CN109442561A - 一种分布式热力管道泄漏监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式热力管道泄漏监测系统，该系统包括光纤温度测量主机、工控机、测温光缆，其中：光纤温度测量主机，包含N个测温通道，每个测温通道对应连接一条测温光缆，测温光缆以热力管道为载体沿管路全程敷设，测温通道向测温光缆发送脉冲光信号，实时采集测温光缆内发回的散射光，根据测温光缆的折射率以及散射光光强，得到热力管道上全线的温度与温变速率数值曲线，并通过不同监测部位上所敷设光缆距光纤温度测量主机的长度，确定所需监测部位的平均温度和最大温变速率，并根据设定的温变速率阈值判定每根热力管道是否处于泄漏状态。

Description

一种分布式热力管道泄漏监测系统

技术领域

本发明属于热力系统在线监测和测量技术领域，具体涉及一种分布式热力管道泄漏监测系统。

背景技术

热力管道是城市或园区供热系统的基础构件，是供热工质输往建筑物热力入口的流通路径。为节约占地面积，目前热力管道基本采用埋地敷设的施工方式，然而地下土壤中含有空气、水分、盐类以及酸碱类等多种物质，其复杂的环境易对热力管道尤其是管路中的阀门、过滤器、分水器、集水器及管道连接处等位置产生腐蚀从而形成管道泄漏，造成严重浪费能源、缩短管道寿命等问题，甚至可能酿成重大安全事故，因此有必要实时对热力管道进行有效泄漏监测。

目前国内对热力管道的泄漏监测技术主要分为三类：人工监测、声振监测技术以及温度监测技术。

国内很多供热公司依据实际情况，仍采用人工方式的泄漏监测方法，工程人员依靠自己丰富的实践经验，根据供热管道的声音、振动、温度和其他物理性质的异常变化情况，可以较准确地判断出泄漏的位置。此方法虽然简单方便，但环境和人为因素造成的干扰很大，精确度低，不能实时监测管道泄漏和快速确定泄漏点。

声振监测技术是利用专业传感设备实时监测热力管道上的声学振动信号，当管道发生泄漏时，在泄漏点处将产生一个连续性的特殊声波信号，提取声波传输时间后可对泄漏点进行定位。尽管声振监测技术监测覆盖范围广，技术手段安全，但目前采用声振技术进行热力管道泄漏监测的精确度较低，主要原因在于环境噪声难以滤除。管道中的水流冲击、车辆和工矿施工的振动源、长距离下环境对声波的吸收与衰减等都会严重影响监测效果。

热力管道发生泄漏后，会引起管壁及周围环境的温度变化，温度监测技术即是通过监测热力管道壁面及管道周围环境的实时温度变化情况来实现泄漏监测。温度传感与监测有多种技术手段，但是由于热力管道为长线运输，采用红外线热成像技术以及普通点式温度传感器对管网全线覆盖并实时监测温度时，系统结构复杂、运行与维护成本较高。

如果以分布式光纤温度传感器(Distributed Temperature Sensor，DTS)作为监测手段，可以直接将光纤作为传感器，以热力管道为载体沿管路全程敷设，从而实现对热力管道的无盲区泄漏监测，并根据光信号收发时差来进行精准定位。将DTS主机进一步与配备显示器的工控机结合，通过以太网络传输数据，可以组成热力管道泄漏监测系统，对热力管路进行远程、实时、无盲区泄漏监测，及时发现异常点，消除隐患，保障热力管网的安全和高质量运行。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种分布式热力管道泄漏监测系统，以实现远程、实时、无盲区地对热力管道进行在线泄漏监测，精准定位温度异常点并消除管道隐患。

本发明的技术解决方案是：一种分布式热力管道泄漏监测系统，包括光纤温度测量主机、工控机、测温光缆，其中：

光纤温度测量主机，包含N个测温通道，每个测温通道对应连接一条测温光缆，测温光缆以热力管道为载体沿管路全程敷设，测温通道向测温光缆发送脉冲光信号，实时采集测温光缆内发回的散射光，根据测温光缆的折射率以及散射光光强，得到热力管道上全线的温度与温变速率数值曲线，并通过不同监测部位上所敷设光缆距光纤温度测量主机的长度，确定所需监测部位的平均温度和最大温变速率，并根据设定的温变速率阈值判定每根热力管道是否处于泄漏状态。

所述绘制测温光缆全线的温度与温变速率数值曲线的具体方法如下：

(2-1)、测温通道向测温光缆发送一束脉冲光信号，此脉冲光信号在测温光缆内传输的过程中，光纤温度测量主机实时采集测温光缆内不同位置处发回的散射光；

(2-2)、根据测温光缆内部不同位置点发回的散射光光强解调出对应的温度值，计算测温光缆内发回散射光的不同位置点距离测温光缆与光纤温度测量主机端连接处的长度L_M，从而得到测温光缆全线的温度数值曲线；

(2-3)、光纤温度测量主机通过不断采集，得到测温光缆曲线的历史温度数据，并对不同位置的历史温度数据关于时间求导，即可得到测温光缆全线的温变速率数值曲线。

测温光缆内发回散射光的不同位置点距离测温光缆与光纤温度测量主机端连接处的长度L_M的计算公式为：

其中，c是光在真空中的速度；M是测温光缆内发回散射光的位置点序号；I_re是测温光缆的折射率；A是光纤温度测量主机的采样频率；L_M是测温光缆内第M个发回散射光的位置点距离测温光缆与光纤温度测量主机端连接处的长度。

所述各测温光缆的折射率通过如下方法标定：

(4-1)、在测温光缆敷设过程中记录尾端预留光缆环的起始米标和终点米标，从而得到尾端光缆环的长度d；

(4-2)、改变尾端光缆环的温度，使之不低于环境温度的2倍；

(4-3)、光纤温度测量主机根据测温光缆标称折射率I_re'，得到测温光缆全线的温度数值曲线，读取温度数值曲线尾部处于高温的直线段所对应的坐标轴长度值，即为光纤温度测量主机在测温光缆标称折射率I_re'下所测得的光缆环长度d'；

(4-4)、计算测温光缆的折射率的实际折射率I_re：

根据所需监测部位上所敷设光缆距光纤温度测量主机的长度，确定所需监测部位的温度数据，具体方法为：

(5-1)、在测温光缆敷设过程中记录测温光缆与光纤温度测量主机端连接处的起始米标、所需监测部位上所敷设光缆的起始米标和终点米标；

(5-2)、以测温光缆与光纤温度测量主机连接的端点作为基准点，根据光缆米标计算出所需监测部位起始位置相对于基准点的距离dn1和结束位置相对于基准点的距离dn2，n≥1,代表不同的监测部位；

(5-3)、根据光纤温度测量主机得到的测温光缆全线温度与温变速率数值曲线，确定横坐标位于dn1与dn2之间的平均温度和最大温变速率，作为所需监测部位的温度数据。

所述测温光缆按照螺旋方式缠绕在热力管道外部。

所述测温光缆纤芯为62.5/125μm多模光纤，纤芯位于填充有光线油膏的不锈钢无缝钢管内，无缝钢管外部采用不锈钢丝绞合加强，不锈钢丝外层采用特氟龙护套防护。

在热力管路中的阀门、过滤器、分水器、集水器及管道连接处，测温光缆(4)采用零螺距的螺旋绕制方式进行敷设，绕制长度不小于0.5m；在其他部位，测温光缆采用等螺距不大于10cm的方式绕制。

在热力管道末端，测温光缆的尾端光缆环的长度不小于20m。

所述光纤温度测量主机与工控机之间采用以太网络进行数据通讯。

工控机根据预设的温变速率阈值判定管道是否处于泄漏状态的原则为：

定义热力管道在非供暖阶段泄露时的最大降温速率为第一阈值；热力管道在运行阶段泄露时的最大升温速率为第二阈值；

当第一阈值＜温变速率＜第二阈值时，认为热力管道运行正常；当温变速率≤第一阈值或温变速率≥第二阈值时，认为热力管道发生泄漏。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明将管道泄漏监测专用测温光缆作为传感器，实时采集管路不同监测部位的温度信息并进行平均温度及最大温变速率运算，并以最大温变速率超过设定阈值作为判定手段，在实现对热力管道全线泄漏监测的同时，可以迅速探测到管道泄漏情况，对泄漏点进行准确定位并产生报警；

(2)、本发明采用光纤作为传感器，其环境适应性强，本征安全，防雷防爆，抗电磁干扰，耐高温、耐腐蚀；

(3)、本发明光纤温度测量主机可以分布式监控和处理温度数据，实现分区分级报警，可通过软件对监控区域划分若干分区，不同区域可设置不同的报警阈值，互不影响，对重点部位重点防范，并对泄漏事件及时报警并准确定位，以文字、地图等形式显示报警事件信息，方便运维管理人员及时掌握泄漏情况；(4)、本发明光纤温度测量主机DTS能够进行多通道巡检，实现高度智能化与集约化管理；

(5)、本发明采取以太网络进行数据传输，并辅以工控机、显示器实现对热力管道的远程、实时、无盲区泄漏监测，及时发现异常点，消除隐患，保障热力管网的安全和高质量运行。

附图说明

图1为本发明的热力管道监测系统结构示意图；

图2为本发明的测温光缆沿热力管道敷设方式示意图；

图3位本发明的测温光缆结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实例对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种分布式热力管道泄漏监测系统，该系统包括光纤温度测量主机1、工控机2、显示器3、测温光缆4和网线5。其中：

光纤温度测量主机1，包含N个测温通道，每个测温通道对应连接一条测温光缆4，测温光缆4以热力管道6为载体沿管路全程敷设，测温通道向测温光缆4发送脉冲光信号，实时采集测温光缆4内发回的散射光，根据测温光缆4的折射率以及散射光光强，得到热力管道6上全线的温度与温变速率数值曲线，并通过不同监测部位上所敷设光缆距光纤温度测量主机的长度，确定所需监测部位的平均温度和最大温变速率，并根据设定的温变速率阈值判定每根热力管道6是否处于泄漏状态。

如图2所示，所述测温光缆4以热力管道6为载体按照螺旋方式缠绕在热力管道6外部，其中在热力管道6的阀门7、过滤器8、分水器(集水器)9及管道连接处10等重点监测部位，测温光缆4采用零螺距的螺旋绕制方式进行敷设，绕制长度不小于0.5m；在其他非重点监测部位，测温光缆4采用等螺距不大于10cm方式绕制；在热力管道6末端，测温光缆4应预留长度不小于20m的光缆环11用作测温光缆实际折射率标定。

如图3所示，热力管道6泄漏监测系统所用的测温光缆4为管道泄漏监测专用光缆，纤芯为62.5/125μm标准多模光纤，纤芯位13于不锈钢无缝钢管14内，无缝钢管14内部填充光纤油膏15，无缝钢管14外部采用不锈钢丝16绞合加强，其外层采用特氟龙护套17防护。

所述光纤温度测量主机1与工控机2之间采用以太网络进行数据通讯，并且采取MODBUS-TCP协议进行通信。

所述绘制测温光缆4全线的温度与温变速率数值曲线的具体方法如下：

(2-1)、测温通道6向测温光缆4发送一束脉冲光信号，在此脉冲光信号在测温光缆内传输的过程中，光纤温度测量主机实时采集测温光缆4内不同位置处发回的散射光；

(2-2)、根据测温光缆4内部不同位置点发回的散射光光强解调出对应的温度值，计算测温光缆4内发回散射光的不同位置点距离测温光缆与光纤温度测量主机端连接处的长度L_M，从而得到测温光缆4全线的温度数值曲线；

测温光缆6内发回散射光的不同位置点距离测温光缆4与光纤温度测量主机端连接处的长度L_M的计算公式为：

其中，c是光在真空中的速度；M是测温光缆4内发回散射光的位置点序号；I_re是测温光缆4的折射率；A是光纤温度测量主机的采样频率；L_M是测温光缆内第M个发回散射光的位置点距离测温光缆4与光纤温度测量主机端连接处的长度。

(2-3)、光纤温度测量主机1通过不断采集，得到测温光缆4曲线的历史温度数据，并对不同位置的历史温度数据关于时间求导，即可得到测温光缆全线的温变速率数值曲线。

然而，测温光缆的标称折射率并不准确，因此，将光纤温度测量主机1上的测温光缆4沿热力管道6敷设完成后，对所有测温光缆的实际折射率进行标定。

所述各测温光缆4的实际折射率通过如下方法标定：

(3-1)、在测温光缆4敷设过程中记录尾端预留光缆环的起始米标和终点米标，从而得到尾端光缆环的长度d；

(3-2)、改变尾端光缆环的温度，使之不低于环境温度的2倍；

(3-3)、光纤温度测量主机1根据测温光缆4标称折射率I_re'，得到测温光缆4全线的温度数值曲线，读取温度数值曲线尾部处于高温的直线段所对应的坐标轴长度值，即为光纤温度测量主机1在测温光缆标称折射率I_re'下所测得的光缆环长度d'；

(3-4)、计算测温光缆的折射率的实际折射率I_re：

根据所需监测部位上所敷设测温光缆4距光纤温度测量主机1的长度，确定所需监测部位的温度数据，具体方法为：

(5-1)、在测温光缆敷设过程中记录测温光缆4与光纤温度测量主机1连接处的起始米标、所需监测部位上所敷设光缆的起始米标和终点米标；

(5-2)、以测温光缆4与光纤温度测量主机1连接的端点作为基准点，根据光缆米标计算出所需监测部位起始位置相对于基准点的距离dn1和结束位置相对于基准点的距离dn2，n≥1,代表不同的监测部位；

(5-3)、根据光纤温度测量主机1得到的测温光缆4全线温度与温变速率数值曲线，确定横坐标位于dn1与dn2之间的平均温度和最大温变速率，作为所需监测部位的温度数据。

DTS主机1可以将采集得到的热力管道6上不同监测部位的温度数据进行运算，得到该部位的平均温度和最大温变速率，同时采用基于MODBUS-TCP协议的以太网络将数据传输至工控机2，工控机2通过显示器3呈现不同管道不同监测部位的实时平均温度和最大温变速率，并根据预设的温变速率阈值判定管道是否处于泄漏状态，工控机根据预设的温变速率阈值判定管道是否处于泄漏状态的原则为：

定义热力管道在非供暖阶段泄露时的最大降温速率为第一阈值；热力管道在运行阶段泄露时的最大升温速率为第二阈值；

当第一阈值＜温变速率＜第二阈值时，认为热力管道运行正常，不触发泄露报警，；当温变速率≤第一阈值或温变速率≥第二阈值时，认为热力管道发生泄漏，触发泄露报警。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

本说明书未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (11)

1.一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于包括光纤温度测量主机(1)、工控机(2)、测温光缆(4)，其中：

光纤温度测量主机(1)，包含N个测温通道，每个测温通道对应连接一条测温光缆(4)，测温光缆(4)以热力管道(6)为载体沿管路全程敷设，测温通道向测温光缆(4)发送脉冲光信号，实时采集测温光缆(4)内发回的散射光，根据测温光缆(4)的折射率以及散射光光强，得到热力管道(6)上全线的温度与温变速率数值曲线，并通过不同监测部位上所敷设光缆(4)距光纤温度测量主机(1)的长度，确定所需监测部位的平均温度和最大温变速率，并根据设定的温变速率阈值判定每根热力管道(6)是否处于泄漏状态。

2.根据权利要求1所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于所述绘制测温光缆(4)全线的温度与温变速率数值曲线的具体方法如下：

(2-1)、测温通道向测温光缆(4)发送一束脉冲光信号，此脉冲光信号在测温光缆(4)内传输的过程中，光纤温度测量主机(1)实时采集测温光缆(4)内不同位置处发回的散射光；

(2-2)、根据测温光缆(4)内部不同位置点发回的散射光光强解调出对应的温度值，计算测温光缆(4)内发回散射光的不同位置点距离测温光缆与光纤温度测量主机端连接处的长度L_M，从而得到测温光缆(4)全线的温度数值曲线；

(2-3)、光纤温度测量主机(1)通过不断采集，得到测温光缆(4)曲线的历史温度数据，并对不同位置的历史温度数据关于时间求导，即可得到测温光缆全线的温变速率数值曲线。

3.根据权利要求2所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于测温光缆(4)内发回散射光的不同位置点距离测温光缆(4)与光纤温度测量主机端连接处的长度L_M的计算公式为：

其中，c是光在真空中的速度；M是测温光缆(4)内发回散射光的位置点序号；I_re是测温光缆(4)的折射率；A是光纤温度测量主机(1)的采样频率；L_M是测温光缆(4)内第M个发回散射光的位置点距离测温光缆(4)与光纤温度测量主机(1)端连接处的长度。

4.根据权利要求1所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于所述各测温光缆(4)的折射率通过如下方法标定：

(4-1)、在测温光缆(4)敷设过程中记录尾端预留光缆环的起始米标和终点米标，从而得到尾端光缆环的长度d；

(4-2)、改变尾端光缆环的温度，使之不低于环境温度的2倍；

(4-3)、光纤温度测量主机(1)根据测温光缆标称折射率I_re'，得到测温光缆(4)全线的温度数值曲线，读取温度数值曲线尾部处于高温的直线段所对应的坐标轴长度值，即为光纤温度测量主机(1)在测温光缆标称折射率I_re'下所测得的光缆环长度d'；

(4-4)、计算测温光缆(4)的折射率的实际折射率I_re：

5.根据权利要求1所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于根据所需监测部位上所敷设光缆(4)距光纤温度测量主机(1)的长度，确定所需监测部位的温度数据，具体方法为：

(5-1)、在测温光缆敷设过程中记录测温光缆(4)与光纤温度测量主机(1)端连接处的起始米标、所需监测部位上所敷设光缆的起始米标和终点米标；

(5-2)、以测温光缆(4)与光纤温度测量主机(1)连接的端点作为基准点，根据光缆米标计算出所需监测部位起始位置相对于基准点的距离dn1和结束位置相对于基准点的距离dn2，n≥1,代表不同的监测部位；

(5-3)、根据光纤温度测量主机得到的测温光缆(4)全线温度与温变速率数值曲线，确定横坐标位于dn1与dn2之间的平均温度和最大温变速率，作为所需监测部位的温度数据。

6.根据权利要求1所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于所述测温光缆按照螺旋方式缠绕在热力管道(6)外部。

7.根据权利要求1所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于所述测温光缆纤芯为62.5/125μm多模光纤，纤芯位于填充有光纤油膏的不锈钢无缝钢管内，无缝钢管外部采用不锈钢丝绞合加强，不锈钢丝外层采用特氟龙护套防护。

8.根据权利要求1所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于在热力管路中的阀门、过滤器、分水器、集水器及管道连接处，测温光缆(4)采用零螺距的螺旋绕制方式进行敷设，绕制长度不小于0.5m；在其他部位，测温光缆(4)采用等螺距不大于10cm的方式绕制。

9.根据权利要求1所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于在热力管道末端，测温光缆(4)的尾端光缆环的长度不小于20m。

10.根据权利要求1所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于所述光纤温度测量主机(1)与工控机(2)之间采用以太网络进行数据通讯。

11.根据权利要求书1所述的一种分布式热力管道泄漏监测系统，其特征在于工控机(2)根据预设的温变速率阈值判定管道是否处于泄漏状态的原则为：

定义热力管道(6)在非供暖阶段泄露时的最大降温速率为第一阈值；热力管道在运行阶段泄露时的最大升温速率为第二阈值；

当第一阈值＜温变速率＜第二阈值时，认为热力管道运行正常；当温变速率≤第一阈值或温变速率≥第二阈值时，认为热力管道发生泄漏。