基于光纤分布式测温的热力管道泄漏定位系统

李硕，侯墨语，赵小芬，王佳敏，于滋堃，王纪强*

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014； 2.济宁四和供热有限公司，山东 济宁 272000)

集中供暖是我国北方地区冬季取暖的主要方式，近年来，随着我国城市化进程的快速推进，供热管网规模不断增大，截至2020年底全国管道长度已达507 348 km[1]。但随着热网使用年数逐渐增长，管道建设质量低、能源浪费严重以及管道寿命短等突出问题逐步暴露，热力管道泄漏事故时有发生，给热网的安全性和经济性带来极大的危害，为热力管道安装泄漏监测定位系统，实时监测其运行状态，及早发现泄漏隐患并排除，可以有效降低管道运行维护费用，减少能量损失，提高管道使用寿命[2-4]。我国现行供热管道大都未装备泄漏监测系统，基本靠人工通过相关仪、听音杆、超声波检测仪等巡检方式查找泄漏点，准确度不高，定位精度差，而且无法实时发现漏点。近年来，各供热企业试用了电阻法、阻抗法、红外成像法等新技术，也不同程度存在抗干扰能力差、现场施工复杂、无法全天候监测等弊端[5-6]。

本文根据光纤分布式测温技术监测距离远、定位精度高、抗干扰能力强等技术特点，研发了一套长距离热力管道泄漏定位系统，可以很好地克服上述方法的不足。该系统无中继，监测距离可达20 km，可实现2 m的定位精度，远优于电阻法和阻抗法，同时该系统只对温度敏感，不存在地下水渗水进管道保温层造成的误报。另外该技术可实现24 h全天候、全线实时监测预警，具有分布式测量、环境适应性强等突出优势。该系统可实现热力管道的全方位监测和泄漏点的准确定位，为热力管道运营企业提供了有力的管网基础运行数据支撑。

1 泄漏定位原理

光在光纤中传播时与光纤介质发生作用，由于光纤介质的不均匀性，光会向四面八方发生散射，包括拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射，其中拉曼散射为非弹性散射，入射光与光纤分子发生热振动产生频率比入射光低的拉曼斯托克斯光和频率比入射光高的拉曼反斯托克斯光[7-8]。反斯托克斯光对温度极为敏感，且只与温度有关，在分布式光纤测温中应用极为广泛[9-11]。鉴于单路反斯托克斯光解调在实际应用中极不稳定，采用反斯托克斯光与斯托克斯光的双路解调法，可消除光源功率波动影响和降低光纤弯曲引起的信号损失影响[12]。对所采集的反斯托克斯光与斯托克斯光可以运用公式(1)解调出光纤沿线所处环境的温度。

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(1)

其中T为测量温度，T0为参考温度，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，Δν为拉曼频移量，Pas(T)为光纤温度为T时的反斯托克斯光功率，Ps(T)为光纤温度为T时的斯托克斯光功率。

图1 光纤分布式测温系统结构Fig.1 Diagram presenting the structure of distributed optical-fiber temperature-measurement system

基于光纤分布式测温的热力管道泄漏定位系统根据测得的光纤沿线温度曲线判断管道的泄漏并对泄漏位置进行定位。热力管道泄漏时，热水会透过钢管和保温层渗透到周围土壤，导致管道附近产生局部热异常[13]，测温曲线会在泄漏点位置出现高温异常点，如图1所示，通过监测热力管道温度分布即可检测和定位管道泄漏情况。

分布式光纤测温结构图如图1所示，数据采集卡通过脉冲触发驱动激光器产生一束中心波长为1 550 nm，脉冲宽度为6 ns，重复频率5 kHz的脉冲激光，该脉冲光通过波分复用器注入传感光纤，工程应用中采用多层铠装方式制成加强型光缆降低土壤回填对光纤内信号的干扰，脉冲光在光纤内发生散射产生背向散射光并输入到波分复用器，波分复用器滤出中心波长为1 650 nm的斯托克斯光和1 450 nm的反斯托克斯光传入雪崩光电二极管(avalanche photo diode，APD)，APD将光信号转换为电信号并放大，通过250 MPS数据采集卡采集两路信号传入上位机进行温度解调。

2 实验测试

基于光纤分布式测温的泄漏定位系统可实现对管道温度和管道泄漏定位的大范围高精度检测，其中定位精度取决于分布式光纤系统的空间分辨率，为了验证该泄漏定位系统的测温精度和定位精度的准确性，我们使用一段12 km传感光纤检测该系统测温精度和空间分辨率。实验中恒温槽使用RTX3015智能恒温槽，使用的温度传感器为testo735温度测量仪搭配量程为-40～300 ℃，测量精度0.05 ℃的刺入式探头Pt100温度传感器。

2.1 测温精度测试

温度精度反应了测量温度与真实温度的误差[14]。温度精度与系统信号信噪比和参考温度的选取有关，随着传感距离增加信噪比会不断降低，因此光纤一处的温度精度并不能代表整个系统的测量精度，为了准确地测量系统的温度精度，在传感光纤上取两段测试光纤，其长度均为10 m，分别对应测温光纤的3.680、9.765 km处，将两段测试光纤线圈放置在智能恒温水槽并依次设置温度为10、30、50、70、90 ℃，其余光纤放置在接有常温水的水箱里使其温度均匀作为参考。Pt100温度传感器同时监测智能恒温水槽和常温水槽真实温度。

图2 温度测量结果和误差Fig.2 Temperature-measurement results and accuracy

从图2可以看出，3.680、9.765 km处在10～90 ℃测试范围内平均温度误差分别在0.8、0.4 ℃范围内，在10 km传感距离内温度精度在1 ℃以内，表明了系统具有良好的稳定性，保证了热力管道大范围温度检测的高准确性指标，可准确地测量热力管道沿线的温度场。

2.2 空间分辨率测试

空间分辨率为系统能准确测量温度所需的最小光纤长度[15]，其不仅影响了定位精度也影响了对管道微小泄漏的识别，测试中一般用温度曲线上升沿或下降沿的10%～90%对应的光纤长度来表示[16-17]。为了验证该系统在12 km传感距离下的空间分辨率，将12 km光纤放入接有常温水的水箱使其处在温度均匀的环境中，在3.680、9.765 km处各取10 m光纤线圈放入智能恒温水槽加热到50 ℃，待恒温水槽温度稳定后温度曲线会在10 m测试光纤处产生梯形变化。

测试结果如图3所示，分别取3.680 km和9.765 km处温度曲线上升沿和下降沿10%～90%光纤长度的平均值作为系统空间分辨率测试值，即1.42 m和1.49 m。光纤前端空间分辨率优于后端，这是由于光的色散导致脉冲展宽增加所致，系统整体空间分辨率优于2 m，可实现对长距离热力管道泄漏的准确定位。

图3 系统空间分辨率测试Fig.3 Spatial resolution of system

3 现场应用测试

如图4所示，测温光缆放置在供水管和回水管中间，相比于缠绕式铺设[6]，同步铺设能极大地增加测温距离和减少成本。图5所示为2021年11月时检测到的一处泄漏点，由于管道内水温明显高于管道周围温度，管道泄漏后，由于泄漏水的不断扩散，靠近泄漏点的光缆最先出现一个高温点，随后在该高温点附近也会产生多个高于往日温度的点，整体测温曲线符合三角形或梯形分布[18]，曲线高低起伏明显是由于系统高空间分辨率和管道附近土壤温度不均匀造成，这样也证明了该系统具有高温度精度、高空间分辨率的优点。

图4 光纤铺设位置Fig.4 Fiber-laying position

图5 泄漏点的测温曲线Fig.5 Temperature-measurement curve of the leakage point

如图6所示为该系统2021年1月11日在济宁运河电厂热力管道的测温界面，图中①处低温点为桁架施工导致，②处和④处管道途径地表水，③处和⑥处为顶管施工，热力管道途径公路和地表水等地段时，为了稳定土层和保护环境，需要将光缆贴在管道上方并涂上水泥包裹，借助顶进设备顶入土层，顶管施工会导致出现一段均匀的高温曲线，③处顶管途径地表水，温度明显低于⑥，⑤处大面积的低温点为管道途径淤泥地导致，可以看出该系统能精准地测得管道周围温度并且能反应出热力管道周围所处的环境。

图6 管道温度实时监测Fig.6 Pipe temperature monitoring in real time

4 结语

研发了一套基于光纤分布式测温的长距离热力管道泄漏定位系统，经过测试，该系统可实现±1 ℃的测量精度，空间分辨率优于2 m。2020年该系统在济宁某热源置换工程一段15 km热力管道成功应用，能够实时监测管道运行状态，准确定位异常或疑似泄漏点位置。系统稳定可靠运行一年多来，为热力管道运营企业提供了大量管网基础运行数据，极大提升了管道智能化水平，具有广阔的应用推广前景。