在燃?xì)夤こ踢\(yùn)行過(guò)程中,管道老化、腐蝕導(dǎo)致的燃?xì)庑孤┰斐闪四茉蠢速M(fèi),傳統(tǒng)的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)手段,如人工巡檢和常規(guī)儀器檢測(cè),存在檢測(cè)范圍有限、響應(yīng)速度慢、準(zhǔn)確性欠佳等問(wèn)題,難以滿足燃?xì)夤こ态F(xiàn)代化管理的需求[1]。
光纖傳感技術(shù)憑借其高靈敏度、抗電磁十?dāng)_、分布式監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì),為燃?xì)夤こ坦艿佬孤┍O(jiān)測(cè)提供了新的解決方案。它能夠?qū)崟r(shí)、精準(zhǔn)地定位泄漏點(diǎn),及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在安全隱患,極大地提升燃?xì)夤こ坦芾淼男逝c安全性。深入研究光纖傳感技術(shù)在燃?xì)夤こ坦艿佬孤┍O(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,不僅有助于解決當(dāng)前燃?xì)夤こ坦芾淼碾y題,還對(duì)推動(dòng)燃?xì)庑袠I(yè)安全、可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的理論和現(xiàn)實(shí)意義[2]。
1.燃?xì)夤こ坦艿佬孤┍O(jiān)測(cè)現(xiàn)存問(wèn)題
在燃?xì)夤こ坦芾碇校瑐鹘y(tǒng)管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)依賴人工巡檢與部分定點(diǎn)設(shè)備,不僅效率低,且難以實(shí)時(shí)察覺(jué)管道的細(xì)微泄漏。此外,地下燃?xì)夤艿浪幁h(huán)境復(fù)雜,土壤腐蝕、地質(zhì)沉降等因素使傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)難以精準(zhǔn)定位泄漏點(diǎn),增加了維修難度。
光纖傳感技術(shù)的出現(xiàn),為燃?xì)夤こ坦艿佬孤┍O(jiān)測(cè)提供了新路徑,它憑借高靈敏度的特性,能迅速捕捉管道內(nèi)極其微小的壓力變化,第一時(shí)間檢測(cè)到泄漏情況。此外,光纖傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),配合分布式光纖傳感系統(tǒng),能精確定位管道的泄漏位置,大幅縮短維修響應(yīng)時(shí)間。在應(yīng)對(duì)復(fù)雜地理環(huán)境時(shí),光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著,有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足。
2.基于光纖傳感技術(shù)方法的燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測(cè)技術(shù)
2.1光纖傳感技術(shù)方法的監(jiān)測(cè)原理
光纖傳感技術(shù)主要基于光在光纖中傳輸?shù)奶匦宰兓瘉?lái)實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤艿赖男孤侗O(jiān)測(cè)。當(dāng)燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏時(shí),周邊環(huán)境會(huì)因燃?xì)獾男孤┏霈F(xiàn)溫度、壓力的異常,光在光纖中傳播時(shí),這些環(huán)境變化會(huì)使光纖產(chǎn)生微小的形變,進(jìn)而影響光的相位、波長(zhǎng)和強(qiáng)度。
在基于相位調(diào)制的監(jiān)測(cè)原理中,兩根光纖分別作為傳感光纖與參考光纖,傳感光纖受泄漏影響導(dǎo)致光相位改變,與參考光纖的光波產(chǎn)生干涉,通過(guò)分析干涉條紋的變化,就能精準(zhǔn)獲取燃?xì)庑孤┑奈恢煤统潭?。在基于?qiáng)度調(diào)制的原理中,泄漏引發(fā)的光纖彎曲或微彎損耗,會(huì)改變傳輸光的強(qiáng)度,監(jiān)測(cè)光強(qiáng)的變化,同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的探測(cè)。此外,基于波長(zhǎng)調(diào)制原理的光纖光柵傳感技術(shù),燃?xì)庑孤?dǎo)致的溫度和應(yīng)變改變,會(huì)引起光纖光柵反射波長(zhǎng)的漂移,通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)管道泄漏的監(jiān)測(cè)。
當(dāng)燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄露時(shí),光纖內(nèi)的光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化,根據(jù)光強(qiáng)度的變化量,可以計(jì)算出管道的泄露量。光強(qiáng)度變化的計(jì)算公式為:
式中, 表示光強(qiáng)度變化量,
表示初始光強(qiáng)度, I 表示管道泄露后的光強(qiáng)度。
2.2光纖傳感技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
光纖傳感技術(shù)以其抗電磁干擾、長(zhǎng)距離分布式監(jiān)測(cè)等特性,為燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測(cè)提供了可靠方案。為進(jìn)一步挖掘該技術(shù)潛力,提升其在復(fù)雜工況下的應(yīng)用效能,本文從傳感光纖、信號(hào)處理、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)集成等多個(gè)維度,開(kāi)展創(chuàng)新性優(yōu)化設(shè)計(jì)。
傳感光纖是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件,其性能直接影響監(jiān)測(cè)靈敏度。本次優(yōu)化選用改進(jìn)型光子晶體光纖(PCF),其包層空氣孔呈六邊形周期性排列,孔間距精確控制在 2 . 8 μ m ,空氣孔直徑為 這種結(jié)構(gòu)使得PCF的有效模場(chǎng)面積縮小至
,相比常規(guī)單模光纖(有效模場(chǎng)面積為
),對(duì)周圍環(huán)境變化的感知更為敏銳。
為增強(qiáng)傳感光纖對(duì)特定燃?xì)獾臋z測(cè)能力,在PCF空氣孔中填充厚度為 8 0 n m 的納米多孔鈀膜,用于氫氣監(jiān)測(cè)。填充后,PCF的光學(xué)特性發(fā)生顯著改變,可將氫氣檢測(cè)下限降低至 0 . 1 p p m ,可以極大提升對(duì)氫氣泄漏的監(jiān)測(cè)精度。
信號(hào)調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度起著決定性作用,本研究采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù),利用中心波長(zhǎng)為1 5 5 0 n m 的分布反饋式激光器(DFB),實(shí)現(xiàn) 0 . 8 n m 的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍,波長(zhǎng)穩(wěn)定性維持在 ± 0 . 0 1 n m 以內(nèi),并結(jié)合鎖相放大技術(shù)解調(diào)信號(hào),系統(tǒng)信噪比達(dá)到1200:1,有效抑制噪聲干擾。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)夤艿赖娜娓采w和精準(zhǔn)監(jiān)測(cè),本研究構(gòu)建樹(shù)形與環(huán)形相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在人口密集區(qū)和關(guān)鍵管道節(jié)點(diǎn),樹(shù)形結(jié)構(gòu)分支間距設(shè)置為 5 0 m ;偏遠(yuǎn)地區(qū)分支間距擴(kuò)大至200m。環(huán)形結(jié)構(gòu)圍繞核心管道區(qū)域布局,周長(zhǎng)控制在 1 . 5 k m 保障網(wǎng)絡(luò)可靠性與靈活性。新型集成化光纖傳感器尺寸為 2 5 m m× 1 5 m m× 8 m m 體積小巧,便于安裝。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)集成溫度、壓力補(bǔ)償模塊,可實(shí)時(shí)修正環(huán)境因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
3.模擬研究分析
3.1工程概況
某燃?xì)夤艿拦こ涛挥谌A東地區(qū)某城市,旨在為150萬(wàn)戶居民與500余家工業(yè)企業(yè)提供安全穩(wěn)定的燃?xì)夤?yīng)。敷設(shè)管道總長(zhǎng)度達(dá)1200千米,其中高壓管道200干米,采用X80 鋼材質(zhì),管徑1016mm,設(shè)計(jì)壓力12兆帕;中壓管道600千米,使用L450M鋼,管徑 5 0 8 m m ,運(yùn)行壓力0.6兆帕;低壓管道400千米,選用PE100聚乙烯管,管徑 2 5 0 m m ,工作壓力0.02兆帕。管道網(wǎng)絡(luò)橫跨12個(gè)主城區(qū)、4個(gè)產(chǎn)業(yè)園區(qū),穿越9條大型河流、20條交通主干道以及50余片居民住宅區(qū)。由于傳統(tǒng)燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測(cè)技術(shù)效率較低、定位不準(zhǔn),難以滿足現(xiàn)代化管理需求,因此,本工程應(yīng)用光纖傳感技術(shù),實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位泄漏點(diǎn),降低安全風(fēng)險(xiǎn)。
3.2模擬燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測(cè)分析
試驗(yàn)?zāi)M上述地區(qū)的燃?xì)夤艿肋\(yùn)行場(chǎng)景,在一段200米長(zhǎng)的模擬管道上,人為設(shè)置3處不同程度的泄漏點(diǎn)。采用改進(jìn)后的光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用基于相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制原理的光纖傳感裝置收集數(shù)據(jù)。燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。
隨著模擬泄漏量從5L/min提升至20L/min,檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間由3s縮短至1.8s,呈現(xiàn)出泄漏量越大,響應(yīng)時(shí)間越短的規(guī)律,主要因?yàn)槿細(xì)庑孤r(shí)會(huì)改變周邊環(huán)境的溫度和壓力,導(dǎo)致光纖發(fā)生微小形變,影響光在光纖中的相位、波長(zhǎng)和強(qiáng)度。泄漏量越大,對(duì)光纖周邊環(huán)境的影響越強(qiáng)烈,這些變化也越顯著,傳感系統(tǒng)便能更迅速地檢測(cè)到光信號(hào)的改變,從而大幅縮短響應(yīng)時(shí)間。
隨著模擬泄漏量的增加,定位誤差從0 . 8 m 降至 0 . 5 m ,呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)?;旌暇W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)揮了關(guān)鍵作用,在不同泄漏場(chǎng)景下,系統(tǒng)通過(guò)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。泄漏量較大時(shí),泄漏引發(fā)的信號(hào)特征更為明顯,各傳感器接收到的信號(hào)差異更大,為系統(tǒng)提供了更多的定位參考信息,進(jìn)而有效減小定位誤差。在不同模擬泄漏量下,檢測(cè)精度始終穩(wěn)定在0.lppm,這得益于PCF有效增強(qiáng)了傳感光纖對(duì)特定燃?xì)獾臋z測(cè)能力。
4.結(jié)束語(yǔ)
隨著燃?xì)夤こ桃?guī)模不斷擴(kuò)大,傳統(tǒng)燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測(cè)技術(shù)難以滿足現(xiàn)代化管理需求。光纖傳感技術(shù)憑借高靈敏度、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì),為燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測(cè)提供了新的解決方案。通過(guò)對(duì)光纖傳感技術(shù)原理剖析,以及從傳感光纖、信號(hào)處理等多維度的優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅能實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位泄漏點(diǎn),還能有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)模擬試驗(yàn)分析,在不同泄漏量和管道壓力場(chǎng)景下,光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均展現(xiàn)出較好性能,檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間短、定位誤差小、檢測(cè)精度高。因此,推廣光纖傳感技術(shù)在燃?xì)夤こ坦芾碇械膽?yīng)用,對(duì)推動(dòng)燃?xì)庑袠I(yè)的安全、可持續(xù)發(fā)展,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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