CN109140250A - 基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统，为国内管道泄漏的在线监测提供一种创造性方案。分为以下三部分：DTS主机、传感光纤及信息处理系统，采用通用的分布式温度传感系统DTS获得沿传感光纤轴向的温度分布，将传感光纤交叉缠绕在管道外壁上，形成的光纤网格将管道表面分割成鳞片状可用于精确定位的小区域。在信息处理端，依据DTS发送的温度距离曲线进行解码，以实现温度异常点的精确定位。同时，提取每段光纤上由温度场导致的信号强度分布信息，对温度场的梯度分布及变化进行趋势分析，进而推测泄漏量。本发明可实现长距离气液运输管道的温度在线监测，实现管道泄漏的高效检测、准确定位以及泄露趋势判断。

Description

基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统

技术领域

本发明涉及的是管道泄漏监测技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统。

背景技术

管道输送具有安全、高效、经济、环保等优点，可大大减少转运换装环节，实现连续运输，且运输量大、效率高，易于实现自动化管理。在石油、天然气等战略性资源的运输，各电力企业的冷却水传输，北方冬季采暖所需的热量输送等方面都具有非常重要的意义。然而，管道的老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因，泄漏事故仍时有发生。建立管道的监测系统，实现对管道泄漏的实时检测，将可以最大限度地减少经济损失和资源浪费，尽可能地避免环境污染和安全事故的发生，具有极为重要的现实意义。

但是，由于管道泄漏检测的多样性和复杂性，目前国内外还没有一种简单、快速、精确、可靠、通用的管道泄漏检测方法。目前管道安全监测方法有人工巡检法、空气采样法[1]、示踪剂监测法[2、8]、漏磁通监测法[3、8]、超声波监测法[1、4]、管内探测球法[1、5]、负压波监测法[6、8]、压力梯度法[1、7、8]和光纤传感监测法[8、9]等众多方法。但是，空气采样法和人工观察法无法进行连续监测；示踪剂监测法和漏磁通监测法难以实现管道的在线实时监测；超声波监测法的精度较高，但对输送介质比较敏感，且不能实时监测；管内探测球法造价成本高，且探测球很容易堵塞管道；负压波监测方法计算量小，响应时间快，但它要求泄漏是突发性的，如果泄漏速度很慢，没有明显的负压波出现，那么该方法会失效。

光纤传感技术具有测量灵敏度高、抗电磁干扰、抗辐射、耐高压、耐腐蚀、体积小、重量轻等诸多优点，有望解决上述精度不高、不能实时在线监测、易受干扰等问题。英国York Sensors Limited是国际上首家开发光纤分布式测温系统并使之商品化的公司，但该系统不能识别管道沿途温度变化的情况，监测距离较短，且泄漏点定位精度较差。NEC公司采用准分布式光纤泄漏监测法研制出了能在管道长度范围内进行漏油监测的传感器，对水不敏感，可在易燃易爆和高压环境中使用，这种传感器的缺点是容易发生漏检的现象，同时准分布式的传感方式使得传感器的布设成本较高。Kurmer等人[9]开发了基于Sagnac光纤干涉仪原理的管道流体泄漏监测定位系统，该监测方法进行管道泄漏监测时，管道内的压力大小、泄漏量的大小、泄漏点的位置和光纤环的长度等因素都会影响测量的准确性，因此误差较大。

光纤传感技术在温度测量具有一定优势，但在气液管网泄漏监测中，如何实现高精度的管道泄漏点精确定位及实时检测，研制相应的光纤传感器件和系统还需进一步深入。

综上所述，本发明设计并公开了一种基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统。能够准确定位泄漏点，并计算泄漏量。

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发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统，实现长距离运输管道温度的在线监测。通过温度特征提取及相关信息处理，实现气液运输管道泄漏的高效检测、精确定位并对泄露趋势进行预判。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：本发明公开了一种基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统。主要分为以下三部分：DTS主机、传感光纤及信息处理系统，采用通用的分布式温度传感系统DTS获得沿传感光纤轴向的温度分布，将传感光纤交叉缠绕在管道外壁上（一定的螺距/周长比），形成的光纤网格将管道表面分割成鳞片状可用于精确定位的小区域。构成每个“鳞片”的四个光纤段彼此相互独立，因此，每个“鳞片”都可由一组唯一的四位距离编码表示。在信息处理端，依据DTS发送的温度距离曲线进行解码，以实现温度异常点的精确定位。同时，提取每段光纤上由温度场导致的信号强度分布信息，并对温度场的梯度分布及变化进行趋势分析，从而提高异常点的定位精度，并对泄露物的扩散模式、扩散方向和扩散速度进行准确计算，提高泄漏量的预估准确性。本发明通过对长距离气液运输管道的温度在线监测，实现管道泄漏的高效检测、准确定位以及泄露趋势判断。

作为优选，所述的传感光纤交叉缠绕在管道外壁上（一定的螺距/周长比），形成的光纤网格将管道表面分割成鳞片状可用于精确定位的小区域。构成每个“鳞片”的四个光纤段彼此相互独立，因此，每个“鳞片”都可由一组唯一的四位距离编码表示。在信息处理端，依据DTS发送的温度距离曲线进行解码，以实现温度异常点的精确定位。该方法可极大地提高检测精度和准确性。并且，可以根据精度要求和成本考虑来设定不同的螺距/周长比，以及传感信道数量和长度。

作为优选，可以根据DTS的温度距离曲线，提取每段光纤上由温度场导致的信号强度分布信息，对温度场的梯度分布及变化进行趋势分析，从而提高异常点的定位精度，并可对泄露物的扩散模式、扩散方向和扩散速度进行准确计算，提高泄漏量的预估准确性。

本发明具有以下有益效果：

(1)基于气液运输管道不同位置泄漏点的温度场分布仿真模型，结合泄漏点附近的温度梯度场，全面系统地分析泄漏形成的气液运输管道温度场的空域、时域信息。

(2)突破长距离分布式光纤温度测量难题，对于不同状况干扰下的气液管网泄漏准确识别技术和传感器现场布设相关工艺提供一种新方法。开发长距离分布式光纤气液运输管道泄漏实时在线监测系统，填补国内该领域专用设备的空白。

(3)针对气液运输管道实际监测环境噪声干扰复杂，传统信号处理技术误报和漏报率高的问题，结合温度的统计特征提取技术，将管道温度信息进行优化处理，并进行梯度场拟合，提高气液运输管道泄漏监测的准确性泄漏点定位的精确性，并对泄露趋势进行精准研判。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的系统架构图；

图2为图1的（A部放大示意图）光纤交叉缠绕方式及展开示意图；

图3为本发明的DTS主机采用的背向散射传感原理图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-图3，本具体实施方式采用以下技术方案：基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统，它涉及管道泄漏监测技术领域。它主要分为以下三部分：DTS主机、传感光纤及信息处理系统，采用通用的分布式温度传感系统DTS获得沿传感光纤轴向的温度分布。将传感光纤交叉缠绕在管道外壁上（一定的螺距/周长比），形成的光纤网格将管道表面分割成鳞片状可用于精确定位的小区域。构成每个“鳞片”的四个光纤段彼此相互独立，因此，每个“鳞片”都可由一组唯一的四位距离编码表示。在信息处理端，依据DTS发送的温度距离曲线进行解码，以实现温度异常点的精确定位。同时，提取每段光纤上由温度场导致的信号强度分布信息，对温度场的梯度分布及变化进行趋势分析，从而提高异常点的定位精度，并对泄露物的扩散模式、扩散方向和扩散速度进行准确计算，提高泄漏量的预估准确性。本发明可实现长距离气液运输管道的温度在线监测。同时，提取温度场的空域、时域特征并进行信息处理，可实现管道泄漏的高效检测、准确定位以及泄露趋势判断。

值得注意的是，所述的传感光纤的缠绕方式：传感光纤交叉缠绕在管道外壁上（一定的螺距/周长比），形成的光纤网格将管道表面分割成鳞片状可用于精确定位的小区域。构成每个“鳞片”的四个光纤段彼此相互独立，因此，每个“鳞片”都可由一组唯一的四位距离编码表示。任何两个相邻“鳞片”的代码中都会有不同信道，或者相距甚远的距离代码可供区分，因此极大的提高了定位精度及可靠性。

值得注意的是，可以根据精度要求和成本考量来设定不同的螺距/周长比以及传感信道数量和长度。

此外，在精确定位的同时，可以根据DTS的温度距离曲线，提取每段光纤上由温度场导致的信号强度分布信息，并对温度场的梯度分布及变化进行趋势分析，从而提高温度异常点的定位精度，并可对泄露物的扩散模式、扩散方向和扩散速度进行准确计算，提高泄漏量的预估准确性。

本具体实施方式将光纤的常规硅胶类涂覆层改为金属基聚酰亚胺类复合材料涂覆层，以提升传热特性，同时提升其抗氢、耐水、耐辐射、耐高温特性；而在外部的铠装上，既可以采用常规的铠装保护，也可以用柔性良好的毛细钢管代替常规铠装层。采用特种吹送工艺，将传感光纤送入毛细钢管中、并灌入导热介质，从而既保持其传热特性、温敏效果，又增强其机械强度，提升耐辐射及抗冲击能力。以上所述仅为一例，具体传感光纤的保护将根据管道传输物的高、低温特性、管道材质、保温层特性等有所不同。

本具体实施方式采用了以下技术原理：

分布式测温（Distributed Temperature Sensing, DTS）原理：

光纤测温的原理是依据后向拉曼（Raman）散射效应。激光脉冲从光纤中的一端进入，在向前传播中光纤分子相互作用，发生多种类型的散射。其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯（Stokes）光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯（Anti-Stokes）光。反斯托克斯光信号的强度对温度影响比较敏感。从光波导内任何一点的反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号强度的比例中，可以得到该点的温度信息。利用光时域反射（OTDR）原理即通过光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些热点进行定位。利用以上技术原理即可实现对沿光纤温度场的分布式测量。

总的来说：分布式光纤测温监测的原理是依据后向拉曼散射效应，激光脉冲从光纤中的一端进入，在向前传播中与光纤分子相互作用，发生多种类型的散射。其中拉曼散射光的强度对温度影响比较敏感。因此，利用光时域反射（OTDR）原理可实现对光纤沿线温度场的分布式测量，

本具体实施方式采用分布式光纤传感技术实时获取泄漏点附近的温度梯度场，通过信息处理对泄漏点进行精确定位，并分析泄露趋势，推测泄漏量。既可以采用直接的光纤缠绕分布方式；也可以在管道某个涂层中（如高温管道的隔热层/绝缘层等） 嵌入分布式光纤。

实施例1：基于分布式光纤传感的管道泄漏精确监测系统，包括控制室（DTS主机1、光开关2）、贯穿件3、安全壳4、待测管道5和传感光纤6，控制室内设置有DTS主机1、光开关2；DTS与光开关2相连，并通过光开关2控制传感信道数量；传感光纤6一端接入主机，另一端穿过贯穿件3缠绕在管道5上；贯穿件3设置在安全壳4上；所述的传感光纤6上设置有金属基聚酰亚胺类复合材料涂覆层。所述的传感光纤6外部铠装层上设置有毛细钢管，毛细钢管内灌有导热介质。所述的毛细钢管上还设置有专用的压扣连接头以解决金属铠装光缆现场连接的工艺性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统，其特征在于,包括以下三部分：DTS主机、传感光纤及信息处理系统，采用通用的分布式温度传感系统DTS获得沿传感光纤轴向的温度分布，将传感光纤交叉缠绕在管道外壁上，形成的光纤网格将管道表面分割成鳞片状可用于精确定位的小区域，构成每个“鳞片”的四个光纤段彼此相互独立，每个“鳞片”由一组唯一的四位距离编码表示；在信息处理端，依据DTS发送的温度距离曲线进行解码，以实现对泄露导致温度异常点的精确定位。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统，其特征在于，所述的传感光纤的交叉缠绕方式：将传感光纤交叉缠绕在管道外壁上，形成的光纤网格将管道表面分割成鳞片状可用于精确定位的小区域；根据精度要求和成本考量来设定不同的螺距/周长比以及铺设光纤的数量及长度。

3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的气液运输管道泄漏点在线监测系统，其特征在于，信息的处理与解码可以大幅度提高泄漏点的定位精度并对泄露物的扩散模式、扩散方向和扩散速度进行准确计算：在信息处理端，依据DTS发送的温度距离曲线进行位置解码，以实现温度异常点的精确空间定位；同时，根据DTS的实时温度距离曲线，提取每段光纤上温度场的空域及时域信息，对温度场的梯度分布及变化进行趋势分析，从而提高温度异常点的定位精度，并对泄露物的扩散模式、扩散方向和扩散速度进行准确计算，提高泄漏量的预估准确性。