基于光纖螺旋纏繞技術(shù)的熱力管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)研究

陳亞峰，張曉明，張睿平 ，周澤彧 ，曹國清

（1.北京石油化工學(xué)院 信息工程學(xué)院，北京 102617；2.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

熱力管網(wǎng)在我國分布范圍較廣，在工業(yè)、民生等領(lǐng)域有著無可代替的作用。相較于對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有重大影響的石油化工行業(yè)，熱力管道無論是行業(yè)發(fā)展和檢測技術(shù)等方面都存在著許多不足之處。一方面，熱力管道的架設(shè)往往采用地埋的方式，很多傳統(tǒng)檢測的技術(shù)無法展開有效應(yīng)用；另一方面，熱力管道由于其自身所帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低，企業(yè)和科研院所的科研投入有限，從而導(dǎo)致整體的信息化水平較低。目前國內(nèi)外對(duì)于熱力管道的泄漏檢測大多是借鑒石油和天然氣的管道泄漏檢測方法，常見的有負(fù)壓波檢測法、漏磁檢測法、聲波檢測法、紅外熱成像法、光纖光柵檢測法等。負(fù)壓波和漏磁檢測法雖然能夠?qū)艿佬孤┻M(jìn)行定位，無法完成對(duì)熱力管道溫度的連續(xù)監(jiān)測；聲波法對(duì)微小泄漏難以檢測；紅外熱成像法雖然應(yīng)用較廣，但是泄漏檢測存在很強(qiáng)的滯后性；采用光纖光柵傳感器的熱力管道監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)管線的準(zhǔn)分布式檢測，但是在泄漏定位精度等方面有待提高[1-4]。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器以其對(duì)溫度的分布式測量和基于光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）對(duì)泄漏點(diǎn)的定位在熱力管道泄漏監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)勢[5]。德國ILF公司的J.Frings和日本橫河電機(jī)株式會(huì)社的Shoji Adachi等都曾提出采用分布式光纖來進(jìn)行油氣管道和熱力管道的泄漏監(jiān)測[6-8]，國內(nèi)目前也開展了不少應(yīng)用研究。采用分布式光纖測溫技術(shù)進(jìn)行管道泄漏監(jiān)測，光纖傳感器通常根據(jù)管道內(nèi)傳輸介質(zhì)不同，沿管道軸向鋪設(shè)于管道四周，這種布線方式工程量小、布線簡單，但是也存在測量盲區(qū)較大、定位精度較低的問題。

對(duì)于上述存在問題，首先在分布式光纖測溫技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了熱力管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，用于提高管道泄漏檢測的實(shí)時(shí)性；并對(duì)如何提高管道泄漏檢測精度展開研究，提出了一種基于螺旋纏繞原理的光纖布線方式，能夠有效改善泄漏定位精度。

1 熱力管道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

熱力管道泄露監(jiān)測系統(tǒng)為了達(dá)到更好的實(shí)時(shí)監(jiān)測效果，應(yīng)該集管線溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)于一身，囊括遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警、能源計(jì)算等各項(xiàng)模塊功能。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱力管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Thermal pipeline leakage monitoring system

在實(shí)際應(yīng)用中，熱力管網(wǎng)由于分布較廣應(yīng)該按區(qū)域進(jìn)行劃分，所在區(qū)域的管道和測溫傳感器設(shè)備構(gòu)成1個(gè)監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)至少由1個(gè)監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)、1個(gè)云計(jì)算平臺(tái)、1個(gè)監(jiān)控總站構(gòu)成；每個(gè)監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)都包含有用于檢測管線溫度的測溫光纖和分布式光纖測溫主機(jī)；子節(jié)點(diǎn)在獲取管線溫度數(shù)據(jù)后通過有線或無線的方式將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控總站和云計(jì)算平臺(tái)。監(jiān)控總站用于獲取數(shù)據(jù)之后實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，云計(jì)算平臺(tái)用于溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、備份和能源計(jì)算。當(dāng)管道運(yùn)行過程中發(fā)生泄露時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自上而下的產(chǎn)生報(bào)警，報(bào)警平臺(tái)會(huì)按區(qū)域聯(lián)系巡檢員進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)和管道維護(hù)。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸工作原理

熱力管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)自下而上的傳輸?？紤]城市熱力管網(wǎng)的實(shí)際情況，可以通過有線和無線并行冗余的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。有線數(shù)據(jù)傳輸可以通過路由器直接與公網(wǎng)相連。

對(duì)于沒有有線網(wǎng)絡(luò)條件的監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)則采用無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32Fl04作為主控制核心，通過以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)對(duì)測溫主機(jī)的數(shù)據(jù)的接收；GPRS無線通信模塊采用SIMCom的SIM900A模塊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的無線接入和溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。無線傳輸硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線傳輸硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of wireless transmission

1.3 云計(jì)算平臺(tái)的選擇和使用

對(duì)于熱力管道而言，傳輸介質(zhì)溫度是最有價(jià)值的物理量指標(biāo)，傳統(tǒng)的熱力管道監(jiān)測系統(tǒng)或者是熱力管道檢測方法，忽視或者沒有實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的價(jià)值沒有有效的挖掘利用。云平臺(tái)技術(shù)可以有效解決數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲(chǔ)與計(jì)算的問題。

云計(jì)算平臺(tái)一般可以分為存儲(chǔ)型、計(jì)算型、兼顧存儲(chǔ)和計(jì)算的綜合型。本熱力管道監(jiān)測系統(tǒng)采用綜合型云計(jì)算平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測子站溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線存儲(chǔ)，進(jìn)一步可以利用云計(jì)算服務(wù)結(jié)合其他數(shù)據(jù)資源能實(shí)現(xiàn)管道的能源計(jì)算、架設(shè)優(yōu)化選址、故障分析預(yù)測等。

2 光纖的螺旋布線方法設(shè)計(jì)

2.1 螺旋纏繞布線法

在實(shí)際應(yīng)用中，光纖傳感器在熱力管道保溫層中的布線方式是沿管道軸向直線鋪設(shè)，管道長度即光纖長度。此時(shí)，定義管道檢測空間分辨率為α，表示熱力管線上溫度測點(diǎn)的空間分布式程度，分布式光纖測溫系統(tǒng)的空間分辨率為S[9]，在不考慮其他因素的情況下，系統(tǒng)的空間分辨率與上述定義的管道檢測能夠獲取溫度點(diǎn)的空間分辨率有如下關(guān)系：

為了提高管道檢測空間分辨率，采用光纖螺旋纏繞布線法。螺旋纏繞法也叫螺旋箍筋法，在建筑工程中常用于圓柱體的纏繞計(jì)算。針對(duì)熱力管道結(jié)構(gòu)和保溫材料性能進(jìn)行分析，通過使用測溫光纖對(duì)熱力管道內(nèi)管管壁進(jìn)行螺旋纏繞的布線方式可以提高單位管道測量點(diǎn)分布式程度，達(dá)到改善管道泄漏的檢測效果。熱力管道螺旋纏繞布線方式如圖3所示。

圖3 熱力管道光纖螺旋纏繞布線示意Fig.3 Spiral winding wiring for thermal pipeLine

圖3中p為螺距，D為內(nèi)管直徑，d為測量光纜的直徑。每米管道采用螺旋纏繞布線方式消耗光纖總長計(jì)算公式為

式中：l為每米熱力管道所需螺旋纏繞光纖的長度，在測溫光纜的直徑d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管道的直徑大小D的情況下，可以忽略光纖尺寸的影響，簡化為

通過上述公式可以對(duì)采用該種布線方式的管道進(jìn)行光纖長度的定量計(jì)算，結(jié)合具體物理指標(biāo)進(jìn)行布線性能的分析。

2.2 技術(shù)分析

熱力管道在發(fā)生微小泄漏時(shí)，由于保溫材料滲透性較差，會(huì)導(dǎo)致熱水和蒸汽擴(kuò)散較慢。采用常規(guī)的光纖布線方式，泄漏檢測效果較差，會(huì)存在檢測盲區(qū)或者泄漏檢測滯后性的問題。光纖螺旋纏繞布線的方式能夠減小此類問題的影響，圖4描述了2種不同布線方式分別應(yīng)用于熱力管道進(jìn)行泄漏檢測。

圖4 兩種不同布線方式泄漏檢測效果示意Fig.4 Detectable results for different kinds of wiring methods

在管道發(fā)生微小泄漏時(shí)，由于保溫層的阻礙作用，常規(guī)的布線方式（Fiber2）很難及時(shí)檢測到管道的泄漏。采用光纖螺旋纏繞的方式（Fiber1）能夠有效減小管道泄漏檢測的盲區(qū)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)微小泄漏。

相比于普通的光纖布線方式，光纖螺旋纏繞布線法在有效減小檢測盲區(qū)的同時(shí)能夠進(jìn)一步增加空間測點(diǎn)數(shù)量、提高管道檢測空間分辨率。

結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析，某段熱力管線長度L為100 m，其內(nèi)管直徑D約為200 mm，光纖的直徑d約為3 mm，測溫系統(tǒng)空間分辨率S為0.4 m。采用沿軸鋪設(shè)光纖和螺旋纏繞的布線方式進(jìn)行測點(diǎn)比較和管道空間分辨率計(jì)算，如表1所示。

表1 不同布線方式管道檢測空間分辨率比較Tab.1 Comparison of pipeline detection spatialresolution for different wiring methods

由表1可知采用內(nèi)管螺旋纏繞的方法，可以有效地增加管道單位長度上測點(diǎn)數(shù)量，改善管道測點(diǎn)的分布式程度，提高管道檢測空間分辨率，從而達(dá)到改善泄漏定位精度的效果。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，管道的檢測空間分辨率與系統(tǒng)空間分辨率關(guān)系為

當(dāng)螺距p遠(yuǎn)大于管徑D時(shí)，根據(jù)式（4）可以發(fā)現(xiàn)管道的檢測分辨率α將會(huì)無限接近于測溫系統(tǒng)的空間分辨率S。所以螺距p必然不能無限制增大應(yīng)該設(shè)置上限，視α達(dá)到S的80%為管道檢測空間分辨率有較好提升。根據(jù)公式螺距p約達(dá)到4 D大?。?倍的管徑）左右時(shí)，到達(dá)臨界狀態(tài)，大于此值管道檢測空間分比率不會(huì)出現(xiàn)明顯的提高。

在光纖的布設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些泄漏定位精度要求較高的管線，不能通過無限制的減小螺距、加密纏繞、提高管道檢測空間分辨率的方法來改善定位情況。當(dāng)在一段螺距距離內(nèi)的光纖長度如果都沒有達(dá)到分布式光纖系統(tǒng)本身最小的空間分辨率S時(shí)，出現(xiàn)1個(gè)或多個(gè)沒有溫度測點(diǎn)的空螺旋環(huán)，如圖5所示。

圖5 最小布線螺距示意Fig.5 Smallest pitch of pipeline

由圖5可知，相鄰的2個(gè)測溫點(diǎn)2、3之間存在沒有任何溫度測點(diǎn)的空螺旋環(huán)，此種情況無謂的增加了工程量，認(rèn)為纏繞過于密集，螺距選擇到達(dá)下限，應(yīng)當(dāng)避免。

考慮2種臨界情況，應(yīng)有如下公式：

選擇適當(dāng)螺距進(jìn)行螺旋纏繞布線，能夠有效增加單位距離內(nèi)的測點(diǎn)數(shù)量，有效減少測量死區(qū)，與此同時(shí)會(huì)存在經(jīng)濟(jì)和施工量相關(guān)的問題。因此該種方法更適用于小測量范圍、高測量需求的管線。

3 泄漏仿真與監(jiān)測試驗(yàn)分析

為了能夠隨時(shí)隨地對(duì)熱力管線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用了B/S架構(gòu)的形式。通過在試驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)熱力管道正常運(yùn)行和局部發(fā)生泄漏下的狀態(tài)監(jiān)測，來實(shí)現(xiàn)溫度的可視化監(jiān)控和管道的泄漏定位分析，試驗(yàn)環(huán)境如圖6所示。

圖6 熱力管道泄漏仿真試驗(yàn)環(huán)境Fig.6 Thermal pipeline leakage experiment environment

3.1 管線溫度可視化監(jiān)控

試驗(yàn)段管道距離為5.11 m，管徑為200 mm，光纖直徑忽略不計(jì)。采用上節(jié)所述螺旋纏繞法在內(nèi)管壁進(jìn)行布線。根據(jù)式（5）所述，可以計(jì)算出合理取值范圍螺距應(yīng)該近似小于1400 mm。試驗(yàn)段管道長度較短為了盡可能多獲取測量點(diǎn)，纏繞螺距選取為100 mm。根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示理論條件下采用螺旋纏繞方式管線測點(diǎn)應(yīng)為81個(gè)，實(shí)測點(diǎn)為79個(gè)。

通過獲取底層解析后的溫度數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)控曲線如圖7所示。

圖7 常溫下管道溫度運(yùn)行監(jiān)測界面Fig.7 Temperature curve of pipeline temperature at ambient temperature

監(jiān)控結(jié)果顯示，常溫條件下，管道運(yùn)行狀態(tài)較為平穩(wěn)，溫度波動(dòng)較小。

3.2 管道泄漏監(jiān)控分析

熱力管道在正常運(yùn)行過程中，由于保溫材料的自身物理特性，在內(nèi)外管之間的保溫層中，會(huì)形成一個(gè)較為穩(wěn)定的溫度場。一旦在運(yùn)行過程中內(nèi)管發(fā)生泄漏，滲透作用會(huì)使熱水和蒸汽進(jìn)入保溫層中，造成保溫層中溫度梯度的變化，形成泄漏后的新的溫度場分布。測溫光纖貼近于內(nèi)管與保溫層，其自身的溫敏特性能夠敏銳地察覺細(xì)微的溫度變化。

試驗(yàn)中模擬熱力管道發(fā)生局部微小滲漏的情況，已知管道內(nèi)流體溫度為30.0℃，環(huán)境溫度約為19.8℃，給定泄漏點(diǎn)位置距離起始點(diǎn)2.30 m處，給定泄漏點(diǎn)口徑大小約為2 cm，已知熱力管道口徑和保溫層的材料屬性。根據(jù)熱力學(xué)傳熱原理，考慮在二維穩(wěn)態(tài)物理無內(nèi)熱源的情況下保溫層中溫度場的變化[10-11]。給出傳熱的微分方程和相應(yīng)的邊界條件：

式中：Γn為保溫層溫度場相應(yīng)的邊界溫度。利用Fluent軟件建立保溫層的熱力學(xué)溫度模型如圖8所示。

圖8 泄漏管道保溫層中溫度場示意Fig.8 Temperature field in the leaky insulation layer

當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，保溫層中局部的溫度平衡會(huì)遭到破壞，熱水和蒸汽的滲漏和擴(kuò)散作用會(huì)造成泄漏點(diǎn)附近的溫度升高，泄漏點(diǎn)附近溫度達(dá)到最大。仿真表明，距離泄漏點(diǎn)越近所測溫度越接近管道內(nèi)流體溫度的真實(shí)值，這種溫度變化為使用分布式光纖來進(jìn)行管道檢測和定位提供了依據(jù)。

監(jiān)控軟件根據(jù)管道流體運(yùn)行狀態(tài)，人為設(shè)定溫度預(yù)警閾值，當(dāng)溫度超過閾值視為管道發(fā)生泄漏溫度，給出泄漏警報(bào)和滲漏點(diǎn)位置。管道泄漏時(shí)監(jiān)控曲線如圖9所示。

圖9 管道泄漏曲線軟件監(jiān)控界面Fig.9 Pipeline leakage curve software monitoring diagram

在管道泄漏試驗(yàn)中，當(dāng)泄漏點(diǎn)附近溫度場發(fā)生變化，纏繞于管壁的光纖能夠迅速做出響應(yīng)，在泄漏點(diǎn)附近溫度達(dá)到峰值。

在試驗(yàn)環(huán)境下，采用光纖沿軸鋪設(shè)和螺旋纏繞的方式分別對(duì)同一泄漏點(diǎn)進(jìn)行泄漏定位測量，測量結(jié)果分別表示成位置、溫度的二維坐標(biāo)形式，單位分別為“米”和“攝氏度”。泄漏點(diǎn)的定位測量初始值為（2.30，30.0）。其中采用光纖沿管道軸向鋪設(shè)方式表示為S1，螺旋纏繞的布線方式表示為S2。比較2種布線方式下給出的泄漏點(diǎn)位置和溫度如表2所示。

表2 兩種光纖布線方式對(duì)于泄漏點(diǎn)的定位情況對(duì)比Tab.2 Comparison of two optical fiber wiring modes for leakage location

表2中可以看出采用第二種布線方式即螺旋纏繞的布線方式對(duì)于泄漏點(diǎn)的溫度測量更為接近真實(shí)值。結(jié)合泄漏溫度場的泄漏仿真和所測泄漏點(diǎn)溫度分析，光纖的螺旋纏繞測溫法所測得泄漏點(diǎn)位置應(yīng)該距離真實(shí)泄漏點(diǎn)更近。試驗(yàn)中采用光纖螺旋纏繞布線法對(duì)于泄漏點(diǎn)的定位誤差僅為0.067，明顯小于常規(guī)光纖布線方式所得定位誤差0.137，與分析結(jié)果相符。因此，光纖螺旋纏繞的布線方式能夠有效提高管線泄漏定位精度，具有更好的檢測效果。

4 結(jié)語

針對(duì)熱力管道行業(yè)展開研究，在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)之上提出了一套基于光纖纏繞布線技術(shù)的城市熱力管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)用于改善泄漏監(jiān)測實(shí)時(shí)性問題和提升泄露檢測的定位精度。給出了熱力管道光纖螺旋纏繞布線方法的技術(shù)方案和螺距最優(yōu)取值范圍計(jì)算方法。

通過試驗(yàn)分析和驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)熱力管線的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對(duì)管線溫度變化做出良好的響應(yīng)，光纖螺旋纏繞布線的方法更是能有效提升對(duì)泄漏點(diǎn)的定位精度，對(duì)于熱力管道的監(jiān)測具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 劉翠偉，李玉星，王武昌，等.輸氣管道聲波法泄漏檢測技術(shù)的理論與試驗(yàn)研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2013，38（3）：372-381.

[2] 李惠增，楊華，曹磊，等.紅外熱成像用于熱力管道檢漏技術(shù)研究[J].供熱節(jié)能，2016（6）：30-31.

[3] 尚教慶.基于光纖光柵溫度傳感器原理的熱力管道監(jiān)測系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（38）：247-250.

[4] 基于LabVIEW的長輸天然氣管道泄漏檢測與定位研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，16（1）：147-151.

[5] 莊須葉，王浚璞，鄧勇剛，等.光纖傳感器技術(shù)在管道泄漏檢測中的應(yīng)用和發(fā)展[J].光學(xué)技術(shù)，2011，37（5）：543-550.

[6] Frings J，Walk T.Pipeline leakage detection using distributed fiber optic sensing[J].Pipeline Inspection and Control，2010（2）：57-61.

[7] Shoji Adachi.Distributed optical fiber sensors and their applications[C]//SICE Annual Conference，The University Electro-Communications，Japan，2008.

[8] Siebenaler Shane P，Walter Gary R.Detection of small leaks in liquid pipelines utilizing distributed temperature sensing[C]// Proceedings of the 2012 9th International Pipeline Conference，Alberta，Canada，2012.

[9] 周正仙.分布式光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[10]呂安強(qiáng).基于分布式光纖應(yīng)變和溫度傳感的光纖復(fù)合海底電纜狀態(tài)監(jiān)測方法研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2015.

[11]遠(yuǎn)亞群，王茂廷，李程，等.基于ANSYS對(duì)有保溫?zé)崃艿赖臒釗p失及接觸表面溫度分析[J].當(dāng)代化工，2014，43（1）：144-148.