CN215174221U - 基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统，通过分别敷设在燃气管道上方的分布式测温光纤和与管顶外壁平齐的分布式振动光纤感知燃气管道周围区域土壤温度及振动，根据温度的变化实现对管道泄漏监测与定位，实现泄漏的早期定位与抢修，降低安全隐患与经济损失；根据振动的变化实现管道第三方破坏情况监测与定位，在管道设施未造成实质性破坏之前发出预警，有效预防第三方破坏。本实用新型改变了传统人工巡线不连续和局限大的缺点，也改变了流量法、负压波法等报警不及时定位差的缺点，同时对不同光纤的分开敷设，使光纤的有效监测区域最大化。

Description

基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统

技术领域

本实用新型属于燃气管道泄漏技术领域，尤其是基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统。

背景技术

对天然气输送而言，管道运输是成本最低、效率最高、管理最优的输送方式，而且在运输损耗、成本投资和运输风险都方便都具有其他任何运输方式都没有的优势，因此这种运输方式被世界各国广泛接受和使用。但是，当前已建成的天然气管道中，有相当多的管线因建成时间长、施工缺陷、管道腐蚀和人为破坏等原因，造成天然气管道存在被破坏和泄漏的可能，且天然气输送管道介质具有易燃易爆特性，一旦发生泄漏，极易引发火灾爆炸等事故，造成人员伤亡和环境污染，给周围的人民造成重大的财产和生命安全威胁。

目前广泛采用的监测方法主要有巡线观察法、流量法、负压波法等。巡线观察法能够对较大的泄漏进行报警，定位精度高，但是人工巡线具有很大的局限性，当出现小孔径泄漏的时候人工巡线很难发现，且检测速度慢，不能实时检测，对于长输管道来说巡线难度大。流量法能检测较大的泄漏，可以进行实时监测，但是实时效率低，无法对泄漏进行准确定位。负压波法可检测出管道的突发性泄漏，并能对较长距离进行监测，实时性强，但是该方法对泄漏点的定位存在误差，定位精度不高，误报率较高，且只适用于非压缩性介质的压力管道。这些方法只有在管道受到破坏导致燃气输送受到干扰的时候才能做出防范，不能及时发现和预报隐患。

分布式光纤传感（distributed fiber optic sensing，DFOS）技术是20世纪80年代迅速发展起来的一种新型传感技术，具有感测距离长、灵敏度高、抗干扰性强、寿命长和匹配性好、易组网等优点，已成为实现分布式监测的首选技术。在监测过程中，能够快速、准确地监测到地下管线的微小变化，结合监测软件，可对其作出清晰判断，实现有效预警。

分布式光纤温度传感(DTS)系统，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲, 它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波, 光波的状态随所在光纤散射点的温度影响改变,将散射回来的光波经波分复用、检测解调后, 送入信号处理系统, 将温度信号实时显示出来,利用光时域反射 (optical time domain reflection, 简称OTDR) , 即光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间进行定位。

分布式光纤声波（振动）传感(DAS)技术一般采用通信级单模光纤，利用光纤传感器对声波（振动）敏感的特性。当外界作用力引起的振动到达传感光纤，光纤的折射率及长度将产生微小的变化，从而引起光纤内传输信号的相位及光强发生变化。由于振动引起的相位变化很小，因此 DAS技术通常采用高相干的脉冲光源，在脉冲宽度区域内瑞利散射信号之间会发生干涉，当外界振动引起相位发生变化时会使得该点的相干瑞利散射信号强度也随之变化，通过监测振动前、后的相干瑞利散射光信号的强度变化，即可实现振动事件的探测与定位，而根据输出端频谱分析可以判定引起振动的类型。

如今，分布式光纤传感技术日渐成熟并应用于埋地天然气管道的安全监测，预警系统常用的DAS能对第三方破坏事件进行有效防控，但对于管道泄漏，尤其管道常发生的微小泄漏，由于振动光纤的敷设位置的不恰当，导致振动光纤监测到的泄漏振动数据常埋没于环境噪声，对管道泄漏的漏报率较高，而DTS仅用于温度监测，不能对第三方破坏情况进行预警，因此如何减少漏报率以及当检测异常时进行报警成为现如今急需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统，能够有效监测地下燃气管道泄漏的同时预防第三方破坏事件的发生并准确定位，实现对燃气管道本身和周围环境的全面监测。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统，包括地下燃气管线、分布式振动光纤、分布式测温光纤、监测主机、数据对比记录平台和移动终端，所述分布式振动光纤和分布式测温光纤敷设在地下燃气管线表面，监测地下燃气管线的信息；监测主机分别接收分布式测温光纤的实时温度信号和分布式振动光纤的实时振动信号，监测主机将信号传输至数据对比记录平台，移动终端与数据对比记录平台无线连接，传输分布式振动光纤和分布式测温光纤实时检测信息。

而且，所述分布式测温光纤距地下燃气管线上表面0.05-0.2m，并与地下燃气管线同沟敷设，监测地下燃气管线周围的温度变化；分布式振动光纤与地下燃气管线顶外壁平齐设置，并与地下燃气管线同沟敷设，监测地下燃气管线周围的振动变化。

而且，所述分布式振动光纤与地下燃气管线顶外壁平齐设置，并且分布式振动光纤与地下燃气管线外壁的最小水平净距大于等于0.3m。

而且，所述监测主机包括ROTDR温度监测主机和φ-OTDR振动监测主机。

而且，所述移动终端包括智能手机和笔记本电脑，智能手机和笔记本电脑无线通信。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型包括地下燃气管线、分布式振动光纤、分布式测温光纤、监测主机、数据对比记录平台和移动终端，通过分别敷设在燃气管道上方的分布式测温光纤和与管顶外壁平齐的分布式振动光纤感知燃气管道区域土壤温度及振动，根据温度的变化实现对管道泄漏监测与定位，实现泄漏的早期定位与抢修，降低安全隐患与经济损失；根据振动的变化实现管道第三方破坏情况监测与定位，在管道设施未造成实质性破坏之前发出预警，有效预防第三方破坏。本实用新型对地下燃气管线的状态及周边环境进行实时监测，改变了人工巡线不连续，流量法、负压波法等报警不及时定位差的缺点，同时不同光纤的分开敷设，使光纤的有效监测区域最大化。本实用新型能够防止和减少燃气安全事故，有效保障燃气管道安全稳定的运行。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构图；

图2为本实用新型分布式测温光纤和分布式振动光纤的敷设位置示意图。

1-地下燃气管线；2-分布式测温光纤；3-分布式振动光纤；4-φ-OTDR振动监测主机；5-ROTDR温度监测主机；6-数据对比记录平台；7-移动终端。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步详述。

基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统，如图1所示，包括地下燃气管线1、分布式振动光纤3、分布式测温光纤2、ROTDR温度监测主机5、φ-OTDR振动监测主机4、数据对比记录平台6和移动终端7，所述分布式振动光纤和分布式测温光纤敷设在地下燃气管线表面，监测地下燃气管线的信息；ROTDR温度监测主机和φ-OTDR振动监测主机分别接收分布式测温光纤的实时温度信号和分布式振动光纤的实时振动信号，ROTDR温度监测主机和φ-OTDR振动监测主机将信号传输至数据对比记录平台，移动终端与数据对比记录平台无线连接，传输分布式振动光纤和分布式测温光纤实时检测信息。移动终端包括智能手机和笔记本电脑，智能手机和笔记本电脑无线通信。

如图2所示，分布式测温光纤距地下燃气管线上表面0.05-0.2m，并与地下燃气管线同沟敷设，监测地下燃气管线附近区域的温度变化；分布式振动光纤与地下燃气管线顶外壁平齐设置，并与地下燃气管线同沟敷设，监测地下燃气管线附近区域的振动变化。

不同泄漏方式的地下燃气管线周围区域温度变化特征不同，地下燃气管线中的天然气处于压缩状态，当地下燃气管线中的燃气发生泄漏到周围环境时会发生膨胀，体积变大，导致地下燃气管线的压力随之减小，根据焦耳-汤姆逊效应，泄漏区域温度会随之迅速下降，地下燃气管线表面周围的土壤将形成温度梯度，并且由于燃气密度小于空气，因此将所述分布式测温光纤布置在距燃气管道上表面0.05-0.2m的位置。

光时域反射（OTDR）型分布式光纤传感技术利用光纤背向散射效应（瑞利、布里渊、拉曼散射）实现光纤沿线的物理参量测量，并利用光时域反射OTDR技术实现事件位置定位，具备多事件同时定位功能。基于拉曼散射的分布式光纤测温技术DTS已在国内外广泛应用。基于拉曼光时域反射技术（ROTDR）的分布式光纤传感器利用的是拉曼散射的特性来测量环境温度。入射光发生拉曼散射后形成两种频率的散射光，频率低于入射光的是斯托克斯光，频率高于入射光的是反斯托克斯光。斯托克斯光的光强与温度无关，而反斯托克斯光的光强受温度影响。ROTDR通过测量拉曼散射光中斯托克斯光与反斯托克斯光的光强之比，即可得到管道区域的温度。由于ROTDR直接计算两种散射光的强度比，与光强绝对值无关，因此即使光纤发生老化，光损失增加，也能保证测量结果具有一定的精度。

分布式测温光纤用于监测燃气管道的泄漏，根据周围土体的温度变化实现泄漏监测，通过泄漏位置处的温度与周围土体的温度差异以及泄漏时刻泄漏处的温度与正常工作时土体的温度差异，从时间域与空间域进行双重判别降低系统的误报率。

分布式振动光纤与地下燃气管线顶外壁平齐设置，最小水平净距大于等于0.3m，并与地下燃气管线同沟敷设，监测地下燃气管线附近区域的振动变化。

根据《输油（气）管道同沟敷设光纤（硅芯管）设计、施工及验收规范》SY/T4108-2012，在无特殊要求时，光纤与地下燃气管线间最小净距离不应小于0.3m。地下燃气管线埋深通常为1.2-1.5m，如果传感光纤埋于管道正上方，其深度就非常有限，同时由于传感光纤的灵敏度较高，如果振动光纤埋深不够，地表人类的正常活动会对系统产生干扰，影响系统的性能，为了达到对第三方破坏行为进行预警和定位的目的，使振动光纤在一定范围内能够感测到挖掘、钻孔等行为引起的地震动信号的作用，将振动光纤设置在与地下燃气管线顶外壁平齐；振动光纤与燃气管道外壁的最小水平净距大于等于0.3m。

分布式声波传感器DAS是基于相干瑞利散射的分布式光纤传感器。它利用光纤对声波（振动）敏感的特性，当外界振动作用于传感光纤上时，由于弹光效应，光纤的折射率、长度将产生微小变化，从而导致光纤内传输信号的相位变化，使得光强发生变化。声波导致的相位变化很小，因此DAS系统通常采用高相干的脉冲光源，脉冲宽度区域内瑞利散射信号之间会发生干涉，当外界振动导致相位发生变化时会使得该点的相干瑞利散射信号强度发生变化，通过检测振动前后的瑞利散射光信号的强度变化（差分信号），即可实现振动事件的探测，并精确定位。

本实用新型的工作原理为：

分布式振动光纤和分布式测温光纤分别检测地下燃气管线的实时振动信息和实时温度信息，同时分别将实时振动信息和实时温度信息传输至φ-OTDR振动监测主机和ROTDR温度监测主机，ROTDR温度监测主机和φ-OTDR振动监测主机将采集的温度和振动信息传输至数据对比记录平台，数据对比记录平台接收实时温度和振动数据，并进行存储，同时将实时温度和振动数据与地下燃气管线的温度阈值和振动阈值进行对比，若实时温度数据不在温度阈值范围内，则进行燃气泄露的预判和报警；若实时振动数据不在振动阈值范围内，则进行第三方破坏的预判和报警。数据对比记录平台与移动终端通过局域网信号连接，同时将报警信息推送至相关人员的手机或笔记本电脑，实现故障的早期处理。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims (5)

1.基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统，其特征在于：包括地下燃气管线、分布式振动光纤、分布式测温光纤、监测主机、数据对比记录平台和移动终端，所述分布式振动光纤和分布式测温光纤敷设在地下燃气管线表面，监测地下燃气管线的信息；监测主机分别接收分布式测温光纤的实时温度信号和分布式振动光纤的实时振动信号，监测主机将信号传输至数据对比记录平台，移动终端与数据对比记录平台无线连接，传输分布式振动光纤和分布式测温光纤实时检测信息。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统，其特征在于：所述分布式测温光纤距地下燃气管线上表面0.05-0.2m，并与地下燃气管线同沟敷设，监测地下燃气管线周围的温度变化；分布式振动光纤与地下燃气管线顶外壁平齐设置，并与地下燃气管线同沟敷设，监测地下燃气管线周围的振动变化。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统，其特征在于：所述分布式振动光纤与地下燃气管线顶外壁平齐设置，并且分布式振动光纤与地下燃气管线外壁的最小水平净距大于等于0.3m。

4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统，其特征在于：所述监测主机包括ROTDR温度监测主机和φ-OTDR振动监测主机。

5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感系统的埋地燃气管道预警系统，其特征在于：所述移动终端包括智能手机和笔记本电脑，智能手机和笔记本电脑无线通信。

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