基于光纤螺旋缠绕技术的热力管道泄漏监测系统研究

陈亚峰，张晓明，张睿平 ，周泽彧 ，曹国清

（1.北京石油化工学院 信息工程学院，北京 102617；2.北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029）

热力管网在我国分布范围较广，在工业、民生等领域有着无可代替的作用。相较于对国民经济具有重大影响的石油化工行业，热力管道无论是行业发展和检测技术等方面都存在着许多不足之处。一方面，热力管道的架设往往采用地埋的方式，很多传统检测的技术无法展开有效应用；另一方面，热力管道由于其自身所带来的经济价值较低，企业和科研院所的科研投入有限，从而导致整体的信息化水平较低。目前国内外对于热力管道的泄漏检测大多是借鉴石油和天然气的管道泄漏检测方法，常见的有负压波检测法、漏磁检测法、声波检测法、红外热成像法、光纤光栅检测法等。负压波和漏磁检测法虽然能够对管道泄漏进行定位，无法完成对热力管道温度的连续监测；声波法对微小泄漏难以检测；红外热成像法虽然应用较广，但是泄漏检测存在很强的滞后性；采用光纤光栅传感器的热力管道监测系统，能够实现管线的准分布式检测，但是在泄漏定位精度等方面有待提高[1-4]。

随着传感器技术的发展，光纤传感器以其对温度的分布式测量和基于光时域反射技术（OTDR）对泄漏点的定位在热力管道泄漏监测领域展现出无与伦比的优势[5]。德国ILF公司的J.Frings和日本横河电机株式会社的Shoji Adachi等都曾提出采用分布式光纤来进行油气管道和热力管道的泄漏监测[6-8]，国内目前也开展了不少应用研究。采用分布式光纤测温技术进行管道泄漏监测，光纤传感器通常根据管道内传输介质不同，沿管道轴向铺设于管道四周，这种布线方式工程量小、布线简单，但是也存在测量盲区较大、定位精度较低的问题。

对于上述存在问题，首先在分布式光纤测温技术的基础上设计了热力管道泄漏监测系统，用于提高管道泄漏检测的实时性；并对如何提高管道泄漏检测精度展开研究，提出了一种基于螺旋缠绕原理的光纤布线方式，能够有效改善泄漏定位精度。

1 热力管道监测系统设计

1.1 系统工作原理

热力管道泄露监测系统为了达到更好的实时监测效果，应该集管线温度数据的采集、传输、存储于一身，囊括远程监控、实时报警、能源计算等各项模块功能。具体的系统结构如图1所示。

图1 热力管道泄漏监测系统Fig.1 Thermal pipeline leakage monitoring system

在实际应用中，热力管网由于分布较广应该按区域进行划分，所在区域的管道和测温传感器设备构成1个监测子节点。系统至少由1个监测子节点、1个云计算平台、1个监控总站构成；每个监测子节点都包含有用于检测管线温度的测温光纤和分布式光纤测温主机；子节点在获取管线温度数据后通过有线或无线的方式将数据传输至监控总站和云计算平台。监控总站用于获取数据之后实时监控显示，云计算平台用于温度数据的存储、备份和能源计算。当管道运行过程中发生泄露时，系统会自上而下的产生报警，报警平台会按区域联系巡检员进行现场确认和管道维护。

1.2 数据传输工作原理

热力管道泄漏监测系统的网络层主要负责温度数据自下而上的传输。考虑城市热力管网的实际情况，可以通过有线和无线并行冗余的方式来实现数据的传输。有线数据传输可以通过路由器直接与公网相连。

对于没有有线网络条件的监控子节点则采用无线传输技术实现数据传输。采用Cortex-M3内核的STM32Fl04作为主控制核心，通过以太网口实现对测温主机的数据的接收；GPRS无线通信模块采用SIMCom的SIM900A模块，实现现场的无线接入和温度数据的实时转发。无线传输硬件结构如图2所示。

图2 无线传输硬件结构Fig.2 Hardware structure of wireless transmission

1.3 云计算平台的选择和使用

对于热力管道而言，传输介质温度是最有价值的物理量指标，传统的热力管道监测系统或者是热力管道检测方法，忽视或者没有实现温度数据实时存储，数据的价值没有有效的挖掘利用。云平台技术可以有效解决数据的远程存储与计算的问题。

云计算平台一般可以分为存储型、计算型、兼顾存储和计算的综合型。本热力管道监测系统采用综合型云计算平台来实现现场监测子站温度数据的实时在线存储，进一步可以利用云计算服务结合其他数据资源能实现管道的能源计算、架设优化选址、故障分析预测等。

2 光纤的螺旋布线方法设计

2.1 螺旋缠绕布线法

在实际应用中，光纤传感器在热力管道保温层中的布线方式是沿管道轴向直线铺设，管道长度即光纤长度。此时，定义管道检测空间分辨率为α，表示热力管线上温度测点的空间分布式程度，分布式光纤测温系统的空间分辨率为S[9]，在不考虑其他因素的情况下，系统的空间分辨率与上述定义的管道检测能够获取温度点的空间分辨率有如下关系：

为了提高管道检测空间分辨率，采用光纤螺旋缠绕布线法。螺旋缠绕法也叫螺旋箍筋法，在建筑工程中常用于圆柱体的缠绕计算。针对热力管道结构和保温材料性能进行分析，通过使用测温光纤对热力管道内管管壁进行螺旋缠绕的布线方式可以提高单位管道测量点分布式程度，达到改善管道泄漏的检测效果。热力管道螺旋缠绕布线方式如图3所示。

图3 热力管道光纤螺旋缠绕布线示意Fig.3 Spiral winding wiring for thermal pipeLine

图3中p为螺距，D为内管直径，d为测量光缆的直径。每米管道采用螺旋缠绕布线方式消耗光纤总长计算公式为

式中：l为每米热力管道所需螺旋缠绕光纤的长度，在测温光缆的直径d远远小于管道的直径大小D的情况下，可以忽略光纤尺寸的影响，简化为

通过上述公式可以对采用该种布线方式的管道进行光纤长度的定量计算，结合具体物理指标进行布线性能的分析。

2.2 技术分析

热力管道在发生微小泄漏时，由于保温材料渗透性较差，会导致热水和蒸汽扩散较慢。采用常规的光纤布线方式，泄漏检测效果较差，会存在检测盲区或者泄漏检测滞后性的问题。光纤螺旋缠绕布线的方式能够减小此类问题的影响，图4描述了2种不同布线方式分别应用于热力管道进行泄漏检测。

图4 两种不同布线方式泄漏检测效果示意Fig.4 Detectable results for different kinds of wiring methods

在管道发生微小泄漏时，由于保温层的阻碍作用，常规的布线方式（Fiber2）很难及时检测到管道的泄漏。采用光纤螺旋缠绕的方式（Fiber1）能够有效减小管道泄漏检测的盲区，有利于及时发现微小泄漏。

相比于普通的光纤布线方式，光纤螺旋缠绕布线法在有效减小检测盲区的同时能够进一步增加空间测点数量、提高管道检测空间分辨率。

结合具体实例进行计算分析，某段热力管线长度L为100 m，其内管直径D约为200 mm，光纤的直径d约为3 mm，测温系统空间分辨率S为0.4 m。采用沿轴铺设光纤和螺旋缠绕的布线方式进行测点比较和管道空间分辨率计算，如表1所示。

表1 不同布线方式管道检测空间分辨率比较Tab.1 Comparison of pipeline detection spatialresolution for different wiring methods

由表1可知采用内管螺旋缠绕的方法，可以有效地增加管道单位长度上测点数量，改善管道测点的分布式程度，提高管道检测空间分辨率，从而达到改善泄漏定位精度的效果。进一步发现，管道的检测空间分辨率与系统空间分辨率关系为

当螺距p远大于管径D时，根据式（4）可以发现管道的检测分辨率α将会无限接近于测温系统的空间分辨率S。所以螺距p必然不能无限制增大应该设置上限，视α达到S的80%为管道检测空间分辨率有较好提升。根据公式螺距p约达到4 D大小（4倍的管径）左右时，到达临界状态，大于此值管道检测空间分比率不会出现明显的提高。

在光纤的布设过程中发现，对于一些泄漏定位精度要求较高的管线，不能通过无限制的减小螺距、加密缠绕、提高管道检测空间分辨率的方法来改善定位情况。当在一段螺距距离内的光纤长度如果都没有达到分布式光纤系统本身最小的空间分辨率S时，出现1个或多个没有温度测点的空螺旋环，如图5所示。

图5 最小布线螺距示意Fig.5 Smallest pitch of pipeline

由图5可知，相邻的2个测温点2、3之间存在没有任何温度测点的空螺旋环，此种情况无谓的增加了工程量，认为缠绕过于密集，螺距选择到达下限，应当避免。

考虑2种临界情况，应有如下公式：

选择适当螺距进行螺旋缠绕布线，能够有效增加单位距离内的测点数量，有效减少测量死区，与此同时会存在经济和施工量相关的问题。因此该种方法更适用于小测量范围、高测量需求的管线。

3 泄漏仿真与监测试验分析

为了能够随时随地对热力管线进行实时监测，监测系统软件采用了B/S架构的形式。通过在试验室环境下对热力管道正常运行和局部发生泄漏下的状态监测，来实现温度的可视化监控和管道的泄漏定位分析，试验环境如图6所示。

图6 热力管道泄漏仿真试验环境Fig.6 Thermal pipeline leakage experiment environment

3.1 管线温度可视化监控

试验段管道距离为5.11 m，管径为200 mm，光纤直径忽略不计。采用上节所述螺旋缠绕法在内管壁进行布线。根据式（5）所述，可以计算出合理取值范围螺距应该近似小于1400 mm。试验段管道长度较短为了尽可能多获取测量点，缠绕螺距选取为100 mm。根据相关参数进行计算。计算结果显示理论条件下采用螺旋缠绕方式管线测点应为81个，实测点为79个。

通过获取底层解析后的温度数据，可以进行远程可视化监控，实现对管道的运行状态的实时监测。监控曲线如图7所示。

图7 常温下管道温度运行监测界面Fig.7 Temperature curve of pipeline temperature at ambient temperature

监控结果显示，常温条件下，管道运行状态较为平稳，温度波动较小。

3.2 管道泄漏监控分析

热力管道在正常运行过程中，由于保温材料的自身物理特性，在内外管之间的保温层中，会形成一个较为稳定的温度场。一旦在运行过程中内管发生泄漏，渗透作用会使热水和蒸汽进入保温层中，造成保温层中温度梯度的变化，形成泄漏后的新的温度场分布。测温光纤贴近于内管与保温层，其自身的温敏特性能够敏锐地察觉细微的温度变化。

试验中模拟热力管道发生局部微小渗漏的情况，已知管道内流体温度为30.0℃，环境温度约为19.8℃，给定泄漏点位置距离起始点2.30 m处，给定泄漏点口径大小约为2 cm，已知热力管道口径和保温层的材料属性。根据热力学传热原理，考虑在二维稳态物理无内热源的情况下保温层中温度场的变化[10-11]。给出传热的微分方程和相应的边界条件：

式中：Γn为保温层温度场相应的边界温度。利用Fluent软件建立保温层的热力学温度模型如图8所示。

图8 泄漏管道保温层中温度场示意Fig.8 Temperature field in the leaky insulation layer

当泄漏发生时，保温层中局部的温度平衡会遭到破坏，热水和蒸汽的渗漏和扩散作用会造成泄漏点附近的温度升高，泄漏点附近温度达到最大。仿真表明，距离泄漏点越近所测温度越接近管道内流体温度的真实值，这种温度变化为使用分布式光纤来进行管道检测和定位提供了依据。

监控软件根据管道流体运行状态，人为设定温度预警阈值，当温度超过阈值视为管道发生泄漏温度，给出泄漏警报和渗漏点位置。管道泄漏时监控曲线如图9所示。

图9 管道泄漏曲线软件监控界面Fig.9 Pipeline leakage curve software monitoring diagram

在管道泄漏试验中，当泄漏点附近温度场发生变化，缠绕于管壁的光纤能够迅速做出响应，在泄漏点附近温度达到峰值。

在试验环境下，采用光纤沿轴铺设和螺旋缠绕的方式分别对同一泄漏点进行泄漏定位测量，测量结果分别表示成位置、温度的二维坐标形式，单位分别为“米”和“摄氏度”。泄漏点的定位测量初始值为（2.30，30.0）。其中采用光纤沿管道轴向铺设方式表示为S1，螺旋缠绕的布线方式表示为S2。比较2种布线方式下给出的泄漏点位置和温度如表2所示。

表2 两种光纤布线方式对于泄漏点的定位情况对比Tab.2 Comparison of two optical fiber wiring modes for leakage location

表2中可以看出采用第二种布线方式即螺旋缠绕的布线方式对于泄漏点的温度测量更为接近真实值。结合泄漏温度场的泄漏仿真和所测泄漏点温度分析，光纤的螺旋缠绕测温法所测得泄漏点位置应该距离真实泄漏点更近。试验中采用光纤螺旋缠绕布线法对于泄漏点的定位误差仅为0.067，明显小于常规光纤布线方式所得定位误差0.137，与分析结果相符。因此，光纤螺旋缠绕的布线方式能够有效提高管线泄漏定位精度，具有更好的检测效果。

4 结语

针对热力管道行业展开研究，在结合物联网技术基础之上提出了一套基于光纤缠绕布线技术的城市热力管道泄漏监测系统用于改善泄漏监测实时性问题和提升泄露检测的定位精度。给出了热力管道光纤螺旋缠绕布线方法的技术方案和螺距最优取值范围计算方法。

通过试验分析和验证，该系统能够有效地实现热力管线的实时监测，并对管线温度变化做出良好的响应，光纤螺旋缠绕布线的方法更是能有效提升对泄漏点的定位精度，对于热力管道的监测具有良好的现实意义。

[1] 刘翠伟，李玉星，王武昌，等.输气管道声波法泄漏检测技术的理论与试验研究[J].声学学报，2013，38（3）：372-381.

[2] 李惠增，杨华，曹磊，等.红外热成像用于热力管道检漏技术研究[J].供热节能，2016（6）：30-31.

[3] 尚教庆.基于光纤光栅温度传感器原理的热力管道监测系统[J].吉林大学学报，2008（38）：247-250.

[4] 基于LabVIEW的长输天然气管道泄漏检测与定位研究[J].安全与环境学报，2016，16（1）：147-151.

[5] 庄须叶，王浚璞，邓勇刚，等.光纤传感器技术在管道泄漏检测中的应用和发展[J].光学技术，2011，37（5）：543-550.

[6] Frings J，Walk T.Pipeline leakage detection using distributed fiber optic sensing[J].Pipeline Inspection and Control，2010（2）：57-61.

[7] Shoji Adachi.Distributed optical fiber sensors and their applications[C]//SICE Annual Conference，The University Electro-Communications，Japan，2008.

[8] Siebenaler Shane P，Walter Gary R.Detection of small leaks in liquid pipelines utilizing distributed temperature sensing[C]// Proceedings of the 2012 9th International Pipeline Conference，Alberta，Canada，2012.

[9] 周正仙.分布式光纤温度传感器的设计和优化[D].上海：上海交通大学，2009.

[10]吕安强.基于分布式光纤应变和温度传感的光纤复合海底电缆状态监测方法研究[D].北京：华北电力大学，2015.

[11]远亚群，王茂廷，李程，等.基于ANSYS对有保温热力管道的热损失及接触表面温度分析[J].当代化工，2014，43（1）：144-148.