光纖預警系統(tǒng)在清管器軌跡監(jiān)測中的應用

茍武侯，張路，李國相

(1． 北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司，北京100176；2． 中國石化銷售華中分公司，湖北武漢430070)

隨著管道運輸業(yè)的迅速發(fā)展，管道傳輸距離不斷增加，為了確保管道的清潔，降低腐蝕性物質(zhì)對管道內(nèi)壁的腐蝕損傷，石油、天然氣等輸送管道需要定期清潔及維護[1]，所以清管器的工作狀態(tài)、實時定位監(jiān)測是管道管理部門非常重視的內(nèi)容。由于管道清理過程中出現(xiàn)的清管器故障、卡阻等現(xiàn)象直接影響管道的安全運行，必須及時定位事故點并采取必要的應急措施，因此對清管器移動軌跡的監(jiān)測具有重要的實際意義[2-5]。

常見的清管器跟蹤定位技術包括聲波檢測法、電磁感應法、放射性同位素法、機械法、壓力脈沖法等[6-9]，但常規(guī)的定位方法在實時定位和定位精度等問題上存在一定難度。本文介紹的光纖預警系統(tǒng)在清管器實時監(jiān)測中的應用，實現(xiàn)了清管器工作過程中的實時定位與軌跡跟蹤。光纖預警技術已經(jīng)逐步成熟[10-14]，在長距離油氣管道監(jiān)測中的安全防護作用顯著，同時降低了人工、管道安全維護及能源運輸成本[15-17]。

文中列舉的管道清管器在固定的時間間隔內(nèi)對管道疏通清潔[18]，以保障輸油的通暢，常見的清管器外形如圖1所示。

圖1 常見的清管器外形示意

1 光纖預警系統(tǒng)原理

光纖預警系統(tǒng)主要由分布式光纖傳感器、光源及數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理計算機等組成，系統(tǒng)結構如圖2所示[19-21]。清管器在管道內(nèi)工作時會產(chǎn)生一定幅度振動信號，該振動信號可以被同溝敷設在管道附近的分布式光纖傳感器捕捉，采集的信號經(jīng)光源及數(shù)據(jù)采集模塊處理后上傳至數(shù)據(jù)處理計算機，由計算機對采集的信號做進一步的檢測、識別、處理，實現(xiàn)了對清管器的實時監(jiān)測。

圖2 光纖預警系統(tǒng)結構示意

1.1 定位原理

光纖預警系統(tǒng)基于背向瑞利散射原理，由光源模塊持續(xù)將光脈沖注入分布式光纖傳感器的首端，通過光電探測模塊探測返回首端的瑞利散射光，當清管器在某個位置發(fā)生振動時，分布式光纖傳感器對應位置的折射率發(fā)生變化，使該處光相位發(fā)生偏移，由于干涉作用，相位的偏移將引起背向瑞利散射光光強發(fā)生變化。

通過光電探測模塊探測返回首端的瑞利散射光，經(jīng)放大電路及模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，上傳至數(shù)據(jù)處理計算機內(nèi)對信號做進一步的處理。系統(tǒng)光脈沖重復頻率為1 kHz，采集卡采集頻率為20 MHz，采集到的振動信號為32位浮點數(shù)據(jù)，通過預處理提取每秒的數(shù)據(jù)信號特征。

1.2 定位距離的計算

圖2中清管器產(chǎn)生的振動作用在分布式光纖傳感器上，由于干涉作用，會對背向瑞利散射光的光強進行調(diào)制，通過記錄光脈沖發(fā)射和接收到振動的時間差，可以實現(xiàn)清管器位置的定位，光纖預警系統(tǒng)的定位距離可以由式(1)求得：

L=ΔTv/2

(1)

式中： ΔT——光脈沖發(fā)射和接收到振動信號的時間差，s；v——光在光纖中的速度，v=c/λ；c——光在真空中的速度，m/s；λ——光纖折射率。

采集卡采集到的背向瑞利散射光的強度IB如式(2)所示[22]：

IB=I0Fvαsτ{1+cos[Φ+Bf(t)]}

(2)

式中：I0——光纖首端注入的光脈沖強度；F——散射光返回入射方向的比例；аs——瑞利散射系數(shù)；τ——發(fā)射光的光脈沖時間寬度，μs；Ф——光脈沖上升沿與下降沿的相位差；B——干擾系數(shù)；f(t)——外界振動干擾。

由式(2)可知，IB與f(t)具有直接關系，因此通過相關處理可以實現(xiàn)清管器探測及準確定位。

2 光纖預警系統(tǒng)清管器軌跡監(jiān)測效果驗證

2.1 清管器監(jiān)測實例

本文以華中某區(qū)域A站至B站的光纖預警系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，介紹監(jiān)控區(qū)域輸油管道內(nèi)清管器工作軌跡監(jiān)測案例。在A站和B站各部署了1套光纖預警系統(tǒng)，監(jiān)測A站至B站的管道。

2018年7月9日，A站工作人員在管道出站首端投放1臺清管器，對管道實施清潔作業(yè)；在B站管轄范圍沿線設置了多個人工監(jiān)測點，用于監(jiān)測清管器經(jīng)過的時間及準確位置；同時工作人員通過光纖預警系統(tǒng)跟蹤定位清管器的移動軌跡，對比分析光纖預警系統(tǒng)對清管器的定位誤差。

B站工作人員從2018年7月10日0時起開始監(jiān)測清管器的位置信息，在6個固定跟蹤點對清管器進行監(jiān)測，工作人員監(jiān)測的位置信息與光纖預警系統(tǒng)監(jiān)測到的位置信息見表1所列。

表1 清管器的監(jiān)測位置信息 km

表1中現(xiàn)場監(jiān)測結果為清管器距B站的實際距離，將光纖預警系統(tǒng)監(jiān)測位置與實際監(jiān)測位置對比，光纖預警系統(tǒng)的定位誤差曲線如圖3所示，同時得出以下結論：

1)對于指定的多個監(jiān)測點，光纖預警系統(tǒng)均可以準確地監(jiān)測到清管器的位置。

2)清管器的移動位置與時間具有較好的線性關系，清管器在管道內(nèi)基本以勻速移動。

3)光纖預警系統(tǒng)監(jiān)測到的清管器位置與實際監(jiān)測點的定位誤差較小，均控制在1 km以內(nèi)。

圖3 監(jiān)測時間清管器定位誤差曲線

2.2 效果分析

圖4所示為2018年7月10日0時起光纖預警系統(tǒng)覆蓋部分區(qū)域的信號瀑布圖，其中橫坐標為監(jiān)測位置距離收球點的距離，縱坐標為時間，黑點表示在對應的時刻和位置產(chǎn)生了1個振動信號，瀑布圖描述了光纖預警系統(tǒng)采集到的距B站15～30 km管道沿線的振動情況。結合現(xiàn)場情況分析圖4可知：

1)虛線處為清管器移動軌跡，清管器于2018年7月10日0時自30 km處勻速向收球點移動，于當日4時20分左右移動到15 km處，可以直觀地監(jiān)測出清管器的移動軌跡。

2)清管器以約3.4 km/h的速度移動，全線監(jiān)測效果良好。

圖4 光纖預警系統(tǒng)覆蓋區(qū)域信號瀑布示意

綜上分析可知，由于光纖預警系統(tǒng)采用分布式光纖傳感器采集清管器工作時產(chǎn)生的振動信號，可以實時跟蹤清管器的位置，避免了常規(guī)固定點監(jiān)測方法中存在的清管器監(jiān)測盲區(qū)等情況；同時，該系統(tǒng)監(jiān)測清管器的定位誤差較小，具有對清管器移動位置精確定位的能力。

3 結束語

本文介紹了光纖預警系統(tǒng)在清管器軌跡跟蹤定位中的實際應用，系統(tǒng)采用分布式光纖傳感器采集清管器工作時在管道內(nèi)產(chǎn)生的振動信號，實現(xiàn)了清管器的定位、跟蹤與實時運動軌跡監(jiān)測，具有實際應用價值。