佟敬闊,靳寶全,2*,王 東,王 宇,余 輝,白 亮

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024;2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 晉城 048012)

實(shí)際工程應(yīng)用中油氣輸送管道的鋪設(shè)距離長(zhǎng)且大多埋藏在地下,特別是油氣開采地大多數(shù)處在山區(qū),地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜。管道長(zhǎng)期埋藏在復(fù)雜的環(huán)境中會(huì)因腐蝕、地質(zhì)沉降等原因造成泄漏事故。此外還有人為破壞、管道自身缺陷等原因都可能引起管道泄漏事故[1]。目前油氣管道泄漏是輸送線運(yùn)行的主要故障,因此,對(duì)油氣管道泄露監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用成為確保輸送管道安全運(yùn)行急需解決的問(wèn)題[2]。

早期主要采用人工巡檢方式對(duì)管道安全進(jìn)行監(jiān)測(cè),隨后逐步采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù),其方法主要有平衡法、負(fù)壓波法和應(yīng)力波法等[3]。近年來(lái)以光纖為傳感元件及傳光介質(zhì)的新型傳感技術(shù)為管道安全監(jiān)測(cè)提供了一種新思路。光纖傳感器本身具有重量輕、體積小、方便鋪設(shè)、靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、不產(chǎn)生電火花以及可以實(shí)現(xiàn)分布式、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等特點(diǎn),可以替代傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器完成強(qiáng)電磁干擾、腐蝕性強(qiáng)、長(zhǎng)距離環(huán)境下分布式、實(shí)時(shí)在線溫度、振動(dòng)[4]等信號(hào)檢測(cè)。近年來(lái),光纖傳感檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)[5]、隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)[6]、輸氣管道泄漏檢測(cè)[7-8]等領(lǐng)域,基于這些研究成果,將分布式光纖測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于管道安全監(jiān)測(cè)方面將會(huì)有極好的前景。

1 技術(shù)原理

管道發(fā)生泄漏后,泄露處附近的溫度會(huì)發(fā)生變化。原油需要加熱輸送,若輸送管道發(fā)生泄漏,泄漏點(diǎn)周圍溫度會(huì)升高;對(duì)于輸氣管道,由于焦耳-湯姆遜效應(yīng),輸氣管道泄露點(diǎn)周圍溫度會(huì)下降[3]。為此本文提出一種基于自發(fā)拉曼散射效應(yīng)和光時(shí)域反射原理(R-OTDR)的分布式光纖溫度檢測(cè)方法用于管道安全的分布式、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),依據(jù)管道泄漏點(diǎn)溫度的變化來(lái)判斷管道是否泄漏。R-OTDR分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 R-OTDR分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)原理圖

微處理器通過(guò)串口控制脈沖激光器,脈沖激光器輸出的脈沖光通過(guò)1×3波分復(fù)用器(WDM)耦合進(jìn)入傳感光纖中,光纖中產(chǎn)生的多種微弱后向散射光經(jīng)波分復(fù)用器分離后得到對(duì)溫度敏感的拉曼反斯托克斯光信號(hào)(Anti-Stokes)和對(duì)溫度不敏感的拉曼斯托克斯光信號(hào)(Stokes)[9],雙通道光電探測(cè)器將接收兩種散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并放大,脈沖激光器在發(fā)出脈沖光的同時(shí)觸發(fā)雙通道數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集,采集卡將采集到的兩路電信號(hào)傳輸至微處理器進(jìn)行定標(biāo)和解調(diào)運(yùn)算;R-OTDR分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量和空間定位,其中溫度測(cè)量采用光纖中產(chǎn)生的拉曼斯托克斯散射光通道作為參考通道,用拉曼反斯托克斯后向散射信號(hào)與斯托克斯后向散射信號(hào)的光強(qiáng)比值來(lái)解調(diào)溫度信息,參考光纖段對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)比值和溫度值作為標(biāo)準(zhǔn),用于溫度的標(biāo)定。傳感光纖距離L處的反斯托克斯和斯托克斯拉曼后向散射信號(hào)的光強(qiáng)比值可以表示為[10]:

(1)

內(nèi)置參考光纖溫度T0對(duì)應(yīng)的反斯托克斯和斯托克斯拉曼后向散射信號(hào)的光強(qiáng)比值可以表示為:

(2)

式(1)與式(2)的比值可以表示為:

(3)

對(duì)式(3)中等式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得:

(4)

最后可得傳感光纖沿線L環(huán)境溫度值為:

(5)

式中:φa和φs分別為反斯托克斯和斯托克斯拉曼后向散射信號(hào)的光強(qiáng),Va和Vs分別為反斯托克斯和斯托克斯散射光的頻率,h為普朗克常量,c為光速,k為玻爾茲曼常量,Δv為拉曼聲子頻率。T和T0都是開爾文絕對(duì)溫度?？梢?jiàn),傳感光纖距離L處的環(huán)境溫度值T可以通過(guò)探測(cè)到的R(T)、R(T0)、T0和Δv計(jì)算得出,上述即為拉曼散射測(cè)溫原理[11]。R-OTDR分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)利用光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間定位功能,與傳統(tǒng)的光時(shí)域反射儀相似,即通過(guò)在光纖注入端探測(cè)脈沖光在光纖中傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的后向散射信號(hào),兩者對(duì)比計(jì)算得到從發(fā)出脈沖光到接收到后向散射光信號(hào)所用的時(shí)間t,根據(jù)公式:L=ct/2n,實(shí)現(xiàn)光纖沿線定位功能,n為傳感光纖折射率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分,其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。下面分別對(duì)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)功能進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖2 R-OTDR分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成介紹

硬件系統(tǒng)主要包括高功率脈沖激光器、1×3波分復(fù)用器、光接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理及存儲(chǔ)器以及顯示和聲光報(bào)警等部分。選用中心波長(zhǎng)為1 550 nm,脈沖寬度5 ns～100 ns可調(diào),重復(fù)頻率0.01 kHz～100 kHz可調(diào)的高功率脈沖激光器發(fā)出脈沖光;選用工作波長(zhǎng)為1 450 nm、1 550 nm和1 660 nm,透射隔離度>35 dB,插入損耗<1.5 dB的1×3波分復(fù)用器用于耦合濾波;選用帶寬120 MHz,光譜響應(yīng)范圍900 nm～1 700 nm雙通道光電探測(cè)器作為光接收系統(tǒng)將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)前置放大器放大后傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇雙通道12 bit A/D,100 MS/s采樣率的高速數(shù)據(jù)采集卡;選用工控機(jī)為中央處理器控制激光器驅(qū)動(dòng)及監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及顯示和聲光報(bào)警系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)輸入內(nèi)部存儲(chǔ)器,中央處理器讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度信息的解調(diào)運(yùn)算,溫度解調(diào)結(jié)果通過(guò)便于操作的8.9寸液晶觸摸屏顯示,通過(guò)聲光報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警。選用62.5/125 μm漸變型多模光纖作為傳感光纖。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

R-OTDR軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用LabVIEW圖形化編程軟件進(jìn)行界面的開發(fā)及相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn),該系統(tǒng)主要包括激光器監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理溫度解調(diào)顯示三大部分。激光器監(jiān)控部分通過(guò)調(diào)用激光器軟件設(shè)置激光器重復(fù)頻率和脈沖寬度等參數(shù)并監(jiān)控其工作溫度和輸出功率;數(shù)據(jù)采集部分通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件設(shè)置采集卡采樣長(zhǎng)度和觸發(fā)方式等參數(shù),利用激光器同步觸發(fā)采集卡的方式在激光器發(fā)出脈沖光的同時(shí)開始采集數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)散射點(diǎn)的精確定位;信號(hào)處理及溫度解調(diào)和顯示部分采用循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的累加平均,同時(shí)結(jié)合小波降噪的方法使系統(tǒng)信噪比得到顯著提高,采用雙路信號(hào)解調(diào)方法獲得溫度曲線,設(shè)置溫度報(bào)警閾值,溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)的查詢、顯示。軟件系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3 系統(tǒng)性能測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)測(cè)溫精度及響應(yīng)時(shí)間

在24 ℃環(huán)境溫度下,將總長(zhǎng)10.35 km的傳感光纖置于環(huán)境中,并將光纖一端連接到該系統(tǒng)的探測(cè)端口,采用數(shù)字累加平均融合小波降噪的方法[12-13]進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為1 000次累加平均結(jié)果,單次測(cè)量時(shí)間為1.09 s,圖4(b)為1 000次累加平均加小波降噪結(jié)果,單次測(cè)量時(shí)間為1.16 s,圖4(c)為10 000次累加平均結(jié)果,單次測(cè)量時(shí)間為2.64 s,圖4(d)為10 000次累加平均加小波降噪結(jié)果,單次測(cè)量時(shí)間為2.65 s。從圖4(a)和圖4(c)對(duì)比可以看出,在10 km監(jiān)測(cè)距離內(nèi)10 000次累加平均結(jié)果相比1 000次累加平均結(jié)果,測(cè)溫精度提升了2.7倍,從圖4(b)和圖4(d)對(duì)比可以看出,在10 km監(jiān)測(cè)距離內(nèi)10 000次累加平均加小波降噪結(jié)果相比1 000次累加平均加小波降噪結(jié)果,測(cè)溫精度提升了3倍。采用數(shù)字累加平均融合小波降噪的方法時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于3 s,同時(shí)使系統(tǒng)在10 km距離內(nèi)測(cè)溫精度提高到±1 ℃,具備檢測(cè)由于管道泄漏造成的微小溫度變化的能力。

圖4 不同累加平均次數(shù)及小波降噪效果

3.2 系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)距離

在22 ℃環(huán)境溫度下,將總長(zhǎng)10.2 km的傳感光纖置于環(huán)境中,光纖一端連接到該系統(tǒng)的探測(cè)端口,并將986 m處一段探測(cè)光纖和9 215 m處一段探測(cè)光纖放入同一恒溫槽中,恒溫槽溫度為44.6 ℃,使用該系統(tǒng)進(jìn)行分布式光纖測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。10 km的光纖溫度檢測(cè)結(jié)果如圖5所示,圖中有兩個(gè)溫度峰值位置分別為986 m處和9 215 m處,兩個(gè)溫度峰值與恒溫槽溫度值一致,表明系統(tǒng)在10 km監(jiān)測(cè)距離內(nèi)溫度傳感檢測(cè)效果一致,能夠?qū)崿F(xiàn)首尾變化同時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖5 10 km的光纖溫度檢測(cè)結(jié)果

3.3 系統(tǒng)測(cè)溫量程

在24 ℃環(huán)境溫度下,將總長(zhǎng)10 km的傳感光纖置于環(huán)境中,將光纖一端連接到該系統(tǒng)的探測(cè)端口,并將8 550 m處一段探測(cè)光纖放入恒溫槽中,以酒精為降溫介質(zhì),使用該系統(tǒng)進(jìn)行分布式光纖低溫實(shí)驗(yàn)。在同樣的環(huán)境溫度下,將同一探測(cè)光纖放入高溫烘箱中進(jìn)行分布式光纖高溫測(cè)量實(shí)驗(yàn)。測(cè)溫結(jié)果整體分布如圖6所示,圖中從上到下的溫度為+200 ℃～-25 ℃。系統(tǒng)測(cè)溫范圍寬,能夠滿足管道沿線火災(zāi)引起的大幅度溫度變化監(jiān)測(cè)能力。將普通傳感光纖更換為耐高溫光纖,可以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)溫量程[14]。

圖6 測(cè)溫結(jié)果整體分布

3.4 系統(tǒng)定位精度

實(shí)驗(yàn)中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行定位精度測(cè)試,測(cè)量8組光纖的已知標(biāo)定位置,標(biāo)定位置與該系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果如表1所示。將系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果和標(biāo)定位置相比較可以看出8組測(cè)量結(jié)果中最大誤差為2 m,因此可知該系統(tǒng)在10 km監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)定位精度≤2 m。

表1 系統(tǒng)定位測(cè)量結(jié)果表 單位:m

3.5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

在山西省沁水縣煤層氣集輸管道鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。傳感光纜緊貼管道鋪設(shè),監(jiān)測(cè)管道沿線溫度分布情況。該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖7所示。

圖7 R-OTDR系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

實(shí)驗(yàn)中在沿線隨機(jī)選取一處位置模擬管道發(fā)生泄漏引起的升溫現(xiàn)象,使用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠提供管道沿線溫度分布信息,快速定位在1 920 m處有明顯的溫度變化并做出報(bào)警提示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了面向管道安全監(jiān)測(cè)的R-OTDR分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng),基于對(duì)管道沿線溫度的檢測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)管道的安全狀況。針對(duì)長(zhǎng)距離管道沿線泄漏引起的微小溫度變化或火災(zāi)引起的大幅溫度變化的檢測(cè)需求,通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在10 km溫度監(jiān)測(cè)距離內(nèi)測(cè)溫精度±1 ℃,測(cè)溫量程為-25 ℃～+200 ℃,定位精度≤2 m,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間<3 s。并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠快速判斷和精確定位管道泄露點(diǎn)或火災(zāi)發(fā)生的位置。該系統(tǒng)的提出可以為長(zhǎng)距離管道的分布式、實(shí)時(shí)在線安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供借鑒和參考的方案,在管道安全監(jiān)測(cè)方面將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

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