分布式光纖泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DTS）在熱力管道敷設(shè)施工中的應(yīng)用

邱華偉，李廣山，胡春峰，王梓涵，邱曉霞，邱秀娟

（唐山興邦管道工程設(shè)備有限公司，河北 唐山064100）

近些年城鎮(zhèn)集中供熱供冷預(yù)制保溫管道在中國(guó)飛速發(fā)展，得到廣泛的應(yīng)用，管道泄漏檢測(cè)顯然是維護(hù)活動(dòng)的重要組成部分，且一直是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。大多數(shù)情況下，需要對(duì)管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)。

在過(guò)去的幾年里，使用光纖的分布式溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)證明是檢測(cè)和定位管道泄漏的有效方法，通過(guò)使用光時(shí)域反射測(cè)量（OTDR）的技術(shù)進(jìn)行定位。

光纜作為溫度傳感的媒介，如何合理地布放施工，針對(duì)各個(gè)特殊地形地段如何更好更有效地敷設(shè)，保證布放施工質(zhì)量是光纖測(cè)溫精度的基礎(chǔ)，也是后期高效使用的重中之重，并且該項(xiàng)目已經(jīng)獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助——“科技助力經(jīng)濟(jì)2020”重點(diǎn)專項(xiàng)（編號(hào)：SQ2020YFF0422268）。

1 分布式光纖泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

DTS 光纖分布式管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用光纖作為傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)管道外部的溫度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道泄漏點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)。

DTS 光纖分布式管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用的原理是拉曼效應(yīng)。拉曼散射光是由熱影響的分子振動(dòng)引起的，背散射光攜帶關(guān)于散射發(fā)生的局部溫度的信息。事實(shí)上，拉曼背散射光有2個(gè)頻移分量：斯托克斯分量和反斯托克斯分量。反斯托克斯分量的振幅與溫度密切相關(guān)，而斯托克斯分量的振幅則不是。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為DTS 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)云服務(wù)器系統(tǒng)兩部分，如圖1 所示。

監(jiān)測(cè)云服務(wù)器系統(tǒng)：采用阿里云云服務(wù)器系統(tǒng)，通過(guò)4G 無(wú)線通訊把數(shù)據(jù)傳送到平臺(tái)，并進(jìn)行解析、組態(tài)，從而得到相關(guān)數(shù)據(jù)。

DTS 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由分布式光纖溫度解調(diào)儀、測(cè)溫光纜組成。分布式光纖溫度解調(diào)儀是一款連續(xù)分布式測(cè)溫光纖所處環(huán)境溫度的解調(diào)系統(tǒng)（Distributed Temperature Sensing System，DTS），它采用先進(jìn)的OTDR技術(shù)和Raman 散射光對(duì)溫度敏感的特性，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的溫度測(cè)量及定位。作為一種成熟的光纖分布式測(cè)溫手段，該設(shè)備具有測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、便攜等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于供熱管網(wǎng)的泄漏監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 DTS 檢測(cè)系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)

DTS 檢測(cè)系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)包括：①測(cè)溫介質(zhì)采用鎧裝光纜，無(wú)需外接電源，施工便捷，無(wú)需后期維護(hù)；②對(duì)管網(wǎng)全方位無(wú)死角監(jiān)控，24 h 實(shí)時(shí)在線，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)漏點(diǎn)同時(shí)定位，定位精度高可在1 m 以內(nèi)；③平臺(tái)軟件通過(guò)大數(shù)據(jù)積累，智能分析，能得出管道保溫效果的變化趨勢(shì)。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工建設(shè)

對(duì)于施工而言DTS 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的主機(jī)位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要我們綜合考慮設(shè)計(jì)，測(cè)溫光纜的敷設(shè)、續(xù)接尤為重要。

4.1 整體工程方案設(shè)計(jì)

分析管網(wǎng)圖紙：標(biāo)定管網(wǎng)長(zhǎng)度、走向，畫出分支，預(yù)標(biāo)記井室、安放手井位置，計(jì)算分段光纖長(zhǎng)度。

設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案：依據(jù)管網(wǎng)長(zhǎng)度和走向，擬定監(jiān)測(cè)主機(jī)的位置和測(cè)試通道數(shù)，考察監(jiān)測(cè)主機(jī)實(shí)際地理位置，確定供電方式，選定主機(jī)和測(cè)溫光纖。

按設(shè)計(jì)方案施工：準(zhǔn)備相關(guān)輔料工具，米標(biāo)與實(shí)際地理位置綁定，涉及臨時(shí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)變更的要及時(shí)與設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案復(fù)核，并做出相應(yīng)的調(diào)整。

測(cè)溫光纜：光纖采用5.5 mm 黑色兩芯多模光纖，具有防水、防震、外徑小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱滲透快、測(cè)溫響應(yīng)快特點(diǎn)；采用不銹鋼管保護(hù)光纖，使光纜有很強(qiáng)的抗壓扁力等特點(diǎn)。耐高溫管道泄漏監(jiān)測(cè)傳感光纜有很好的防水、防震性能；套管外面采用不銹鋼絲絞合加強(qiáng)，使光纜有很強(qiáng)的抗拉力；最外層采用特氟龍+PE 護(hù)套防護(hù)，具有防水、防曬、抗老化、耐腐蝕、良好的電氣絕緣性能。傳感光纖為滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖芯，有很好的拉曼散射特性。

纖接續(xù)盒：續(xù)接盒屬于機(jī)械壓力密封接頭系統(tǒng)，是相鄰光纜間提供光學(xué)、密封和機(jī)械強(qiáng)度連續(xù)性的接續(xù)保護(hù)裝置，主要適用于各種結(jié)構(gòu)光纜的架空、管道、直埋等敷設(shè)方式連接。盒體采用進(jìn)口增強(qiáng)塑料，強(qiáng)度高，耐腐蝕，終端盒適用于結(jié)構(gòu)光纜的終端機(jī)房?jī)?nèi)的接續(xù)，結(jié)構(gòu)成熟，密封可靠，施工方便。

4.2 光纜的鋪設(shè)

DTS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢(shì)和較高的性價(jià)比。想要達(dá)到良好的測(cè)量效果、精準(zhǔn)的定位，一定需要在施工中合理地綁縛、接續(xù)等。光纖從管網(wǎng)監(jiān)測(cè)起點(diǎn)開始沿管道向一個(gè)方向連續(xù)鋪設(shè)光纜至監(jiān)測(cè)的管網(wǎng)終點(diǎn)，測(cè)溫光纖（以下簡(jiǎn)稱光纖）布置在管道水平線下方1/3 處，緊貼外護(hù)管，如圖2 所示。光纖布置在供回水管道中間，盡量避免管溝塌方或石塊跌落砸斷光纖。

圖2 光纜敷設(shè)示意圖

4.3 光纖的接續(xù)

涉及光纖續(xù)接的接頭或預(yù)留的光纖尾纖接頭在施工過(guò)程中要更加注意，如果接頭不加保護(hù)會(huì)影響續(xù)接工作，給后期運(yùn)行留下重大隱患，而續(xù)接質(zhì)量不好、損耗過(guò)大，則會(huì)直接影響到DTS 的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度。

管道建設(shè)施工中幾乎不可能全局從始至終的施工，更多的是分段施工，難免涉及到光纜續(xù)接。

光纜接頭的衰減：?jiǎn)蝹€(gè)接頭熔接損耗小于0.03 dB，光纜應(yīng)盡量做到整盤敷設(shè)，以減少中間接頭；每1.5 km 長(zhǎng)度光纜接頭不宜超過(guò)1個(gè)。光纜接續(xù)前應(yīng)核對(duì)光纜接頭位置，并根據(jù)接頭預(yù)留長(zhǎng)度的要求留足光纜；光纖接續(xù)宜連續(xù)作業(yè)，以確保接續(xù)質(zhì)量，不得讓光纜接續(xù)處受潮。連接操作中應(yīng)防止損傷和折斷光纖，連接后應(yīng)對(duì)光纖進(jìn)行復(fù)測(cè)。

4.4 設(shè)備主機(jī)及配電柜布局

設(shè)備主機(jī)采用無(wú)風(fēng)自散熱片模式，柜子無(wú)需額外配置散熱風(fēng)扇增加電量負(fù)荷，節(jié)約內(nèi)部空間，縮小箱體體積。柜子內(nèi)部配置聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與云端服務(wù)器實(shí)時(shí)互聯(lián)進(jìn)行指令互換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控調(diào)節(jié)；柜子內(nèi)各個(gè)單元區(qū)域分工明確，統(tǒng)一由一個(gè)供電口供電，排線清晰簡(jiǎn)單明了；柜體整體成型帶有密封，頂部配有防雨帽沿，側(cè)方設(shè)有防沙空氣流通孔，能有效防止陰雨潮濕天氣對(duì)電器元件的腐蝕和沙土對(duì)光信號(hào)接頭的磨損。

設(shè)備主機(jī)電源配置需求如下。

標(biāo)準(zhǔn)市電接入：給DTS 設(shè)備主機(jī)接入穩(wěn)定的220 V 電源即可。

太陽(yáng)能電力系統(tǒng)：DTS 設(shè)備需要有持續(xù)性電源供電才能做到24 h 在線監(jiān)控，但往往長(zhǎng)距離管網(wǎng)受地理?xiàng)l件的制約，一般不具備持續(xù)穩(wěn)定的市電供給。隨著近些年光伏科技的進(jìn)步和發(fā)展，為我們提供了很好的解決方案。一臺(tái)DTS 主機(jī)功率在10 W 左右，加上檢測(cè)柜內(nèi)的其他耗電設(shè)備總功率大約在20 W 左右。一塊額定300 W 的太陽(yáng)能光伏板實(shí)際功率在270 W 左右，按年平均每天有效發(fā)電4 h 計(jì)算，一天發(fā)電量為1.08 kW；一臺(tái)主機(jī)設(shè)備一天消耗電量為0.48 kW；夜間使用蓄電池供電，白天光伏板為設(shè)備供電同時(shí)為蓄電池充電，蓄電池為12 V，100 A·h。如此遇到陰、雨天等天氣也能保障其完整運(yùn)行。詳細(xì)配置如表1 所示。

表1 300 W 太陽(yáng)能系統(tǒng)配置

4.5 監(jiān)測(cè)平臺(tái)展示及功能

通過(guò)4G 無(wú)線通訊把數(shù)據(jù)傳送到阿里云云服務(wù)器的管理平臺(tái)，并進(jìn)行解析、組態(tài)，從而生成直觀、簡(jiǎn)明的監(jiān)控畫面及查詢檢索功能窗、管道溫度數(shù)據(jù)匯總、報(bào)警匯總、歷史曲線等界面。

可實(shí)現(xiàn)通過(guò)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各管道分區(qū)溫度狀態(tài)、測(cè)溫報(bào)警、高溫報(bào)警位置定位、實(shí)時(shí)曲線查詢、歷史曲線查詢等功能，實(shí)現(xiàn)管路泄漏第一時(shí)間進(jìn)行預(yù)警，并在實(shí)景地圖中進(jìn)行位置定位。全光纖熱力管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)得需要，施工的質(zhì)量越來(lái)越被人們所重視，在工程建設(shè)中質(zhì)量是工程建設(shè)的關(guān)鍵，任何一個(gè)環(huán)節(jié)或部位出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)給整個(gè)工程帶來(lái)嚴(yán)重的后果，直接影響到工程的使用，甚至造成返工，進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)損失。工程質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到建設(shè)速度。

圖3 全光纖熱力管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

布線施工往往是最后的環(huán)節(jié)，無(wú)特殊情況時(shí)通常是管道補(bǔ)完口后的最后一道工序，往往容易受到監(jiān)理或建設(shè)方的忽視，補(bǔ)完口后急于回填，光纜敷設(shè)質(zhì)量得不到保證。土建方回填沙不能完全滿足回填的技術(shù)要求，回填手法粗暴，都會(huì)對(duì)光纜造成破壞，遭到破壞后二次開挖續(xù)接又會(huì)對(duì)整條檢測(cè)管網(wǎng)的質(zhì)量產(chǎn)生影響。

規(guī)范完整、有技巧的敷設(shè)既可以提高施工效率，減少經(jīng)濟(jì)成本，又可以最大限度地避免二次修復(fù)減少接頭。相關(guān)人員要不斷總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為管網(wǎng)高質(zhì)量的智能監(jiān)控做好基礎(chǔ)。