基于分布式光纖技術(shù)的管道安全預(yù)警技術(shù)分析

李華杰

(中石油中亞天然氣管道有限公司，北京 100007)

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基于分布式光纖技術(shù)的管道安全預(yù)警技術(shù)分析

李華杰

(中石油中亞天然氣管道有限公司，北京 100007)

摘要：為保證穿越中亞地區(qū)能源管道的安全，分析了基于分布式光纖技術(shù)的管道安全預(yù)警技術(shù)。概述了分布式光纖預(yù)警技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，研究了基于光纖技術(shù)的安全預(yù)警系統(tǒng)的檢測(cè)和定位的基本原理、信號(hào)辨識(shí)和處理的技術(shù)和方法，針對(duì)中亞某管道項(xiàng)目的具體特征,分析了采用分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和面臨的主要技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：分布式光纖安全預(yù)警管道辨識(shí)

Analysis of Safety Early Warning Technology for Pipeline Based on Distributed

Fiber-optic Cable Technology

Li Huajie

(Trans Asia Gas Pipeline LLP, Beijing, 100007,China)

Abstracts: Distributed fiber-optic cable technology based safety early warning technology for pipeline is analyzed to ensure the safety of energy pipeline passing through Trans Asia. Current development status of warning technology based on distributed fiber-optic cable is summarized. Basic principle of detection and location of safety early warning system based on distributed fiber-optic cable, technology and methods of signal identification and processing are studied. The advantages and main technical problems of adopting safety early warning technology system based on distributed fiber-optic cable are discussed with focusing on the specific features of one Trans Asia pipeline project.

Key words:distributed fiber-optic cable; safety early warning; pipeline; identification

長輸天然氣管道具有距離長、穿越各種不同地形、沿線社會(huì)狀況變化大等特點(diǎn)，一旦發(fā)生事故，容易在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境等方面造成嚴(yán)重后果。因此，從20世紀(jì)70年代美國開始，國內(nèi)外高等院校、研究所和石油公司廣泛進(jìn)行了管道安全運(yùn)行和防護(hù)技術(shù)的研究，根據(jù)不同原理形成了各種安全預(yù)警技術(shù)。例如由澳大利亞的未來光纖科技公司提出的分布式光纖預(yù)警技術(shù)、美國Battelle研究所開創(chuàng)的管道聲波預(yù)警技術(shù)、以色列Hadas公司和Magal公司研究的地震檢波器預(yù)警技術(shù)、利用陰極保護(hù)點(diǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)阻抗的電磁波預(yù)警技術(shù)、基于地表三維信息和高程變化信息的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量預(yù)警技術(shù)、地面三維激光掃描預(yù)警技術(shù)、時(shí)域發(fā)射預(yù)警技術(shù)、巖石聲發(fā)射預(yù)警技術(shù)等。各種技術(shù)的目標(biāo)均是及時(shí)辨別出管線遭入侵、破壞泄漏、地質(zhì)災(zāi)害的威脅，為保護(hù)管道免遭破壞和檢修贏得了寶貴時(shí)間[1-4]。

近年來，新建的天然氣管道均沿線同溝敷設(shè)通信光纜。因此，利用光纜中的一根或幾根光纖進(jìn)行管道安全預(yù)警具有獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其在管道安全預(yù)警領(lǐng)域極具潛力，特別適合面臨通信、供電困難和具有野外帶狀區(qū)域特征的長輸管道的安全預(yù)警。某中亞管道穿越的自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境極端復(fù)雜惡劣，而管線的經(jīng)濟(jì)政治意義重大，文中擬對(duì)其采用的分布式光纖安全預(yù)警技術(shù)進(jìn)行分析，以保障該管道的安全運(yùn)行和防護(hù)。

1分布式光纖預(yù)警技術(shù)原理

1.1光纖預(yù)警技術(shù)

光纖預(yù)警技術(shù)是根據(jù)光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素(溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)位移等)的作用而直接或間接發(fā)生變化，利用光纖作為傳感器，從而探測(cè)出各種待測(cè)量并辨別出入侵、泄漏、地質(zhì)災(zāi)害等威脅。它從傳感機(jī)理上可分為振幅型(強(qiáng)度型)和相位型(干涉儀型)，相位型光纖傳感器的靈敏度很高，它的原理是在一段單模光纖中傳輸相干光，由于待測(cè)物理因素的作用，產(chǎn)生相位調(diào)制。根據(jù)不同的傳感模式，近年來產(chǎn)生了多種預(yù)警方法，如美國FCI環(huán)保公司開發(fā)的Petro Sense多光纖探頭遙測(cè)預(yù)測(cè)法、英國York Sensors首家開發(fā)的分布式光纖測(cè)溫預(yù)警方法、基于Mach-Zehnder光纖干涉儀的泄漏檢測(cè)預(yù)警法、基于Sagnac光纖干涉儀的泄漏檢測(cè)預(yù)警法、光纖光柵泄漏檢測(cè)預(yù)警法等[2]。

1.2光纖預(yù)警技術(shù)原理

各種光纖預(yù)警方法具有相同的基本結(jié)構(gòu)和基本原理，主要差別在于信號(hào)提取和處理算法的不同?；驹恚?當(dāng)管道附近有異常信號(hào)時(shí)，光纖受到外在因素作用導(dǎo)致光纖長度、直徑和折射率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致光波相位或強(qiáng)度發(fā)生變化，測(cè)量傳感光纖中光波相位或強(qiáng)度的變化即可獲得管道附近的振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)管道沿線檢測(cè)的振動(dòng)信號(hào)的分析處理，就可以有效檢測(cè)出管道沿線所發(fā)生的泄漏或入侵等事件。以相位型為例，分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)示意

從圖1可以看出，同一光源發(fā)出連續(xù)光波，以完全相同的形態(tài)在測(cè)試光纖A和B中同時(shí)傳播，因而在2條測(cè)試光纖中形成相干光波。2條測(cè)試光纖會(huì)受到管道沿線各種物理因素的影響發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變，因而2條測(cè)試光纖中傳播的相干波束會(huì)分別產(chǎn)生相位變化，但2條光纖受外界同一事件作用產(chǎn)生的應(yīng)變不完全相同，所以2條光纖中的相干波束產(chǎn)生的相位變化也不完全相同，由此會(huì)引起2條光纖在匯合處產(chǎn)生的干涉光的變化。產(chǎn)生的干涉光由通信光纖C傳至信號(hào)處理裝置分析后再傳至管道SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管道的安全預(yù)警。

當(dāng)光纖附近的同一物理因素引起測(cè)試光纖A和B中光波相位調(diào)制量分別為s1(t)與s2(t)時(shí)，沿光纖傳播的2束相干波均為簡(jiǎn)諧波，則測(cè)試光纖C中受調(diào)制的光波波動(dòng)方程為

ψ1=A1cos[ω t+s1(t)+φ1]

(1)

ψ2=A2cos[ω t+s2(t)+φ2]

(2)

式中：ψ1，ψ2——2束相干波場(chǎng)強(qiáng)；A1，A2——光場(chǎng)振幅；ω——光波角頻率；φ1，φ2——初始相位。

疊加后的光場(chǎng)A為

(3)

(4)

設(shè)I0為輸入測(cè)試光纖的總光強(qiáng)，α為兩相干波的混合效率，則有：

I(t)=I0[1+αcos(Δs(t)+Δφ)]

(5)

若僅考慮交流光強(qiáng)，則可簡(jiǎn)化為

I(t)=I0αcos[Δs(t)+Δφ]

(6)

經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光強(qiáng)轉(zhuǎn)為電流，光電流交流量為

i(t)=KI0αcos[Δs(t)+Δφ]

(7)

式中：K——光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

當(dāng)Δφ為π/2時(shí)為直流偏置，此時(shí)光電流和檢測(cè)相位變化的斜率最大，檢測(cè)靈敏度最高。若Δφ取常數(shù)，則檢測(cè)信號(hào)是2束相干波相位調(diào)制差Δs(t)的函數(shù)。因2條測(cè)試光纖A和B所處的位置不同，當(dāng)它們受到外界因素的影響時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變也不相同，導(dǎo)致在光纖中傳播的2束相干波產(chǎn)生的相位變化也不相同，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)干涉光信號(hào)的變化，便可檢測(cè)出分布式光纖傳感器沿途產(chǎn)生的預(yù)警信號(hào)，通過SCADA系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警功能。

1.3光纖預(yù)警檢測(cè)定位原理

檢測(cè)定位是通過同時(shí)傳播方向相反的2組光波，在光纖傳感器兩端均產(chǎn)生干涉信號(hào)。當(dāng)測(cè)試光纖受到擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，該處產(chǎn)生光波相位調(diào)制，產(chǎn)生相位調(diào)制的光波沿光纖分別向兩端傳播，由于擾動(dòng)位置距兩端的距離不一致，光速不變，使用2個(gè)光電檢測(cè)器檢測(cè)兩端干涉信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)間差，便可計(jì)算出發(fā)生擾動(dòng)的位置。光纖檢測(cè)的一大優(yōu)點(diǎn)是光速不受管道內(nèi)輸送介質(zhì)、壓力、溫度等因素的影響，可獲得比其他管道預(yù)警定位技術(shù)更高的精度[3]。

設(shè)分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)的兩端探測(cè)器分別檢測(cè)到同一擾動(dòng)事件的時(shí)間為t1和t2，Δt=t1-t2，檢測(cè)光纖長度為L，擾動(dòng)點(diǎn)距監(jiān)測(cè)裝置1的距離為x，光纖中傳播的光速為v，則可計(jì)算出：

(8)

(9)

式中：c——光在真空中速度；n——光纖的折射率。

當(dāng)定位精度要求很高時(shí)，可采用比較2個(gè)信號(hào)波形的辦法。比較2個(gè)形狀幾乎一樣的檢測(cè)信號(hào)波形，對(duì)2個(gè)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，如互功率譜密度法等，獲得2個(gè)檢測(cè)信號(hào)之間更精確的時(shí)間差。

1.4光纖預(yù)警信號(hào)識(shí)別技術(shù)和方法

為降低甚至消除光纖預(yù)警系統(tǒng)的誤報(bào)率，提高系統(tǒng)的可用性，需要對(duì)管道沿線所發(fā)生的事件逐一辨別，區(qū)分出對(duì)管道安全沒有威脅的正?；顒?dòng)和威脅管道安全的事件。長輸管道沿途會(huì)穿越城鎮(zhèn)村莊、農(nóng)田、江河、沙漠、荒地、鐵路、各種等級(jí)的公路等不同地帶，背景信號(hào)噪聲多種多樣。因此，信號(hào)識(shí)別技術(shù)對(duì)提高管道光纖預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)用性極其重要，即盡量獲取管道周圍的環(huán)境噪聲的數(shù)據(jù)，建立龐大的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)庫，記錄環(huán)境噪聲的細(xì)節(jié)和信息，根據(jù)各種檢測(cè)信號(hào)的不同特征對(duì)各種信號(hào)分類，管道沿線的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過信號(hào)識(shí)別預(yù)處理技術(shù)提取測(cè)試數(shù)據(jù)的特征，并對(duì)測(cè)試信號(hào)分類，從而準(zhǔn)確區(qū)分出管道沿線的各種測(cè)試信號(hào)的特征，保證檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別管道附近發(fā)生事件的性質(zhì)[4]。

基于不同的信號(hào)處理原理，從傳統(tǒng)的傅里葉變換開始的信號(hào)處理技術(shù)目前已發(fā)展出基于小波包分解的檢測(cè)信號(hào)特征提取技術(shù)、基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的檢測(cè)信號(hào)特征提取技術(shù)、基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法、基于支持向量機(jī)的識(shí)別方法等。信號(hào)識(shí)別和處理技術(shù)是光纖預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)和最大難點(diǎn)，目前全球各家公司提供的光纖預(yù)警系統(tǒng)均標(biāo)榜其獨(dú)到的信號(hào)識(shí)別技術(shù)，有些公司的產(chǎn)品從建成到系統(tǒng)投用需要數(shù)年的調(diào)試時(shí)間，其中主要的調(diào)試內(nèi)容就是辨識(shí)環(huán)境噪聲，建立環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)庫，有的系統(tǒng)還具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能，可以自動(dòng)存儲(chǔ)發(fā)生的環(huán)境噪聲和威脅事件的特征。因此，對(duì)長輸天然氣管道而言，光纖預(yù)警系統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)的好壞是投用成功與否的關(guān)鍵因素[5]。

2對(duì)中亞某管道采用光纖預(yù)警技術(shù)的分析

該管道位于中亞地區(qū)，管道穿越大量人煙稀少區(qū)，依托環(huán)境差、形勢(shì)復(fù)雜，沿線社會(huì)狀況變化較大，自然條件也極其惡劣，山區(qū)段多，有大量隧道、河流穿越。該管道政治經(jīng)濟(jì)意義重大，為保障管道安全運(yùn)行，在常規(guī)的人工巡檢方式外，應(yīng)探尋裝備使用精確定位、可靠性高的安全預(yù)警系統(tǒng)[6]。

該管道采用通信光纜全線同溝敷設(shè)，采用分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)不需再敷設(shè)光纖，可在管道建設(shè)時(shí)同步實(shí)現(xiàn)，因而與基于其他技術(shù)的安全預(yù)警系統(tǒng)相比，有經(jīng)濟(jì)和進(jìn)度上的保證。全球許多專注安全預(yù)警系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)已成功實(shí)現(xiàn)了多例光纖安全預(yù)警系統(tǒng)，國內(nèi)的油氣管線近年來也有較多應(yīng)用，均在各自領(lǐng)域取得了較好的效果，光纖預(yù)警系統(tǒng)的可靠性逐漸提高。同其他的安全預(yù)警方式相比，如紅外線檢測(cè)方式，基于光纖預(yù)警的檢測(cè)系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)在于可以提前發(fā)現(xiàn)安全威脅，保證及時(shí)檢修，減少或者避免經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

管道的閥室、壓氣站等有安全預(yù)警需求的場(chǎng)所均可采用環(huán)形光纖預(yù)警系統(tǒng)。線路的光纖預(yù)警系統(tǒng)可以利用通信光纜中的剩余光芯實(shí)現(xiàn)，根據(jù)所采用光纖預(yù)警系統(tǒng)的產(chǎn)品特征每隔一定的距離設(shè)置信號(hào)發(fā)生和處理裝備，進(jìn)入SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全線安全預(yù)警。例如瑞士OMNISENS公司的DITEST光纖產(chǎn)品利用普通通信光纖，通過每隔30 km設(shè)置雙向信號(hào)發(fā)生和處理裝置可在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)3 m的檢測(cè)精度，它的基本原理是當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)會(huì)發(fā)生溫度變化，引起光纖應(yīng)力應(yīng)變，進(jìn)而使通過光纖的光波相位發(fā)生變化，根據(jù)光波的相位變化情況便可確定管道是否發(fā)生泄漏，根據(jù)雙向傳播的光波從泄漏點(diǎn)到兩端信號(hào)檢測(cè)裝置的時(shí)間差便可確定泄漏點(diǎn)的位置。它實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害如大地位移、管道變形等的檢測(cè)原理同泄漏檢測(cè)原理基本一致，所不同的是入侵檢測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)不是根據(jù)光纖所處的溫度變化情況，而是根據(jù)管道或土壤發(fā)出的聲波或振動(dòng)情況來辨別是否有安全威脅。光纖檢測(cè)的靈敏度還同光纖和管道所處的相對(duì)位置有關(guān)，應(yīng)使光纖位于天然氣管道上部，并同管道保持一定的距離。世界各大公司的光纖預(yù)警產(chǎn)品的主要區(qū)別在于所采用的檢測(cè)方式和辨識(shí)技術(shù)不一樣，良好的辨識(shí)技術(shù)是優(yōu)秀光纖預(yù)警產(chǎn)品的一大特征，它的算法主要通過編制的信號(hào)處理軟件來實(shí)現(xiàn)，為有良好的辨識(shí)效果，有的產(chǎn)品可能需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間建立環(huán)境噪聲的數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，信號(hào)處理和辨識(shí)的時(shí)間也非常關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)精度所需的算法工作量是呈幾何倍數(shù)增加的，這就意味著把檢測(cè)精度從30 m提高到3 m需要增加巨大的算法工作量，從而增加辨識(shí)時(shí)間，所以如何平衡預(yù)警時(shí)間和檢測(cè)精度也是應(yīng)用光纖預(yù)警系統(tǒng)需考慮的主要問題之一。

3結(jié)束語

通過對(duì)分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)的研究和中亞某管道項(xiàng)目實(shí)際情況的分析，結(jié)合管道面臨的實(shí)際安全狀況和工程建設(shè)的方案，采用光纖預(yù)警系統(tǒng)較適合該管道項(xiàng)目所處的復(fù)雜形勢(shì)。同溝光纜敷設(shè)情況下基于分布式光纖技術(shù)的管道安全預(yù)警系統(tǒng)除了經(jīng)濟(jì)上合理、工期上有保證、質(zhì)量上可靠外，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道全線的安全預(yù)警全覆蓋。為提高辨識(shí)精度、辨識(shí)效率和辨識(shí)的有效性，降低誤報(bào)率，需采用具有優(yōu)秀辨識(shí)算法、能夠合理建造環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)品，并綜合考慮平衡響應(yīng)時(shí)間和檢測(cè)精度。作為發(fā)展的趨勢(shì)，隨著信號(hào)識(shí)別和信號(hào)處理、辨識(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，光纖預(yù)警系統(tǒng)將為管道安全平穩(wěn)運(yùn)行提供更強(qiáng)有力的保障。

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中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)01-0057-04

作者簡(jiǎn)介：李華杰(1983—)，男，畢業(yè)于清華大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石油中亞天然氣管道有限公司，主要從事天然氣管道自動(dòng)化、通信領(lǐng)域的研究工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-10-15，修改稿收到日期： 2015-12-14。