基于Ф-OTDR的管道光纖預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析

曾科宏，賴 康,顏 剛,李新文,席有強(qiáng),邸小彪，李 剛

(1.中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司，河北 廊坊 065000；2.中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100020)

長輸管道是油氣能源運(yùn)輸?shù)拇髣用}，直接服務(wù)沿線工業(yè)生產(chǎn)和城市居民的生活保障。管道屬于危險(xiǎn)源，一旦發(fā)生泄漏，易燃易爆的高壓介質(zhì)迅速擴(kuò)散，極易發(fā)生燃燒爆炸等災(zāi)難，不僅影響管道安全生產(chǎn)，還會給國家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失[1]。截至2019年底，中國長輸油氣管道達(dá)到13.9萬km。管道線路環(huán)境復(fù)雜多樣，自然和社會環(huán)境各不相同，隨著管道沿線經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，管道沿線的人為、機(jī)械、自然災(zāi)害等破壞事件頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅油氣管道的生產(chǎn)安全。

目前國內(nèi)對長輸油氣管道的維護(hù)主要以人工定期巡查為主，無法做到實(shí)時(shí)連續(xù)、無盲區(qū)監(jiān)測管道安全狀態(tài)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣管道的破壞。管道監(jiān)控技術(shù)上分為泄漏后報(bào)警技術(shù)和開孔前預(yù)警技術(shù)兩種。其中應(yīng)用于油氣管道安全監(jiān)測的技術(shù)方法以泄漏監(jiān)測為主[2-4]，如負(fù)壓力波法、流量平衡法、壓力梯度法、超聲波檢測等。從管道防護(hù)角度，泄漏后報(bào)警技術(shù)已不符合管道安全生產(chǎn)的要求，其報(bào)警滯后、已被盜竊分子掌握規(guī)律等弱點(diǎn)被生產(chǎn)實(shí)踐證明定位精度和報(bào)警準(zhǔn)確度[5-7]難以滿足油氣管道安全生產(chǎn)的要求。

針對管道安全監(jiān)測的需求，本文介紹一種基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(Ф-OTDR)的分布式管道光纖預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用管道同溝敷設(shè)光纜中的一根光纖作為分布振動傳感器，連續(xù)實(shí)時(shí)對管道周圍的土壤振動(第三方施工、人為破壞、打孔盜油、自然災(zāi)害、穿越鉆探)等威脅管道的事件進(jìn)行提前預(yù)警與定位，提前制止破壞事件發(fā)生。目前系統(tǒng)已經(jīng)在長輸油氣管道、地方管網(wǎng)、城市燃?xì)?、國防光纜等行業(yè)應(yīng)用與測試。本文通過北京天然氣管道陜京二線實(shí)際應(yīng)用案例，統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)利用長輸油氣管道同溝敷設(shè)光纜中的一根通信光纖作為分布式振動傳感器，實(shí)時(shí)拾取管道沿線預(yù)警范圍內(nèi)的土壤振動信號，通過信號識別分析類型并根據(jù)綜合分析判斷是否威脅管道或光纜安全的事件。系統(tǒng)檢測原理如圖1所示。

圖1 Ф-OTDR系統(tǒng)原理

基于Ф-OTDR[8-9]的分布式光纖傳感器利用光纖對振動敏感的特性，當(dāng)外界振動作用于傳感光纖時(shí)，光纖的折射率、長度將產(chǎn)生微小變化，從而導(dǎo)致光纖內(nèi)傳輸信號的相位變化，使得光強(qiáng)(信號強(qiáng)度)發(fā)生變化。通過檢測振動前后的瑞利散射光信號的強(qiáng)度變化(差分信號)，即可實(shí)現(xiàn)振動事件的檢測，并具備多振動事件同時(shí)精確定位。

2 管道光纖預(yù)警系統(tǒng)硬件與軟件功能

管道光纖預(yù)警系統(tǒng)主要由安裝在各閥室、站場的預(yù)警單元FU、安裝在有人值守的分輸站/調(diào)度中心的預(yù)警管理終端FST、區(qū)域管理終端、拉曼放大模塊、傳感光纖和光纖網(wǎng)絡(luò)組成，借助現(xiàn)有光傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)警單元、預(yù)警管理終端、區(qū)域管理終端之間的信號及數(shù)據(jù)傳輸，在預(yù)警管理終端和區(qū)域管理終端上可實(shí)現(xiàn)多臺預(yù)警單元的集中統(tǒng)一監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)全程全控。

2.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

基于Ф-OTDR的管道光纖預(yù)警系統(tǒng)硬件預(yù)警單元FU(圖2)，連接傳感光纖實(shí)現(xiàn)光纜附近振動信號的檢測和分析。預(yù)警單元FU主要包括電源模塊、光傳感模塊、采集處理模塊、管理模塊、監(jiān)控交換模塊、拉曼放大模塊等。

圖2 管道光纖預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警單元(FU)

電源模塊為預(yù)警單元設(shè)備整體的運(yùn)行提供穩(wěn)定有效的電源，電源的工作狀況由其監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控并將數(shù)據(jù)反饋到管理模塊。

監(jiān)控交換模塊接收信號處理模塊和管理模塊發(fā)出的報(bào)警數(shù)據(jù)和模塊狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給預(yù)警管理終端，實(shí)現(xiàn)預(yù)警單元數(shù)據(jù)的集中管理和監(jiān)控。

光傳感模塊是整個系統(tǒng)的核心模塊，它為傳感系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光脈沖信號，將傳感光纖返回的瑞利光干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號，并進(jìn)行信號預(yù)處理和信號放大。

采集處理模塊對檢測的信號進(jìn)行處理分析，判斷是否是破壞威脅的信號，并對振動事件進(jìn)行檢測和定位。

管理模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制各模塊的工作，通過設(shè)定下發(fā)工作參數(shù)，控制工作順序，使各模塊協(xié)調(diào)工作；接收信號處理模塊輸出的數(shù)據(jù)信號,根據(jù)報(bào)警算法來確定管道破壞事件的級別、定位、能量等。管理模塊還實(shí)現(xiàn)各功能模塊的控制、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警生成和顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能。

拉曼放大模塊為傳感光纖提供泵浦光，實(shí)現(xiàn)光脈沖信號的有效放大，提高系統(tǒng)監(jiān)測距離。

2.2 軟件系統(tǒng)功能及組成

1)權(quán)限管理：可以根據(jù)用戶角色的權(quán)限進(jìn)行管理。

2)分級告警：可以根據(jù)事件的級別綜合分析判斷,實(shí)現(xiàn)不同級別控制與管理策略。

3)GIS顯示：配備離線GIS地圖，將線路信息、預(yù)警系統(tǒng)信息、維護(hù)管理信息等匯集到一起，實(shí)現(xiàn)直觀顯示與管理。

4)多種告警顯示方式：系統(tǒng)采用GIS地圖、二維圖與告警表格3種不同方式顯示告警多維度信息。

5)系統(tǒng)分析功能：結(jié)合時(shí)頻域信號特征、地理環(huán)境等，能對事件進(jìn)行有效類型分析與識別。

6)系統(tǒng)回放功能：根據(jù)時(shí)間設(shè)置來對事件進(jìn)行告警時(shí)間回放，可以顯示事件的發(fā)展趨勢。

7)系統(tǒng)查詢功能：對預(yù)警記錄、事件等歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

8)系統(tǒng)存儲功能：對預(yù)警記錄、事件進(jìn)行存儲，存儲周期根據(jù)用戶需要存儲、轉(zhuǎn)儲及備份。

9)線路標(biāo)定功能：有效結(jié)合光纜與地理距離的差異性，實(shí)現(xiàn)以管道(陰保樁、轉(zhuǎn)角樁、穿越樁)等標(biāo)樁數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)線路標(biāo)定功能。

10)遠(yuǎn)程修改維護(hù)功能：遠(yuǎn)程對預(yù)警單元進(jìn)行參數(shù)配置、程序下發(fā)以及故障診斷。

11)斷纜功能：對光纜中斷突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)警與定位。

12)聯(lián)動功能：實(shí)現(xiàn)高后果高風(fēng)險(xiǎn)智能視頻系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動與融合數(shù)據(jù)分析。

管道光纖預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警軟件界面如圖3所示。

圖3 管道光纖預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警軟件界面

3 管道光纖預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用線路

陜京二線安平至33#閥室管道總長約55 km，光纜距離的60 km，管道經(jīng)過地區(qū)地貌單元以平原為主。管道穿越與并行公路多處，地形環(huán)境復(fù)雜，施工事件多，主要施工風(fēng)險(xiǎn)源為麻山藥種植及挖掘。

該應(yīng)用段配置 1套預(yù)警單元、1套預(yù)警管理終端和1套拉曼放大模塊，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)實(shí)時(shí)分布式60 km的線路監(jiān)控。

圖4 陜京二線管道光纖預(yù)警系統(tǒng)試點(diǎn)段配置

3.2 應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

現(xiàn)場應(yīng)用過程采取“背靠背”方式，系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃發(fā)布預(yù)警信息，現(xiàn)場對預(yù)警位置進(jìn)行事件復(fù)核與準(zhǔn)確反饋，對預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行審核確認(rèn)。

3.2.1 預(yù)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過對現(xiàn)場預(yù)警日報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用段預(yù)警數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?、圖5所示。

表1 2019年11月至2020年11月預(yù)警數(shù)據(jù)匯總

圖5 預(yù)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

應(yīng)用實(shí)際效果表明，現(xiàn)場日有效預(yù)警條數(shù)為8.89條，有效預(yù)警準(zhǔn)確率為94.56%，通過對12個月的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，預(yù)警條數(shù)與有效預(yù)警準(zhǔn)確率與管道現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)及季節(jié)性有關(guān)系。通過同期數(shù)據(jù)對比，現(xiàn)場對事件持續(xù)復(fù)核與優(yōu)化，預(yù)警事件呈下降趨勢，2019年11月與2020年11月比較，日預(yù)警條數(shù)由19.33條降至4.7條，降低75.68%，有效預(yù)警準(zhǔn)確率從92.07增長至97.92%。總體日平預(yù)警條數(shù)在10條以內(nèi)，有效告警準(zhǔn)確率達(dá)到94.56%。

3.2.2 預(yù)警位置統(tǒng)計(jì)

通過對現(xiàn)場預(yù)警數(shù)據(jù)位置和事件復(fù)核類型統(tǒng)計(jì)分析，預(yù)警事件類型統(tǒng)計(jì)如表2、圖6所示。

表2 2019年11月至2020年11月預(yù)警事件類型統(tǒng)計(jì)

圖6 預(yù)警事件類型統(tǒng)計(jì)

通過事件復(fù)核及現(xiàn)場反饋，全年共發(fā)現(xiàn)預(yù)警事件位置494次，其中主要機(jī)械類型位置占比72.67%，人工挖掘位置占比19.01%。說明預(yù)警能夠?qū)C(jī)械事件和人工深層次挖掘、持續(xù)性挖掘及作業(yè)計(jì)劃事件進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警與定位。

3.2.3 典型事件

通過系統(tǒng)應(yīng)用和事件復(fù)核，現(xiàn)場對第三方施工事件進(jìn)行有效預(yù)警與定位，防止多起人工與機(jī)械挖掘事件等威脅事件，其中該應(yīng)用段最典型事件為機(jī)械挖掘麻山藥事件，系統(tǒng)通過持續(xù)現(xiàn)場地理環(huán)境位置采集，對麻山藥區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級升級管理，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)控與管控，如圖7所示，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)機(jī)械與人工挖山藥位置達(dá)到68處。

圖7 現(xiàn)場機(jī)械挖掘事件軟件報(bào)警和現(xiàn)場圖片

2020年10月25日，管道標(biāo)樁K721+0.39 km，預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)告警并及時(shí)推送預(yù)警短信，現(xiàn)場巡線員與預(yù)警人員對預(yù)警位置進(jìn)行核實(shí)為距離管道20 m挖掘機(jī)挖山藥，場站人員探測出管道與光纜位置，對挖掘作業(yè)人員進(jìn)行安全告知并進(jìn)行有效監(jiān)護(hù)，防止挖掘破壞事件發(fā)生。

3.2.4 應(yīng)用管理措施

1)管理處、作業(yè)區(qū)采取“背靠背”考核方式，對預(yù)警事件位置及準(zhǔn)確性進(jìn)行審核共同確認(rèn)，對重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)源、機(jī)械作業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)管控。

2)系統(tǒng)預(yù)警事件通過短信平臺自送發(fā)布信息，信息受不同級別業(yè)主人員，實(shí)現(xiàn)不同層級管控，避免信息不對稱現(xiàn)象。

3)結(jié)合監(jiān)控線路不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級，雙方共同摸索與研究，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的參數(shù)配置與優(yōu)化，涉及到優(yōu)化位置，雙方共同確認(rèn)實(shí)施。

4)實(shí)現(xiàn)第三方施工信息收集與預(yù)警事件的有效橫向?qū)Ρ?，確定系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)及運(yùn)行狀況。

5)系統(tǒng)結(jié)合線路環(huán)境及施工點(diǎn)情況，設(shè)置新告警、常告警點(diǎn)和受控點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)不同位置類型的管理策略。

4 結(jié)論

闡述了基于Ф-OTDR的管道光纖預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)原理、硬件與軟件功能，并介紹了在北京天然氣管道陜京二線安平應(yīng)用段50 km管道的應(yīng)用和測試情況。實(shí)際應(yīng)用效果表明，系統(tǒng)在光纜正常埋深(1.2 m情況下)檢測靈敏度高，可以有效檢測到管道周邊25 m范圍內(nèi)的機(jī)械振動和2 m范圍內(nèi)的人工挖掘事件，地表定位精度達(dá)到±50 m，最大響應(yīng)時(shí)間不超過1 min，同時(shí)并行檢測多起振動事件相互不受干擾。但系統(tǒng)在振動事件識別、事件威脅度等級判斷、農(nóng)耕事件篩選識別等方面仍需提升與完善，以增強(qiáng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性。該技術(shù)不僅適用于具備同溝敷設(shè)光纜的原油/成品油、天然氣、化工原料和其他液體/氣體管線，還適用于埋地通信光纜的保護(hù)，可對管道或通信光纜附近的振動破壞事件起到有效的監(jiān)測和預(yù)警作用。