長輸熱網(wǎng)光纖監(jiān)測系統(tǒng)工程應用

劉 璐， 王 斌， 陳 濤

(北京市煤氣熱力工程設計院有限公司，北京100032)

1 概述

集中供熱已成為解決我國中型、大型、特大型城市供熱的主要方式，與國外相比，我國集中供熱雖然發(fā)展較晚，但近年來發(fā)展迅速，且具有供熱管徑大、輸送距離長的特點。目前，我國熱網(wǎng)的敷設方式主要以直埋為主，然而由于材料老化、環(huán)境腐蝕、極端荷載等因素的交互作用，直埋供熱管道結構狀態(tài)退化現(xiàn)象不可避免，甚至出現(xiàn)管道泄漏的安全事故[1]。管道泄漏不但造成經(jīng)濟損失，而且對人民生活和公共安全產(chǎn)生嚴重影響。

分布式光纖可實現(xiàn)長距離結構溫度、振動、聲音、應變的監(jiān)測。分布式光纖振動傳感技術原理為周界振動會導致光纖受壓，引發(fā)光纖折射率變化，并進而導致光相位改變。在光纖各參量保持恒定的情況下，相位差的改變與外界壓力成正相關。壓力的調(diào)制作用能夠通過傳感光纖的光相位差來體現(xiàn)，通過監(jiān)測光相位變化便可實現(xiàn)光纖分布式振動測量[2]。于海洋等人[3]提出采用布里淵光纖傳感器可有效監(jiān)測供熱管道工作鋼管外壁前期銹蝕情況，監(jiān)測范圍大，可滿足實際工程需求。岳福義[4]對分布式光纖在線檢漏系統(tǒng)的技術原理、方案設計等內(nèi)容進行了介紹。本文結合工程實例，對長輸熱網(wǎng)光纖監(jiān)測系統(tǒng)的實際應用進行介紹。

2 光纖監(jiān)測系統(tǒng)

光纖監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)長輸供熱管道泄漏監(jiān)測、熱力井蓋防盜及供熱管道防挖掘等功能，主要包括監(jiān)測子系統(tǒng)、風光互補發(fā)電站、監(jiān)控中心。監(jiān)測子系統(tǒng)包括：分布式光纖感溫測漏系統(tǒng)、光纖井蓋防盜系統(tǒng)、分布式光纖測振系統(tǒng)(主要用于實現(xiàn)防挖掘報警功能)，這3個子系統(tǒng)分別設置測溫主機、振動監(jiān)控主機和光纖測振儀，并在監(jiān)控中心對測溫主機、振動監(jiān)控主機和光纖測振儀分別配置1臺工控機，用于測量參數(shù)的顯示、儲存、調(diào)用等，數(shù)據(jù)通過光纜傳輸。風光互補發(fā)電站主要為供熱管道隧道內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測裝置提供電源。監(jiān)控中心用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與監(jiān)測、故障預警與定位等功能。

3 工程應用

3.1 項目概況

某長輸熱網(wǎng)主干線及分支線長度約28.7 km，主干線供熱管道規(guī)格為DN 800～1 400 mm，敷設方式主要采用直埋敷設，部分管段采用隧道敷設，設計供、回水溫度為130、70 ℃。熱源為熱電廠。

3.2 監(jiān)測子系統(tǒng)

① 光纜布置

實施光纖監(jiān)測的主干線長度為17.95 km，供回水管道均綁扎2根光纜，分別布置在側壁和管底，互為備用。供回水管道光纜的布置見圖1，圖1未能反映布置在管底的光纜。

選用6芯光纜，其中2根為多模光纖，4根為單模光纖。多模光纖中的1根用于感測供熱管道外壁面溫度，另外1根用于感測管溝土壤溫度，這兩根光纖均屬于分布式光纖感溫測漏系統(tǒng)。單模光纖中的1根用于光纖井蓋防盜系統(tǒng)，1根用于分布式光纖測振系統(tǒng)，其余2根分別作為通信及備用。

圖1 供回水管道光纜的布置

② 分布式光纖感溫測漏系統(tǒng)

分布式光纖感溫測漏系統(tǒng)采用的測溫主機(布置在監(jiān)控中心)測量長度為20 km，測溫主機為8通道，其中2個通道分配給供水管道，2個通道分配給回水管道，另外4個通道作為備用。通過光纜將溫度信號傳回測溫主機。

③ 光纖井蓋防盜系統(tǒng)

為實現(xiàn)熱力井蓋防盜，設置光纖井蓋防盜系統(tǒng)。在每個熱力井蓋內(nèi)安裝彈簧開關，將光纜引至井蓋下固定。井蓋開關引起彈簧開關的振動，光纖感知振動，并將振動信號傳回至振動監(jiān)控主機(布置在監(jiān)控中心)。

④ 分布式光纖測振系統(tǒng)

分布式光纖測振系統(tǒng)由光纖、光纖測振儀等組成，實時感應外界振動信號，實現(xiàn)防挖掘功能。安裝在監(jiān)控中心的光纖測振儀通過光纖采集沿線管道的振動信號。

3.3 風光互補發(fā)電站

風光互補發(fā)電站主要為熱力管道隧道內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測裝置供電，以確保巡檢及維修人員的生命安全。風光互補發(fā)電站由太陽能發(fā)電裝置(光伏組件)、風力發(fā)電機組成，光伏組件和風力發(fā)電機分別經(jīng)過控制器為蓄電池組進行充電，負載通過直流配電箱連接到控制器上，最終采用蓄電池對外供電。

主干線沿線共配置6座風光互補發(fā)電站，每座風光互補發(fā)電站均配置4塊單塊發(fā)電能力為165 W的多晶硅光伏組件，1臺發(fā)電能力為300 W的風力發(fā)電機，2塊12 V、250 A·h蓄電池。風光互補發(fā)電站外觀見圖2。拍攝時，風光互補發(fā)電站尚未安裝光伏組件。

圖2 風光互補發(fā)電站外觀

3.4 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心主要實現(xiàn)主干線相關數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控、分析及指導運行、故障診斷，各類數(shù)據(jù)可在大屏幕上進行顯示。

系統(tǒng)軟件簡單易用，有良好的人機操作界面，以電子地圖方式直觀顯示供熱管道的具體位置及名稱，能夠準確定位故障點，指導檢修工作。具有自檢、標定和校正功能，可判斷光纖故障點，便于維護。建立供熱管道的歷史數(shù)據(jù)檔案，能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預測分析供熱管道在不同環(huán)境條件下的溫度變化規(guī)律，有利于積累經(jīng)驗，為事故趨勢分析提供依據(jù)。具有數(shù)據(jù)查詢、備份、報表打印功能。

對長輸熱網(wǎng)供回水管道外壁面溫度實施連續(xù)在線監(jiān)測，實現(xiàn)低溫或高溫的早期預警，可根據(jù)需要設置、調(diào)整報警閾值。具有局域網(wǎng)絡標準化通信接口，可接入企業(yè)其他業(yè)務系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)支持遠端監(jiān)控和管理。

定位軟件可實現(xiàn)對光纜線路進行坐標點標定(每500 m標定1次)，并對站場、閥室、管道和光纜標示樁、行政村、廠區(qū)、公路和鐵路與傳感光纜線路交叉點、管道穿越點及拐點、光纜線路拐點、接頭標樁、人(手)孔設置標定點，對有可能危害供熱管道安全的區(qū)域或臨時施工點增加臨時標定點。定位軟件可與可與地理信息系統(tǒng)(GIS)進行對接，管道發(fā)生泄漏位置可直接顯示并實現(xiàn)準確定位。

4 結語

由于長輸供熱管道敷設位置偏遠，因此主干線的泄漏監(jiān)測、熱力井蓋防盜以及熱力管道防挖掘成為供熱單位的重點工作。長輸熱網(wǎng)光纖監(jiān)測系統(tǒng)除以上功能外，還具備熱力隧道內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測、熱網(wǎng)故障定位、歷史數(shù)據(jù)分析等功能，對保證長輸熱網(wǎng)安全運行起到保障作用。