，即为光纤光栅，又称光纤布拉格光栅。

AWGArrayedWaveguide Grating，即阵列波导光栅。

光纤光栅传感器Fiber Grating Sensor属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格Bragg波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。

请参阅图1-2所示，本发明为一种基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统，包括用于检测天然气站场工艺设备泄漏信号产生的超声波的AWG传感单元；用于AWG传感单元信号处理终端；用于控制信号处理终端的控制中心。

其中，AWG传感单元串联在光缆上；所述AWG传感单元与工艺设备相对应。

其中，工艺设备通过三个及以上的AWG传感单元进行检测定位。

其中如图6所示，AWG传感单元对工艺设备的检测定位方法具体包括：

SS01在工艺设备周侧布置若干AWG传感单元；所述AWG传感单元依次通过光缆串联；

SS02检测工艺设备是否泄漏天然气，若是，则对应位置的AWG传感单元的频率、幅度特征发生改变；若否，则对应位置的AWG传感单元的频率、幅度特征无改变；

SS03确认泄漏工艺设备的位置。

首先，已经确认AWG1、AWG2、AWG3三点之间的距离，设相邻两点的距离为L1、L2、L3，未知泄漏设备为X；则X分别到AWG1、AWG2、AWG3三点的距离由以下公式得到：

X＝C_g·ΔT；其中C_g为泄漏气体声音在空气中的传播速度；ΔT为AWG解调系统检测到的有泄漏声音信号的时刻。

其中如图3所示，控制中心的预警方法具体包括：

步骤一，AWG传感单元检测到工艺设备发生天然气泄漏，当工艺设备发生天然气泄漏时产生声波的变化；

步骤二，AWG传感单元检测到的信号通过中央处理器进行信号处理，得到信号的频率信息、时频特征、功率谱能量分布；

步骤三，分析得出工艺设备发生天然气泄漏的泄漏位置和泄漏大小；

步骤四，分级预警，将预警等级分成1-2级，一级用于停车工艺设备的预警，二级用于消防联动的预警。

如图4所示，为典型泄漏信号频率随时间变化的短时傅立叶变换结果。泄漏发生后频率可达70KHz，然后快速衰减。

如图5所示，为AWG的解调原理，当有超声波1作用在AWG传感单元上时，AWG传感单元包括外护套2和FBG的光栅敏感区3；FBG的光栅敏感区3受到超声波信号的调制而产生振动，相应的光栅发生收缩，导致波长发生移动。该移动量被AWG解调系统解调转换成电信号，将超声波信号恢复。

对于具体的一个工艺设备监测，如法兰，阀门等。具体来说3个AWG传感单元成等腰三角形排列在工艺设备周围。当该工艺设备有潜在泄漏发生时，由于天然气站场设备为压力容器，泄漏会使压力产生突变，在小孔径下会产生高频超声波信号。通过AWG传感单元检测该频率的范围，幅度大小，可以反推得到泄漏量。通过泄漏点产生超声波信号传输到AWG传感单元的时间，可以计算得到泄漏的位置。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统，其特征在于，包括：

用于检测天然气站场工艺设备泄漏信号产生的超声波的AWG传感单元；

用于AWG传感单元信号处理终端；

用于控制信号处理终端的控制中心。

2.根据权利要求1所述的基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统，其特征在于，所述AWG传感单元串联在光缆上；所述AWG传感单元与工艺设备相对应。

3.根据权利要求1所述的基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统，其特征在于，所述工艺设备通过三个及以上的AWG传感单元进行检测定位。

4.根据权利要求3所述的基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统，其特征在于，所述AWG传感单元对工艺设备的检测定位方法具体包括：

SS01在工艺设备周侧布置若干AWG传感单元；所述AWG传感单元依次通过光缆串联；

SS02检测工艺设备是否泄漏天然气，若是，则对应位置的AWG传感单元的频率、幅度特征发生改变；若否，则对应位置的AWG传感单元的频率、幅度特征无改变；

SS03确认泄漏工艺设备的位置。

5.根据权利要求1所述的基于AWG阵列光波导的天然气站场泄漏预警系统，其特征在于，所述控制中心的预警方法具体包括：

步骤一，AWG传感单元检测到工艺设备发生天然气泄漏，当工艺设备发生天然气泄漏时产生声波的变化；

步骤二，AWG传感单元检测到的信号通过中央处理器进行信号处理，得到信号的频率信息、时频特征、功率谱能量分布；

步骤三，分析得出工艺设备发生天然气泄漏的泄漏位置和泄漏大小；步骤四，分级预警。