分布式光纤传感监测技术在燃气管网数字化开发中的应用

胡利娜

(山西欣奥特自动化工程有限公司，山西 太原 030012)



分布式光纤传感监测技术在燃气管网数字化开发中的应用

胡利娜

(山西欣奥特自动化工程有限公司，山西 太原 030012)

由于山西煤层气资源丰富，燃气输送管线分布复杂，在管网的运行中，常受到外在入侵事情的影响，致使事故频发。为了有效监管管网的运行，开发基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动传感系统，以MZ干涉技术为基础，通过分析分布式光纤传感器两端的探测器检测到同一入侵事件的时间数据，并对数据进行融合，根据监测的数据信号的特征，准确的判断入侵事件的发生位置，提高管网运输的监测水平。

光干涉原理；分布式光纤传感技术；MZ干涉技术；入侵事件

山西是煤层气资源富集地区，约占全国煤层气资源的1/3。开发和利用煤层气产业，满足人民日常所需，对落实国家转型发展，实现能源的高效利用和低碳环保具有十分重要的意义。

目前我省已建成的输气管道干线总长约3 500多公里，覆盖省内11个地市的81个县区。然而，随着燃气入户不断增加，燃气管网的布设也在逐步增多，导致地下管网变得纷乱错杂，在日常管道运营中，频繁受到外界各种入侵事件的影响致使管网事故频发，其后果多为管道燃气泄漏引发的火灾、爆炸，直接对人民的生命财产安全造成严重威胁。

传统的长距离运输管道泄漏监测方法主要是基于管内运输介质的温度、流量、压力和管壁完好程度来判断，但是这些方法普遍存在问题主要有：不能提前或实时对介质泄漏隐患进行预报，事故发生后难以及时准确判定泄漏的具体位置等。本文针对当前燃气运输过程中存在的问题，提出了采用分布式光纤传感监测技术在线实时监测管道的运输情况，准确预测和定位泄漏隐患存在位置，及时发现处理问题，确保人民生命安全。

1 分布式光纤传感技术

分布式光纤传感系统能够实现长距离、大范围的连续、实时、长期的在线监测，也是当今光纤传感技术发展的一个主要方向。另外，分布式传感系统具有较高的性价比，使得在大型管道运输工程中广泛研究应用，光纤传感领域中基于各种散射机理的分布式传感系统是其研究的热点之一[1]。

基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动传感技术，此技术主要以MZ干涉技术为基础，通过利用双向干涉结果的相对相位，采用相关的方法取得两者相对时差进行定位。入射激光、光纤耦合器以及传感光纤等的本身特性决定了分布式光纤的灵敏度。在长距离监测应用中，由于大量噪声引起的相位扰动很大程度上会使监测信号湮没，相关性大大减弱，对于这一问题，针对性的提出先对 MZ干涉进行解调，然后在获取实际相位变化后再进行定位的方法。其原理图如下图1所示。

图1 基于MZ的光纤干涉系统原理示意图

其基本工作原理为：由1端发出的光，经耦合器1后分别进入长度基本相同的两根单模光纤中。两根光纤输出的光在第2个耦合器处发生干涉。同样，由于光路的对称性可知，在由2端发出的光，也同样在耦合器1处发生干涉。在传感光纤无扰动前提下，1端发出的光会在2端产生稳定的干涉条纹。同时，由2端发出的光也将会在1端产生稳定的干涉条纹。在采用窄带激光作为光源时，将分别在1端和2端接到稳定的光功率[2]。

2 燃气管道泄漏监测的系统结构及工作原理

针对燃气管网易燃易爆特性，以及当前管线监测方式多为带电操作、人工监测为主，该系统基于多种光纤传感技术，设计复合监测系统，以解决当前燃气管网安全缺乏有效监测手段的问题，对燃气管网运行状况进行实时监测，提高了系统监测精度和准确性。该系统实现了对管线安全的实时监测(泄漏、管壁形变、温度等的综合监测)，并通过光纤网络将数据传输反馈终端，由终端计算机对数据进行分析处理后实现调度中心和重点监测线路同时报警法[3]。其系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

基于光干涉原理、拉曼散射原理的光纤传感监测系统，多种传感技术互补，实现对燃气管线泄漏全方位监测，两种方式结合，减少监测盲区，为值班人员提供管线安全告警，极大地降低漏报概率。

3 燃气管道的检漏和定位

基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动传感技术，利用分布式光纤振动传感器获取管道沿线振动信号，通过信号特征分析及模式识别，对管道沿线引起振动的事件进行判别。当系统发现管道沿线确有威胁管道安全的异常事件发生时，立即对发现的异常事件的事发点进行定位帮助，线路维护人员及时发现燃气管网的窃取、入侵和破坏行为。用三根光纤组成两组MZ干涉仪，光纤1和2作为振动检测臂，其有相向传输的两组相干光传播，并在耦合器和2处发生干涉，在分别进入探测器1和2，光纤3作为信号传输臂构成信号传输回路[4]。其定位系统的结构图如图3所示。

图3 定位系统结构图

由于事件发生的位置到分布式传感器两端探测器的距离不同，而光波在光纤中的传播速度是一定的，因此分布式光纤传感器两端的探测器检测到同一事件的时间也不相同，假设传感器首端和末端的两个探测器检测到同一事件的时间分别为t1和t2，根据两个探测器检测到同一事件的时间，计算事件发生位置的原理如图4所示。

图4 定位原理

因此分布式光纤检测系统单端定位公式可以表示为：

公式中，t1为探测器1感知到振动信号的时间，t2为探测器2感知到振动信号的时间，v为光波在传感器中的传播速度，v=c/n(c为光速，n光纤的折射率)。

4 现场试验及分析结果

项目开发完成后，选择一段在建的燃气输送管道进行试验，光纤布设长度约50kM，光缆为缠绕敷设在管道上，并随同光缆直埋。利用该光缆中的三芯构成MZ干涉原理的燃气管道安全预警系统，用来对燃气输送管道沿线出现的外物入侵或燃气泄露进行预警和定位。

试验选用人为用铁锹在输送管道上方作业，对埋设的管道进行挖掘。当挖掘进行到一定深度时，检测系统进行报警并定位，试验过程中收集到如下表1的42组数据。

表1 挖掘信号定位数据

表中挖掘定位的平均值为24 023 m，定位标准差121 m。

通过上述现场实际测试，可以得出采用基于MZ干涉技术为基础的光干涉原理长距离分布式光纤管道振动传感技术，在大约50 kM左右的检测干线上，能够将定位精度确定在120 m内，相对精度达到0.24%。通过此试验及其结果分析，采用分布式光纤振动检测技术，能够实现50 kM燃气管网输送的无人监测，实时可靠的对外来入侵事件进行报警和定位，确保燃气输送安全。

另外，实验也表明，该系统工作稳定，检测灵敏度和定位精度均达到使用要求，能够推广应用于工程实践。

[1] 廖延彪.光纤光学[M].北京:清华大学出版社,2000.

[2] 周寒青，陈署英，隋成华.马赫-泽德光纤传感器试验研究[J].激光与红外,2005,35(10):794-796.

[3] 周琰，靳世久.管道泄漏检测分布式光纤传感技术研究[J].光电子.激光,2005,16(8):935-938.

[4] 江毅，娄英明.基于对称3X3耦合器的光纤干涉信号的软件解调技术[J].光子学报,1998,27(2):152-155.

Application of Distributed Optical Fiber Sensing Technology in the Digital Development of Gas Pipeline Network

Hu Lina

(ShanxiXATAutomationEngineeringCo.,LTD.,TaiyuanShanxi,030012,China)

Due to the rich coalbed methane resources in Shanxi,the distribution of gas transmission pipeline is complex.During the operation of pipe network,accidents often occur by the impact of external invasion,.In order to effectively monitor the network operation,the long distance distributed optical fiber pipeline vibration sensing system is developed based on the light interference principle.The time data of the same intrusion event is detected by the detector at both ends of the distributed optical fiber sensor and fused based on MZ interferometry technology.According to the characteristics of data signal monitoring,the position of intrusion events is exactly judged and the monitoring level of pipeline transportation is improved.

principle of optical interference; distributed optical fiber sensing technology; MZ interference technique; intrusion event

2016-08-15

胡利娜(1984-)，女，山西晋中人，工程师，学士学位，研究方向：高速公路三大系统及隧道机电。

1674-4578(2016)05-0045-02

TP274.4

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