分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)字化開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

胡利娜

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

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分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)字化開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

胡利娜

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

由于山西煤層氣資源豐富，燃?xì)廨斔凸芫€(xiàn)分布復(fù)雜，在管網(wǎng)的運(yùn)行中，常受到外在入侵事情的影響，致使事故頻發(fā)。為了有效監(jiān)管管網(wǎng)的運(yùn)行，開(kāi)發(fā)基于光干涉原理的長(zhǎng)距離分布式光纖管道振動(dòng)傳感系統(tǒng)，以MZ干涉技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)分析分布式光纖傳感器兩端的探測(cè)器檢測(cè)到同一入侵事件的時(shí)間數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信號(hào)的特征，準(zhǔn)確的判斷入侵事件的發(fā)生位置，提高管網(wǎng)運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)測(cè)水平。

光干涉原理；分布式光纖傳感技術(shù)；MZ干涉技術(shù)；入侵事件

山西是煤層氣資源富集地區(qū)，約占全國(guó)煤層氣資源的1/3。開(kāi)發(fā)和利用煤層氣產(chǎn)業(yè)，滿(mǎn)足人民日常所需，對(duì)落實(shí)國(guó)家轉(zhuǎn)型發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和低碳環(huán)保具有十分重要的意義。

目前我省已建成的輸氣管道干線(xiàn)總長(zhǎng)約3 500多公里，覆蓋省內(nèi)11個(gè)地市的81個(gè)縣區(qū)。然而，隨著燃?xì)馊霊?hù)不斷增加，燃?xì)夤芫W(wǎng)的布設(shè)也在逐步增多，導(dǎo)致地下管網(wǎng)變得紛亂錯(cuò)雜，在日常管道運(yùn)營(yíng)中，頻繁受到外界各種入侵事件的影響致使管網(wǎng)事故頻發(fā)，其后果多為管道燃?xì)庑孤┮l(fā)的火災(zāi)、爆炸，直接對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

傳統(tǒng)的長(zhǎng)距離運(yùn)輸管道泄漏監(jiān)測(cè)方法主要是基于管內(nèi)運(yùn)輸介質(zhì)的溫度、流量、壓力和管壁完好程度來(lái)判斷，但是這些方法普遍存在問(wèn)題主要有：不能提前或?qū)崟r(shí)對(duì)介質(zhì)泄漏隱患進(jìn)行預(yù)報(bào)，事故發(fā)生后難以及時(shí)準(zhǔn)確判定泄漏的具體位置等。本文針對(duì)當(dāng)前燃?xì)膺\(yùn)輸過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了采用分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的運(yùn)輸情況，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和定位泄漏隱患存在位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理問(wèn)題，確保人民生命安全。

1 分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的連續(xù)、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，也是當(dāng)今光纖傳感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向。另外，分布式傳感系統(tǒng)具有較高的性?xún)r(jià)比，使得在大型管道運(yùn)輸工程中廣泛研究應(yīng)用，光纖傳感領(lǐng)域中基于各種散射機(jī)理的分布式傳感系統(tǒng)是其研究的熱點(diǎn)之一[1]。

基于光干涉原理的長(zhǎng)距離分布式光纖管道振動(dòng)傳感技術(shù)，此技術(shù)主要以MZ干涉技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)利用雙向干涉結(jié)果的相對(duì)相位，采用相關(guān)的方法取得兩者相對(duì)時(shí)差進(jìn)行定位。入射激光、光纖耦合器以及傳感光纖等的本身特性決定了分布式光纖的靈敏度。在長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，由于大量噪聲引起的相位擾動(dòng)很大程度上會(huì)使監(jiān)測(cè)信號(hào)湮沒(méi)，相關(guān)性大大減弱，對(duì)于這一問(wèn)題，針對(duì)性的提出先對(duì) MZ干涉進(jìn)行解調(diào)，然后在獲取實(shí)際相位變化后再進(jìn)行定位的方法。其原理圖如下圖1所示。

圖1 基于MZ的光纖干涉系統(tǒng)原理示意圖

其基本工作原理為：由1端發(fā)出的光，經(jīng)耦合器1后分別進(jìn)入長(zhǎng)度基本相同的兩根單模光纖中。兩根光纖輸出的光在第2個(gè)耦合器處發(fā)生干涉。同樣，由于光路的對(duì)稱(chēng)性可知，在由2端發(fā)出的光，也同樣在耦合器1處發(fā)生干涉。在傳感光纖無(wú)擾動(dòng)前提下，1端發(fā)出的光會(huì)在2端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。同時(shí)，由2端發(fā)出的光也將會(huì)在1端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。在采用窄帶激光作為光源時(shí)，將分別在1端和2端接到穩(wěn)定的光功率[2]。

2 燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

針對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)易燃易爆特性，以及當(dāng)前管線(xiàn)監(jiān)測(cè)方式多為帶電操作、人工監(jiān)測(cè)為主，該系統(tǒng)基于多種光纖傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)復(fù)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以解決當(dāng)前燃?xì)夤芫W(wǎng)安全缺乏有效監(jiān)測(cè)手段的問(wèn)題，對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)管線(xiàn)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(泄漏、管壁形變、溫度等的綜合監(jiān)測(cè))，并通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸反饋終端，由終端計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)線(xiàn)路同時(shí)報(bào)警法[3]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于光干涉原理、拉曼散射原理的光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，多種傳感技術(shù)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)夤芫€(xiàn)泄漏全方位監(jiān)測(cè)，兩種方式結(jié)合，減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)，為值班人員提供管線(xiàn)安全告警，極大地降低漏報(bào)概率。

3 燃?xì)夤艿赖臋z漏和定位

基于光干涉原理的長(zhǎng)距離分布式光纖管道振動(dòng)傳感技術(shù)，利用分布式光纖振動(dòng)傳感器獲取管道沿線(xiàn)振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)特征分析及模式識(shí)別，對(duì)管道沿線(xiàn)引起振動(dòng)的事件進(jìn)行判別。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)管道沿線(xiàn)確有威脅管道安全的異常事件發(fā)生時(shí)，立即對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常事件的事發(fā)點(diǎn)進(jìn)行定位幫助，線(xiàn)路維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的竊取、入侵和破壞行為。用三根光纖組成兩組MZ干涉儀，光纖1和2作為振動(dòng)檢測(cè)臂，其有相向傳輸?shù)膬山M相干光傳播，并在耦合器和2處發(fā)生干涉，在分別進(jìn)入探測(cè)器1和2，光纖3作為信號(hào)傳輸臂構(gòu)成信號(hào)傳輸回路[4]。其定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于事件發(fā)生的位置到分布式傳感器兩端探測(cè)器的距離不同，而光波在光纖中的傳播速度是一定的，因此分布式光纖傳感器兩端的探測(cè)器檢測(cè)到同一事件的時(shí)間也不相同，假設(shè)傳感器首端和末端的兩個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到同一事件的時(shí)間分別為t1和t2，根據(jù)兩個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到同一事件的時(shí)間，計(jì)算事件發(fā)生位置的原理如圖4所示。

圖4 定位原理

因此分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)單端定位公式可以表示為：

公式中，t1為探測(cè)器1感知到振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間，t2為探測(cè)器2感知到振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間，v為光波在傳感器中的傳播速度，v=c/n(c為光速，n光纖的折射率)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析結(jié)果

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)完成后，選擇一段在建的燃?xì)廨斔凸艿肋M(jìn)行試驗(yàn)，光纖布設(shè)長(zhǎng)度約50kM，光纜為纏繞敷設(shè)在管道上，并隨同光纜直埋。利用該光纜中的三芯構(gòu)成MZ干涉原理的燃?xì)夤艿腊踩A(yù)警系統(tǒng)，用來(lái)對(duì)燃?xì)廨斔凸艿姥鼐€(xiàn)出現(xiàn)的外物入侵或燃?xì)庑孤哆M(jìn)行預(yù)警和定位。

試驗(yàn)選用人為用鐵鍬在輸送管道上方作業(yè)，對(duì)埋設(shè)的管道進(jìn)行挖掘。當(dāng)挖掘進(jìn)行到一定深度時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警并定位，試驗(yàn)過(guò)程中收集到如下表1的42組數(shù)據(jù)。

表1 挖掘信號(hào)定位數(shù)據(jù)

表中挖掘定位的平均值為24 023 m，定位標(biāo)準(zhǔn)差121 m。

通過(guò)上述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，可以得出采用基于MZ干涉技術(shù)為基礎(chǔ)的光干涉原理長(zhǎng)距離分布式光纖管道振動(dòng)傳感技術(shù)，在大約50 kM左右的檢測(cè)干線(xiàn)上，能夠?qū)⒍ㄎ痪却_定在120 m內(nèi)，相對(duì)精度達(dá)到0.24%。通過(guò)此試驗(yàn)及其結(jié)果分析，采用分布式光纖振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)50 kM燃?xì)夤芫W(wǎng)輸送的無(wú)人監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)可靠的對(duì)外來(lái)入侵事件進(jìn)行報(bào)警和定位，確保燃?xì)廨斔桶踩?/p>

另外，實(shí)驗(yàn)也表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，檢測(cè)靈敏度和定位精度均達(dá)到使用要求，能夠推廣應(yīng)用于工程實(shí)踐。

[1] 廖延彪.光纖光學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[2] 周寒青，陳署英，隋成華.馬赫-澤德光纖傳感器試驗(yàn)研究[J].激光與紅外,2005,35(10):794-796.

[3] 周琰，靳世久.管道泄漏檢測(cè)分布式光纖傳感技術(shù)研究[J].光電子.激光,2005,16(8):935-938.

[4] 江毅，婁英明.基于對(duì)稱(chēng)3X3耦合器的光纖干涉信號(hào)的軟件解調(diào)技術(shù)[J].光子學(xué)報(bào),1998,27(2):152-155.

Application of Distributed Optical Fiber Sensing Technology in the Digital Development of Gas Pipeline Network

Hu Lina

(ShanxiXATAutomationEngineeringCo.,LTD.,TaiyuanShanxi,030012,China)

Due to the rich coalbed methane resources in Shanxi,the distribution of gas transmission pipeline is complex.During the operation of pipe network,accidents often occur by the impact of external invasion,.In order to effectively monitor the network operation,the long distance distributed optical fiber pipeline vibration sensing system is developed based on the light interference principle.The time data of the same intrusion event is detected by the detector at both ends of the distributed optical fiber sensor and fused based on MZ interferometry technology.According to the characteristics of data signal monitoring,the position of intrusion events is exactly judged and the monitoring level of pipeline transportation is improved.

principle of optical interference; distributed optical fiber sensing technology; MZ interference technique; intrusion event

2016-08-15

胡利娜(1984-)，女，山西晉中人，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：高速公路三大系統(tǒng)及隧道機(jī)電。

1674-4578(2016)05-0045-02

TP274.4

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