分布式光纤管道预警系统的应用

0 引言

本文介绍基于光时域反射 (OTDR) 原理的分布式光纤管道预警技术, 可以检测管道沿线的振动信号, 不仅可以检测出管道发生泄漏情况, 还可以对管道沿线发生的危害事件进行预警。

1 光纤预警系统原理

1.1 OTDR检测原理

基于OTDR原理的分布式光纤管道预警系统, 利用管道伴行光缆中的一芯作为分布式振动传感器, 利用高功率的激光发射器向所连接的光缆发射激光脉冲, 光脉冲在光纤中向前传输, 同时会产生后向的瑞丽散射和菲涅耳反射。反射光反射到入射端经过定向光耦合分路器、滤波器射向光电探测器, 转换为电信号, 经过信号处理和分析, 可以得到沿线光纤每个位置的损耗特性。

光纤的弯曲和抖动会导致膜间能量耦合发生变化, 反射回入射端光的相位和强度就会发生变化。当管道发生泄漏或管道附近有机械施工、人为破坏等时间时, 都会对光纤施加作用力, 该位置光纤的损耗特性就会变化。

1.2 定位原理

利用光时域反射技术进行定位, 根据发射光脉冲到背向散射光被反射回来所用的事件, 以及光在光纤中传输的速度, 可得计算距离的公式:

式中:L为光纤长度;c为光在真空中的速度;n为光纤线芯中的折射率;t为信号从发射到返回的事件。

根据以上公式, 在t时刻测量得到的是离光纤入射端距离L处的损耗, 可以确定光纤故障点、断点或损耗变化点的位置。

2 光纤预警系统组成

基于OTDR运用拉曼散射和瑞利散射原理的光纤管道预警系统主要有以下设备构成:

(1) 探测光缆:敷设在石油管线沿线, 既作为探测光缆, 同时也作为数据传输链路。

(2) 探测单元 (IU) :即分布式光纤智能侦测主机, 用于激光脉冲发射和采集、实时感应周围压力、振动等情况, 将收集到的信息传输给处理服务器进行分析。

(3) 处理服务器 (PS) :分析和处理来自探测单元的数据信号, 完成基本的信号处理工作。

(4) 控制单元 (CU) :用于参数配置的软件控制, 相当于工程师级用户界面。

(5) 综合监控平台:由Max View服务器及数据库服务器 (选配) 构成。管理用户权限, 保存日志信息, 呈现报警信息作为直接操作界面为用户提供服务。

光纤预警系统应用中需要注意以下几点:

(1) 光缆敷设深度要求

光缆施工对系统有效性的主要影响因素有三个, 分别是埋设深度、土壤环境、测量距离。

预警系统探测效果还会受到周围环境的影响, 例如雨水、积雪、土壤疏松都会导致系统应用中探测性能的降低。

(2) 沿线土质情况标定

光纤预警系统对第三方机械挖掘的有效探测范围与周围的环境也息息相关, 例如土壤的疏松程度、雨水、积雪都会导致系统探测性能的降低。

光纤预警系统投用前, 需对管线沿线土质情况进行了解, 作为振动识别的基础参数。一般采用探测球沿管道逐段进行探测, 光纤预警系统的控制单元记录探测球产生的振动波形, 对土质参数进行标定。

(3) 建立各种振动事件的识别模式

管道光纤预警系统采用模式识别的方法判断管道入侵事件的类型, 如车辆行驶、人员步行、人工挖掘、机械挖掘、管道钻孔、火车经过等。根据各种入侵事件产生振动的频率、振幅特性, 建立不同的振动模式。采用模式识别的方式, 即能屏蔽无危害的振动事件, 降低误报率, 又能及时识别入侵类型, 提高事件处理反应速度。

系统对常见的、对管道无危害和正常范围内的振动事件 (如铁路穿越点火车经过、公路穿越点车辆经过等) 作为常规信号提示不报警;对管道有危害的振动事件如 (人工挖掘、机械挖掘) 进行报警, 提醒工作人员现场巡视、做出处理;

对于异常的、模式类型中未包括的振动事件 (如管道泄漏、河水冲刷) 进行报警, 由人工进行判断等。

3 系统应用

在西气东输二线苏浙沪段的芙蓉站-上海站120km的管线上, 实验应用了上海波汇科技有限公司基于OTDR技术的管道光纤预警系统。该段管道地处江南水网, 土质为黑色软淤泥, 光缆为同沟敷设的硅管光缆, 沿线有多处厂房、桥梁、公路、楼群等施工工地, 管道多次穿越公路、河流、高铁, 应用现场环境复杂。

芙蓉站-上海站段管道光纤预警系统安装3年来, 不断完善振动模式库, 应用效果良好, 多次发现第三方事件入侵, 有效的保护了管道安全运行。

经过实际应用中的检验, 管道光纤预警系统的预警性能基本可以达到以下技术参数:

预警范围:机械事件±10m;人为事件±3m (受地质环境影响) 。

4 结语

现场实际应用表明, 基于OTDR的分布式光纤管道预警技术反应灵敏、定位精度高, 可以检测到较小的管道泄漏, 尤其可以对机械挖掘、自然灾害等危害管道安全的事件进行及时报警和定位, 实现对危害事件的及时发现、准确定位、有效制止, 能够有效提高对管道运行的安全性。

摘要：基于光时域反射 (OTDR) 技术的分布式光纤管道预警系统, 利用与管道同沟敷设的光缆中的一芯, 可以有效检测管道沿线的振动情况, 采用模式识别的方式鉴别振动事件的类型, 可以有效检测管道沿线所发生的泄漏和异常情况, 对危害管道安全的事件进行预警和定位。

关键词：OTDR,管道预警,模式识别,振动类型

参考文献

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