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1 概述
管道是油氣輸送的主要方式，具有運量大、不受氣候和地面其他因素限制、可連續作業(yè)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，油氣管道也被稱(chēng)為“能源血脈”。隨著(zhù)我國能源工業(yè)的發(fā)展，尤其是石油、天然氣消費速度的增長(cháng)，管道工程建設迅猛發(fā)展，管道輸送也成為第五大運輸業(yè)。我國現有70%的石油和99%的天然氣是通過(guò)管道運輸的，長(cháng)輸干線(xiàn)管道已經(jīng)達到8萬(wàn)公里，海上油氣管道近5千公里。隨著(zhù)中亞諸國和俄羅斯、緬甸、卡塔爾、伊朗、澳大利亞等境外油氣資源的落實(shí)，未來(lái)幾年將集中建設一批跨國管道，到“十二五”規劃期末全國長(cháng)輸油氣管道總里程將超過(guò)10萬(wàn)公里。
油氣管道距離長(cháng)、且多埋藏于地下，地質(zhì)環(huán)境復雜；并且在用油氣管道中有相當部分服役時(shí)間超過(guò)20年，東部部分管網(wǎng)甚至超過(guò)30年，已步入事故高發(fā)期。油氣管道長(cháng)期服役后會(huì )因腐蝕、地形沉降、管材及施工質(zhì)量、機械施工及人為破壞等原因發(fā)生失效事故，特別是近些年因惡意打孔盜油（氣）和非法施工造成的管道安全事故常有發(fā)生；另外，如地質(zhì)塌陷、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害所造成的安全事故亦時(shí)有報道。
近年來(lái)，隨著(zhù)我國長(cháng)輸管道的迅猛發(fā)展，因打孔盜油、非法施工等第三方破壞事件，以及如地質(zhì)塌陷、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害所造成的安全事故時(shí)有發(fā)生，石油和天然氣本身的性質(zhì)決定了它們一旦被破壞，不僅會(huì )造成資源損失和環(huán)境污染，甚至會(huì )產(chǎn)生火災、爆炸，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失，更會(huì )破壞周?chē)h(huán)境和周邊人身安全。為此急需采用高科技的手段，及時(shí)、準確地測出管道安全狀態(tài)變化，實(shí)現對輸油管道進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測尤顯重要。保護油氣管道安全絕不僅僅是保護管道企業(yè)的利益，更重要的，它保障的是廣大人民群眾的正常生活和公共安全，保障的是國家的經(jīng)濟安全和社會(huì )穩定，維護管道安全任重道遠。
2 目前現狀
管道在國民經(jīng)濟中的地位越重要管道的安全運行越受重視。對管道泄漏檢測方法的研究已有幾十年的歷史，但由于檢測的復雜性如管道輸送介質(zhì)的多樣性管道所處的環(huán)境（如地上、管溝、埋地、海底）的多樣性，以及泄漏形式的多樣性（滲漏、穿孔、斷裂等），使得目前還沒(méi)有一種通用的方法解決管道泄漏探測問(wèn)題。在實(shí)際應用中，某一種泄漏檢測方法或一個(gè)檢漏裝置不能同時(shí)滿(mǎn)足所有要求，常常將幾種方法綜合實(shí)用。
管道泄漏監測主要是對管道從不漏到突然發(fā)生泄漏的過(guò)程的監測,一般是采用固定的裝置對管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監測,一旦發(fā)生泄漏立即報警,使有關(guān)人員能夠進(jìn)行及時(shí)處理。人工例行巡檢、負壓波以及可燃氣體監測是天然氣輸送管道監測的常用方法。目前，傳統的監測方法如人工巡視、負壓波等方法已經(jīng)不能適應分布地域廣、環(huán)境復雜程度和破壞前報警的要求，亟需一種工程造價(jià)低且能適應大范圍監測要求的分布式傳感監測系統。由于管道長(cháng)度長(cháng)達幾百公里，傳統的電測式傳感器需要沿管線(xiàn)布設幾千只傳感器，從布點(diǎn)連線(xiàn)到數據采集不僅復雜且成本高，并且受到布點(diǎn)數量的限制，無(wú)法全面反映管道的結構和功能情況。現在國內外應用于管線(xiàn)工程監測的技術(shù)和方法正在從傳統的點(diǎn)式儀器監測向分布式、自動(dòng)化、高精度和遠程監測的方向發(fā)展。
分布式光纖傳感技術(shù)是一種新興的傳感技術(shù)，它直接以管道同溝敷設的通訊光纜作為傳感器，其充分利用光纖空間連續分布的特點(diǎn)，“傳”、“感”合一，可實(shí)現沿光纖分布任一點(diǎn)的物理參量信息，具有測量信息豐富、可精確定位等優(yōu)點(diǎn)。而且，光纖傳感技術(shù)是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，與傳統電學(xué)傳感器相比，光纖傳感器具有測量精度高、抗電磁干擾、本質(zhì)安全、小巧輕柔、適合遠程傳輸等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合在電力、石化、交通、橋梁、大壩等領(lǐng)域應用。以下是管道泄漏監測技術(shù)的對比情況。
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流量平衡法 |
負壓波技術(shù) |
聲波技術(shù) |
光纖傳感技術(shù) |
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測量原理 |
將管道分成若干部分，每一部分都安裝超聲波流量計，并測定管道溫度和環(huán)境溫度等參數，經(jīng)熱補償后對比上游出站流量和下游進(jìn)站流量是否相等，進(jìn)而判斷管道是否泄漏 |
在管道兩端裝壓力傳感器，根據上游出站和下游進(jìn)站的壓力參數變化判斷管道是否發(fā)生泄漏。如發(fā)生泄漏，根據負壓波在油品中的傳播速度以及傳輸到上下游傳感器的時(shí)間差即可進(jìn)行定位 |
在管道兩端裝聲音傳感器，當管道發(fā)生泄漏時(shí)高壓油品外泄與管壁摩擦產(chǎn)生聲波信息，根據聲波在油品中的傳播速度以及傳輸到上下游傳感器的時(shí)間差即可進(jìn)行定位 |
將探測光纖沿管道線(xiàn)型鋪設，實(shí)時(shí)獲得管道沿線(xiàn)每一點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)信息；當管道發(fā)生泄漏時(shí)泄漏處的光纖的溫度會(huì )發(fā)生變化，從而實(shí)現泄漏判斷和位置精確定位 |
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技術(shù)先進(jìn)度 |
早期成熟技術(shù) |
早期成熟技術(shù) |
成熟技術(shù) |
國際先進(jìn)成熟技術(shù) |
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測量參量 |
流量 |
壓力 |
聲波 |
溫度，應變 |
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測量時(shí)間 |
60秒 |
不超過(guò)120秒 |
不超過(guò)120秒 |
100秒 |
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泄漏檢測靈敏度 |
低 |
中 |
高 |
高 |
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定位精度 |
不能定位 |
300米 |
200米 |
1米以?xún)?/span> |
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誤報率 |
高 |
高 |
高 |
低 |
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漏報率 |
高 |
中 |
高 |
低 |
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適應性 |
對較嚴重的管道泄漏敏感 |
管道正常的啟、停操作和分輸操作易造成誤報 |
對流量低、壓力高的管道泄漏敏感，管道正常的啟、停操作和分輸操作易造成誤報 |
完全不受管道啟、停操作和分輸操作影響，適應性好 |
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抗干擾性 |
易受流量測量精度影響 |
負壓波傳播速度影響因素多，易受電磁干擾 |
聲波傳播速度影響因素多，易受電磁干擾 |
本質(zhì)安全，完全不受電磁干擾影響 |
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后期維護 |
流量計需定期維護、校準，甚至更換 |
傳感器需定期維護、校準，甚至更換 |
傳感器需定期維護、校準，甚至更換 |
光纖壽命長(cháng)，基本無(wú)需維護 |
將探測光纜沿管道同溝或者并行敷設，可實(shí)現管道沿線(xiàn)的溫度、泄漏等異常狀況實(shí)時(shí)監測，具有測量距離遠、連續分布式測量、可精確定位、安裝簡(jiǎn)單、安全可靠、擴展性強等優(yōu)點(diǎn)，對管道不會(huì )產(chǎn)生任何破壞或影響其正常生產(chǎn)，對已經(jīng)穩定的和新發(fā)生的泄漏都可以進(jìn)行識別，尤其適合管道在線(xiàn)監測應用。
基于業(yè)界最先進(jìn)的分布式光纖傳感技術(shù)，將感溫光纜沿輸氣管道同溝或者并行敷設，實(shí)時(shí)監測管道周?chē)臏囟确植记闆r，當輸氣管道局部出現溫度異常時(shí)分布式光纖傳感監測系統能及時(shí)捕獲這些異常，并在溫度曲線(xiàn)顯示出來(lái)，并定位出異常點(diǎn)的位置信息，便于管道維護人員及時(shí)檢修與處理，避免重大事故發(fā)生。設計目標包括：
Ø 實(shí)時(shí)在線(xiàn)的溫度分布式監測；
Ø 清楚指示溫度異常點(diǎn)的位置信息；
Ø 提供管道泄漏的早期探測。
l 《火災自動(dòng)報警系統設計規范》 GB50116-98
l 《火災自動(dòng)報警系統施工及驗收規范》GB50166-2007
l 《火災自動(dòng)報警控制器通用技術(shù)條件》（GBJ4717-93）
l 《石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電信設計規范》SHJ30-28（2007年版）
l 《線(xiàn)型光纖感溫火災探測器》GB/T21197-2007
l 《火災報警探測器》GB4717-2005
l 《消防聯(lián)動(dòng)控制系統》GB16806-2006
l 《光纜線(xiàn)路自動(dòng)監測系統工程設計規范》YD/T5066-2005
l 《長(cháng)途通信光纜線(xiàn)路工程設計規范》YD5102-2005
l 《通信設備安裝工程工藝施工監理規范》YD5125-2011
管道出現泄漏后，泄漏點(diǎn)附近的溫度會(huì )出現變化，利用BOTDA的分布式溫度測量功能可實(shí)現管道泄漏在線(xiàn)監測與定位。
對于埋地油氣輸送管道，管線(xiàn)正常運行時(shí)沿線(xiàn)的溫度場(chǎng)分布均勻；當管壁因破損、接頭斷裂等原因發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏處的溫度將發(fā)生變化。對于原油管道，需加熱輸送，泄漏處的溫度將升高；對于天然氣管道，由于焦耳-湯姆遜效應，天然氣經(jīng)過(guò)泄漏孔節流膨脹，節流膨脹過(guò)程前后的焓不變，在泄漏孔出口出現溫度下降，如下圖所示。管道沿線(xiàn)敷設的測溫光纖傳感器能及時(shí)捕獲這些溫度異常，并在溫度分布曲線(xiàn)上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，通過(guò)智能化的報警算法以及圖形化的專(zhuān)業(yè)分析軟件，可以實(shí)時(shí)自動(dòng)報警，并精確定位異常點(diǎn)的位置信息。
管道泄漏對周?chē)鷾囟扔绊懯疽鈭D
布里淵型分布式光纖測溫系統BOTDA是一種超長(cháng)距離監測設備。本項目設置1臺4通道的BOTDA主機，主機放置于聯(lián)合站內，通道1監測聯(lián)合站至轉油站1之間的輸油管道（長(cháng)度約63公里），通道2監測聯(lián)合站至轉油站2之間的輸油管道（長(cháng)度約18公里），另外兩個(gè)通道備用。設備設置如下圖所示：
輸油管道泄漏分布式光纖在線(xiàn)監測系統示意圖
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設備配置情況 |
設備放置 |
監測對象 |
監測距離 |
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BOTDA主機（4通道） |
通道1 |
聯(lián)合站 |
聯(lián)合站—轉油站1區間管道 |
63km |
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通道2 |
聯(lián)合站—轉油站2區間管道 |
18km |
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通道3 |
備用 |
/ |
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通道4 |
備用 |
/ |
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溫度探測光纜沿管道方向平行敷設。溫度探測光纜直接采用與管道同溝敷設的通信光纜（建議光纜位于管道上方0.1~0.2m處，以達到理想的監測效果）。
Ø 為獲得較好的測溫效果，管道上方回填沙層厚度建議大于0.1米，測溫光纜沿管道方向平行敷設；
Ø 管道鋪設時(shí)會(huì )出現分段鋪設的情況，這就導致出現光纜需要熔接的情況，光纜熔接后采用光纜接續盒接續保護。
4.2.4 方案特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢
基于國際最先進(jìn)的布里淵型分布式光纖測溫技術(shù)BOTDA的長(cháng)輸管道泄漏在線(xiàn)監測，技術(shù)方案先進(jìn)，在遠端60公里處仍可實(shí)現±1.5℃的測溫精度；感溫光纜采用普通單模通信光纖，光纜內冗余的光纖可作為光纖通信路由用，利用設備自帶的軟件即可實(shí)現全程溫度監測，無(wú)需額外的組網(wǎng)方案。
1）連續分布式測量
分布式光纖傳感器是真正的分布式測量，可以連續得到沿著(zhù)測溫光纜幾十公里的測量信息，誤報和漏報率大大降低。同時(shí)實(shí)現實(shí)時(shí)監測。
2) 本征安全，防雷
光纖本身是由石英材料組成的，完全的電絕緣，傳感器不產(chǎn)生靜電，可以抵抗高電壓和高電流的沖擊。
3) 抗電磁干擾
光纖傳感器的信號是以光纖為媒介、光信號為載體，抗電磁干擾，本征安全，，在高電磁環(huán)境中可以正常的工作。
4) 測量可靠，安裝簡(jiǎn)單
光纖本身即為傳感器，傳”、“感”合一，安裝簡(jiǎn)單；由于無(wú)需安裝額外的傳感元件，傳感光纜中間沒(méi)有熔接點(diǎn)，可靠性高。
5 ) 測量距離遠，適于遠程監控
光纖的兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是傳輸數據量大和損耗小，在無(wú)需中繼的情況下，可以實(shí)現幾十公里的遠程監測。
6) 壽命長(cháng)，成本低，系統簡(jiǎn)單
光纖的材料為石英玻璃，其具有不腐蝕、耐火、耐水及壽命長(cháng)的特性，通?？梢苑?/span>30年。綜合考慮傳感器的自身成本以及以后的維護費用，使用光纖傳感器可以大大降低整個(gè)工程的最終經(jīng)營(yíng)成本。
布里淵型分布式光纖傳感器可同時(shí)實(shí)現溫度與應變測量，其采用普通單模通信光纖為傳感器，且測量距離達數十公里，遠高于其它類(lèi)型的分布式光纖傳感器，是目前最具應用前景的光纖傳感器之一。
采用國際上最新一代的布里淵型分布式光纖傳感技術(shù)，可實(shí)現長(cháng)達60km的溫度和應變連續分布式測量。該系統采用標準的通信單模光纖，信息感知與信號傳輸于一體，可實(shí)時(shí)監測沿光纖分布式的溫度和應變細微變化，并且精確定位事件位置，在海底光電復合纜、電力架空線(xiàn)、長(cháng)輸油氣管道、大壩、橋梁等領(lǐng)域具有重要應用。
該系統的測量原理為布里淵光時(shí)域分析BOTDA技術(shù)，綜合利用了受激布里淵散射效應（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）、光時(shí)域反射技術(shù)原理。受激布里淵散射是光纖的固有物理特性，是是光波和聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射效應。BOTDA技術(shù)是從光纖的兩端分別注入脈沖光信號（泵浦激光）和連續光信號（探測激光），當脈沖光與連續光的頻率差與光纖中某個(gè)區間的布里淵頻移相等時(shí)，該區域就會(huì )發(fā)生受激布里淵放大效應，兩束光之間發(fā)生能量轉移。根據光纖布里淵頻移與光纖應變、溫度之間的關(guān)系，對兩激光的頻率進(jìn)行連續的調節，監測從光纖一端耦合出來(lái)的連續光功率可以確定光纖各小段區域上能量轉移達到最大時(shí)所對應的頻率差，從而得到溫度、應變信息，實(shí)現分布式測量。
系統技術(shù)原理
測量主機是分布式光纖測溫系統的核心。我司的BOTDA基于專(zhuān)利技術(shù)設計，集光電、硬件、計算機和信息處理等高新技術(shù)于一體，技術(shù)指標國際先進(jìn)；同時(shí)由于采用光信號為載體，不受電磁干擾，本質(zhì)安全，使用壽命長(cháng)，適于惡劣環(huán)境下工作。
BOTDA測量主機
我司的布里淵光時(shí)域分析儀BOTDA監測系統具有如下技術(shù)優(yōu)勢：
l 快速性
系統測溫、定位速度非常高。為了提高測量時(shí)間，浙江中欣采用了高速微弱信號處理技術(shù)優(yōu)勢，單次測量時(shí)間最短為60s（70km測量距離），響應速度快。
l 測量距離長(cháng)
布里淵分布式光纖監測系統最長(cháng)測量距離可達70km，監測范圍廣，可實(shí)現監測范圍內的全方位監測。
l 分布特性
分布式光纖監測系統可提供連續動(dòng)態(tài)監測長(cháng)達70公里范圍內每隔0.5米各點(diǎn)的溫度變化信號，可任意設置各級報警值。
l 先進(jìn)性
該系統在世界上目前性能指標優(yōu)異、功能性強、可靠性高、技術(shù)最先進(jìn)的分布式光纖監測產(chǎn)品。關(guān)鍵器件優(yōu)選國外進(jìn)口高性能器件，核心算法經(jīng)過(guò)嚴格測試。
l 靈活性
系統為實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測方式，可以根據環(huán)境不同進(jìn)行報警點(diǎn)溫度參數設定；具有差定溫多種報警方式，并且報警參數可按客戶(hù)需求進(jìn)行分區設置，報警方式靈活。
l 兼容性
系統主機為開(kāi)放通信協(xié)議，提供與工作站聯(lián)接的通信接口，在中央控制室防災報警工作站以漢化的圖文方式顯示溫度曲線(xiàn)、報警位置、報警溫度等全部信息；系統可以通過(guò)RS232、RS485、內置繼電器、RJ45或其它工業(yè)協(xié)議等輸出形式與PC、報警系統等其它控制設備進(jìn)行連動(dòng)信號輸出準確、完整。
l 安全性
探測光纜本征安全，采用光信號，不受電磁干擾。
如果光纖受損，BOTDA系統可以即時(shí)定位受損點(diǎn)，并通過(guò)光纖熔接機對其進(jìn)行熔接，這對于有效的實(shí)施在線(xiàn)監測時(shí)非常重要的。
浙江中欣提供界面友好、操作簡(jiǎn)單的分布式光纖溫度、應變監測應用軟件。該軟件主要包括：溫度監測、應變監測、事件報警、數據分析、可視化顯示等功能模塊。
l 溫度曲線(xiàn)顯示
系統可以顯示實(shí)時(shí)整個(gè)光纜的溫度、應變分布曲線(xiàn)，當某處溫度或者應變異常的時(shí)候通過(guò)曲線(xiàn)可以顯示該處實(shí)時(shí)信息。
分布式溫度/應變顯示曲線(xiàn)
l 歷史溫度統計
提供歷史溫度/應變數據統計分析功能，提供溫度變化趨勢，包括：（1）某時(shí)刻光纜不同位置的溫度/應變分布曲線(xiàn)；（2）某時(shí)段光纜某點(diǎn)的溫度/應變變化曲線(xiàn)。
單點(diǎn)歷史數據變化曲線(xiàn)
l 事件報警
提供定值、變化速率、區域尖峰等多種靈活的報警方式，報警參數可以分級、分區域設置。當測量數值超過(guò)閾值時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)發(fā)出聲音、LED指示燈、文字、圖像等報警信號。如可設定多級報警閾值（如30℃初報警，40℃預報警，50℃采取措施等），并且可根據環(huán)境不同進(jìn)行修正。
分區/分級事件報警設置
l 可視化界面
提供形象的可視化顯示界面，通過(guò)圖形組態(tài)模塊將光纖位置映射到圖像上，一旦光纖某點(diǎn)發(fā)生泄漏，報警信息直接顯示在圖像上，形象直觀(guān)。
用戶(hù)軟件可視化界面
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系統型號 |
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技術(shù)性能 |
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光纖類(lèi)型 |
標準單模光纖 |
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光纖配置 |
雙光纖環(huán)路式 |
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測量距離 |
70km |
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測量時(shí)間 |
60s |
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溫度測量范圍 |
-190℃~700℃ (取決于光纜) |
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溫度測量精度 |
±1℃（全程） |
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溫度分辨率 |
0.1℃ |
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應變測量范圍 |
-4000με~6000με |
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應變測量精度 |
±20με（全程） |
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應變分辨率 |
2με |
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采樣間隔 |
0.1~1.25m |
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空間分辨率 |
0.5~5m |
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一般規格 |
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光纖接頭 |
FC/APC |
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工作電源 |
220VAC 50Hz，40W |
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操作溫度 |
-10℃~50℃ |
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存儲溫度 |
-20℃~60℃ |
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通信接口 |
Ethernet，USB，RS232 |
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存儲空間 |
500GB |
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尺寸 |
482.6×458.4×180mm |
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重量 |
25kg |
光纖由石英玻璃拉制而成，通過(guò)各種封裝形成各種特性的光纜。光纜既是信號傳輸介質(zhì)，又是溫度感測元件?？紤]到現場(chǎng)的惡劣環(huán)境，感溫探測光纜應具備良好的抗嚙咬、抗震特性。所以感溫探測光纜應具備堅固的護套，提供良好的防護特性，但同時(shí)感溫探測光纜也應該提供良好的溫度傳導性能，以保證快速的火災探測。
探測光纜結構示意圖
探測光纜技術(shù)指標：
Ø 光纖規格： 普通單模通信光纖
Ø 光纜結構： PBT管充油膏+鋼帶縱包+鋼絲加強+護套
Ø 最小彎曲半徑： 靜態(tài)10D；動(dòng)態(tài)20D
Ø 拉伸強度： 短期最大3000N；長(cháng)期最大1000N
Ø 抗壓強度： 短期最大3000N/100mm；長(cháng)期最大1000N/100mm
Ø 工作溫度范圍： -40℃到+70℃（短期120℃）
Ø 光纜工作壽命： 大于30年
Ø 防沖擊、反復彎曲、扭轉、曲繞、彎折、卷繞、滲水性能等均符合IEC794-1標準。
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序號 |
名稱(chēng) |
規格型號 |
單位 |
數量 |
備注 |
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1 |
布里淵光時(shí)分析儀BOTDA |
NTB-50 |
臺 |
1 |
支持4通道 |
|
2 |
用戶(hù)軟件 |
V1.0 |
套 |
1 |
|
|
3 |
光纖跳線(xiàn) |
Senko FC/APC |
根 |
8 |
|
|
4 |
多通道模塊 |
4通道 |
臺 |
1 |
|
|
5 |
液晶顯示器 |
19寸 |
臺 |
1 |
|
|
6 |
測溫光纜 |
GYXTW，8芯 |
米 |
— |
芯數及長(cháng)度滿(mǎn)足實(shí)際需要 |
|
7 |
室外接續盒 |
只 |
— |
滿(mǎn)足實(shí)際需要 |
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8 |
室外接續盒 |
只 |
— |
滿(mǎn)足實(shí)際需要 |
注：供貨周期為合同簽訂后2個(gè)月。
