一種凍土區油氣管道周圍溫度監測系統的製作方法

2023-05-29 11:03:36

專利名稱：一種凍土區油氣管道周圍溫度監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種基於光纖光柵傳感技術的凍土區油氣管道周圍溫度監測系統，涉及長度的測量、溫度的測量、其它類不包括測量、一般的控制系統和管道系統技術領域。
背景技術：
凍土是一種特殊的土類，溫度為負溫或零溫，並且含有冰的土，稱為凍土。按土的凍結狀態保持時間的長短，凍土一般又可分為短時凍土(數小時至半月)、季節凍土(半月至數月)以及多年凍土(兩年以上)。我國凍土非常發育，多年凍土面積約為211萬平方公裡，佔我國國土總面積的23%，在世界上佔第三位，主要分布在青藏高原、西部高山和東北大、小興安嶺；季節性凍土面積約為514萬平方公裡，約佔國土總面積的53.5%。其中，中深度季節凍土(> Im)約佔國土面積的1/3，主要分布於東北三省、內蒙古、甘肅、寧夏、新疆北部、青海和川西等地。發達國家輸油管道建設已有100多年歷史，很多凍土地區蘊藏有巨大的油氣資源，相應地油氣管道工程設計和施工成為這些地區石油工業最新的挑戰。從20世紀60年代開始，大口徑管道開始主導北美北部和西伯利亞多年凍土地區油氣田輸運市場。二戰期間，克努兒(Canol)管道從加拿大羅曼井輸運原油到美國的阿拉斯加州費爾班克斯市(Fairbanks) ; 1956年管徑為203mm的油管從阿拉斯加州海因斯市(Haines)到費班克斯市修築成功；20世紀70年代早期，前蘇聯多年凍土區已有輸油管道；1977年，長1280km、直徑為1220_的輸油管道將美國阿拉斯加州北坡低溫多年凍土區的原油源源不斷地輸運到阿拉斯加南部的天然不凍港瓦爾迪斯(Valdez)，然後油輪將原油輸運到加州。20世紀80年代中期，從加拿大羅曼井到加拿大阿爾波特(Alberta)省北部咱馬(Zama)湖、長869km、口徑
30.5cm的環境溫度管道按時完成鋪設，羅曼井管道是加拿大多年凍土區第一條完全埋設的輸油管道。這些管道在運營期間，均受到凍土區凍脹融沉災害的威脅甚至破壞。其中，克努兒(Canol)管道在開始運行後前9個月，管道沿線約有700xl04L原油洩漏。Mackenzie河岸上一個12700m3的儲油庫破裂，大部分儲油流入河流中。1945年日本投降後，該管道很快就被拆除；羅曼井管道沿線途經不連續多年凍土，施工和運行中遇有凍脹和融沉問題，通過長達17年的監測，發現管道沿線多年凍土持續融化和沉降導致融化深度達3-5m(湖相沉積)或5-7m(粗顆粒礦質土 )，以及顯著的地面沉降。我國在多年凍土地區修建的第一條長輸油氣管道，即格爾木-拉薩輸油管道(簡稱格拉線)，格拉線於1972年由中國人民解放軍施工，1977年基本建成，長達1076km，管徑159mm，管壁厚6mm，投資2. 3x108元。格拉線工程修建和維護十分困難，全線穿越河流108條，穿越公路123處，900多公裡管線在海拔4000m以上(最高處海拔5200m)，560km位於多年凍土區，凍結期長達8個月。格拉線自1977年運行以來，凍脹、融沉問題已經造成多次「露管」現象。中俄原油管道北起漠河首站中俄黑龍江邊界線，南至大慶末站，全長960多公裡，途經兩省五市十二個縣區，穿越440公裡原始森林，11條大中型河流，5個自然保護區。管道沿線地勢北高南低，北部地形起伏較大，沿線為大興安嶺低山、丘陵及河谷地貌，南部為松嫩平原，地形平坦開闊；漠河-加格達奇段約460km為山區、林區、多年凍土區，多年凍土總長度約314km，其中少冰、多冰多年凍土 209km，飽冰、富冰多年凍土 62km，凍土沼澤43km。管道面臨著嚴重的凍脹融沉災害威脅。針對管道面臨的凍脹融沉問題，國內外運營單位採取了積極的應對措施。羅曼井管道1985年投產後，管道日常監測計劃作為項目運行的重要組成部分一直在實施，除每周一次的飛機空中巡線外，還在管道沿線安裝了大量的檢測儀表以記錄運行數據，並在每年9月，即管道沉降最大時進行一次現場勘測以完成管道沿線的實地調查、儀器數據的記錄和滑坡地段的現場評估等工作。1989年後，羅曼井管道採用管道內檢測器進行每年一次的內檢測，以評估不穩定土體運動和差異性融沉對管道的影響程度，隨著檢測數據的不斷積累和擴充，為管道技術性能的評估提供了良好的基礎。Norman wells管道是第一條埋設於加拿大北部多年凍土區的油氣管道，由加拿Enbridge公司負責管理和運營，在各種條令法規的要求下，已建立了一個計劃周密、操作性強的監測系統，其中包括凍土融沉監測、管道內檢測、翹曲上拱檢測、折皺檢測、邊坡檢測、木屑層狀況檢測和溫度監測等七個方面的內容。格拉管道也通過定期巡線、安裝壓力、溫度傳感器等監測凍土的變化。雖然國內外管道運營單位採取了積極的措施應對凍土區的凍脹融沉災害，但是由於凍脹融沉災害的形成機理非常複雜，而且不同地區的凍土特性各不相同，目前國內外並未見有成熟的監測技術，可以監測凍脹融沉災害對管道的影響。

實用新型內容本實用新型的目的是設計一種高精度、高穩定性、低成本的基於光纖光柵傳感技術的凍土區油氣管道周圍溫度監測系統。本實用新型提出了一種基於光纖光柵傳感技術的凍土區油氣管道周圍溫度監測系統。系統採用光纖光柵傳感技術，對凍土及其影響下的油氣管道進行監測，並構建了監測系統，實現了數據的實時自動採集、遠程傳輸和自動分析。本實用新型提出的基於光纖光柵傳感技術的凍土區油氣管道周圍溫度監測系統，凍土區溫度監測採用光纖光柵溫度傳感器實時在線監測。本凍土區油氣管道周圍溫度監測系統如圖1所示，該系統分為現場數據採集傳輸子系統和數據分析顯示子系統，具體包括光纖光柵溫度傳感器組、現場監測站、遠程監控中心。凍土區油氣管道周圍溫度監測系統的總體構成如圖1所示。在凍土區I的油氣管道2表面及其周圍安裝多個光纖光柵溫度傳感器a 3、光纖光柵溫度傳感器b4、光纖光柵溫度傳感器c 5組成的溫度傳感器組，所有傳感器串聯熔接，然後通過光纜12引到監測站裡，光纜12與光開關13連接，光開關13與光纖光柵解調儀14連接，光纖光柵解調儀14與下位機15連接，下位機15預處理後的數據通過衛星通信模塊16傳輸至低軌道衛星17，低軌道衛星17接收到數據後將數據轉發至衛星通信模塊18，衛星通信模塊18將接收到的數據傳輸到上位機19進行分析和處理，從而實現對凍土區油氣管道的安全監測。光纖光柵溫度傳感器a 3、光纖光柵溫度傳感器b 4、光纖光柵溫度傳感器c5分別將管道周圍的溫度信號經光纜12傳到光開關13，經光纖光柵解調儀14解調傳至下位機15，下位機15調用自編的程序，控制光開關13和光纖光柵解調儀14，實現數據的採集並對數據進行預處理；預處理後的數據通過衛星通信模塊16傳輸至低軌道衛星17，低軌道衛星17接收到數據後將數據轉發至衛星通信模塊18，衛星通信模塊18將接收到的數據傳輸到上位機19進行分析和處理，判斷凍土區管道的安全狀態。數據的處理主要由軟體完成，軟體流程如圖3所示。下位機數據預處理主要是將光纖光柵解調儀採集的光波長數據根據轉化為溫度數據，上位機在接收數據後，首先將數據分類，繪製出管道周圍溫度的趨勢圖，並最終將三個監測數據融合，判斷凍土區的穩定狀態和管道的安全狀況。凍土區油氣管道周圍溫度監測系統的原理框圖如圖3所示，它分為現場數據採集傳輸子系統和數據分析顯示子系統。現場數據採集傳輸子系統的組成是光纖光柵溫度傳感器的輸出接光開關的輸入，光開關的輸出接光纖光柵解調儀的輸入，光纖光柵解調儀輸出接下位機的輸入，下位機輸出接衛星通信模塊。現場數據採集傳輸子系統通過低軌道衛星與數據分析顯示子系統連繫。數據分析顯示子系統的組成是衛星通信模塊輸出接上位機的輸入，上位機輸出有凍土區溫度場動態顯示。該系統的電原理如圖4所示，光纖光柵溫度傳感器組的FC接頭分別與光開關的FC輸入埠1、FC輸入埠 2、FC輸入埠 3連接，光開關的R232埠接下位機的R232埠1，光開關的FC輸出埠接光纖光柵解調儀的FC輸入埠，光纖光柵解調儀的LAN埠接下位機的LAN埠，下位機的VGA與顯示器的VGA連接，下位機的R232埠 2接衛星通信模塊的R232埠，衛星通信模塊將數據傳輸到低軌道衛星，低軌道衛星實時將數據轉發至另一衛星通信模塊，該衛星通信模塊將接收數據由R232埠傳輸至上位機的R232埠，上位機對數據分析處理後由VGA埠輸出至顯示器。光纖光柵傳溫度感器信號經光開關13逐一導通傳輸至光纖光柵解調儀14，光纖光柵解調儀14解調出各光纖光柵傳感器的中心波長傳輸至下位機15，光開關13導通信號的周期由下位機15控制。下位機15對數據進行預處理，並將處理後的數據輸給衛星通信模塊16，衛星通信模塊16將數據傳輸到低軌道衛星17，低軌道衛星17實時將數據轉發至衛星通信模塊18，衛星通信模塊18將接收數據傳輸至上位機，上位機通過自編軟體對數據進行分析處理，由顯示器顯示。光纖光柵溫度傳感器為自行研製傳感器。光纖光柵溫度傳感器採用雙層鋼管的結構，不僅提高了傳感器的靈敏度，而且也起到了保護作用。除了上述電路部分外，凍土區油氣管道周圍溫度監測系統的光纖光柵溫度傳感器組的構成是凍土區光纖光柵溫度傳感器組的構成如圖3所示在管道c28的上下左右，分別安裝光纖光柵溫度傳感器組a 29、光纖光柵溫度傳感器組b 30、光纖光柵溫度傳感器組c
31、光纖光柵溫度傳感器組d 32。溫度傳感器組29由若干個光纖光柵溫度傳感器33組成，光纖光柵溫度傳感器33的數量和間隔可根據需求設置。溫度傳感器組30和溫度傳感器組32之間通過單芯鎧裝光纜34連接。光纖光柵溫度傳感器組a 29、光纖光柵溫度傳感器組b 30、光纖光柵溫度傳感器組c 31、光纖光柵溫度傳感器組d 32通過光纜接線盒35與數據採集裝置連接，實現管道周圍溫度的監測。本系統的優點表現在(I)提出對凍土區及其影響下油氣管道進行聯合監測的系統，揭示了凍土作用下管體受力特徵以及管體與凍土相互作用的特徵；用多指標進行凍土影響下油氣管道的安全
預警；(2)將光纖光柵傳感技術應用於凍土區管道監測，該技術抗幹擾、耐腐蝕、易於組網等優勢明顯；該技術易於實現自動實時在線監測，且成本較低；(3)凍土區溫度監測，採用光纖光柵溫度傳感器監測凍土區溫度，由於光纖光柵傳感技術具有波分復用的優勢，一根光纖可串聯多個光纖光柵溫度傳感器，避免了複雜的走線，同時也節約了成本。

圖1採凍土區油氣管道監測原理圖圖2凍土區管道溫度監測裝置圖圖3凍土區油氣管道監測系統原理框圖圖4凍土區油氣管道監測系統電原理圖其中1-凍土區2-管道a·[0029]3-光纖光柵溫度傳感器a4-光纖光柵溫度傳感器b5-光纖光柵溫度傳感器c12-光纜13-光開關14-光纖光柵解調儀15-下位機16-衛星通信模塊a17-低軌道衛星18-衛星通信模塊b19-上位機28-管道c29-光纖光柵溫度傳感器組a30-光纖光柵溫度傳感器組b31-光纖光柵溫度傳感器組c32-光纖光柵溫度傳感器組d33-光纖光柵溫度傳感器d34-單芯鎧裝光纜a35-光纜接線盒b
具體實施方式
實施例.本例是一種試驗系統，並在季節性凍土厚度2m、凍土類型為富冰飽冰的凍土區進行了試驗，其中管道埋深2m，管體直徑為813mm、壁厚為10mm、鋼級X65。凍土區油氣管道周圍溫度監測系統的總體構成如圖1所示，原理框圖如圖3所示。在凍土區I的油氣管道2表面及其周圍安裝光纖光柵溫度傳感器3、4、5組成的溫度傳感器組，所有傳感器串聯熔接，然後通過光纜12引到監測站裡，光纜12與光開關13連接，光開關13與光纖光柵解調儀14連接，光纖光柵解調儀14與下位機15連接，下位機15預處理後的數據通過衛星通信模塊16傳輸至低軌道衛星17，低軌道衛星17接收到數據後將數據轉發至衛星通信模塊18，衛星通信模塊18將接收到的數據傳輸到上位機19進行分析和處理，從而實現對凍土區油氣管道的安全監測。該例的電原理如圖4所示，光纖光柵溫度傳感器組的FC接頭分別與光開關的FC輸入埠1、FC輸入埠 2、FC輸入埠 3連接，光開關的R232埠接下位機的R232埠I，光開關的FC輸出埠接光纖光柵解調儀的FC輸入埠，光纖光柵解調儀的LAN埠接下位機的LAN埠，下位機的VGA與顯示器的VGA連接，下位機的R232埠 2接衛星通信模塊的R232埠，衛星通信模塊將數據傳輸到低軌道衛星，低軌道衛星實時將數據轉發至另一衛星通信模塊，該衛星通信模塊將接收數據由R232埠傳輸至上位機的R232埠，上位機對數據分析處理後由VGA埠輸出至顯示器。光纖光柵溫度傳感器信號經光開關13逐一導通傳輸至光纖光柵解調儀14，光纖光柵解調儀14解調出各光纖光柵傳感器的中心波長傳輸至下位機15，光開關13導通信號的周期由下位機15控制。下位機15對數據進行預處理，並將處理後的數據輸給衛星通信模塊16，衛星通信模塊16將數據傳輸到低軌道衛星17，低軌道衛星17實時將數據轉發至衛星通信模塊18，衛星通信模塊18將接收數據傳輸至上位機，上位機通過自編軟體對數據進行分析處理，由顯示器顯示。其中光纖光柵溫度傳感器選用自行設計封裝的溫度傳感器；光纜選用中天科技GYTA-12B1 ；光開關選用光隆科技SUM-FSW ；光纖光柵解調儀選用SMl30 ；下位機及程序選用研華IPC-610，程序自編；通信衛星模塊STELLAR公司的ST2500 ；上位機及程序選用研華IPC-610，程序自編；其中凍土區光纖光柵溫度傳感器組的構成如圖3所示。在管道28的上下左右，分別安裝光纖光柵溫度傳感器組a 29、光纖光柵溫度傳感器組b 30、光纖光柵溫度傳感器組c
31、光纖光柵溫度傳感器組d 32。溫度傳感器組29由若干個光纖光柵溫度傳感器33組成，光纖光柵溫度傳感器33的數量和間隔可根據需求設置。溫度傳感器組30和溫度傳感器組32之間通過單芯鎧裝光纜34連接。光纖光柵溫度傳感器組a 29、光纖光柵溫度傳感器組b 30、光纖光柵溫度傳感器組c 31、光纖光柵溫度傳感器組d 32通過光纜接線盒35與數據採集裝置連接，實現管道周圍溫度的監測。本系統在進行監測時，溫度需要長期監測，根據對長期監測數據的分析，總結溫度和水分變化狀態和趨勢，用於管-土作用綜合分析及管道潛在風險判斷。經長時間的監測，本例易於構建監測系統，易於實現凍土區和管道聯合監測數據的實時自動採集分析及遠程發布，遠程實時自動報警。避免了繁瑣的人工採集數據，提高了預警的精度，減少了報警時間，同時還能對報警地點進行準確定位，這對管道應急措施的採取至關重要。
權利要求1.一種凍土區油氣管道周圍溫度監測系統，其特徵是該系統分為現場數據採集傳輸子系統和數據分析顯示子系統，具體包括光纖光柵溫度傳感器組、現場監測站、遠程監控中心;凍土區油氣管道周圍溫度監測系統的總體構成為在凍土區(I)的油氣管道(2)表面及其周圍安裝多個光纖光柵溫度傳感器a(3)、光纖光柵溫度傳感器b (4)、光纖光柵溫度傳感器c(5)組成的溫度傳感器組，所有傳感器組分別與光纜(12)連接，然後通過光纜(12)引到監測站裡，光纜(12)與光開關(13)連接，光開關(13)與光纖光柵解調儀(14)連接，光纖光柵解調儀(14)與下位機(15)連接，下位機(15)預處理後的數據通過第一衛星通信模塊(16)傳輸至低軌道衛星(17)，低軌道衛星(17)接收到數據後將數據轉發至第二衛星通信模塊(18)，第二衛星通信模塊(18)將接收到的數據傳輸到上位機(19)進行分析和處理，從而實現對凍土區油氣管道的安全監測；多個光纖光柵溫度傳感器a (3)、光纖光柵溫度傳感器b (4)、光纖光柵溫度傳感器c (5)將管道周圍的溫度信號經光纜(12)傳到光開關(13)，經光纖光柵解調儀(14)解調傳至下位機(15)，下位機(15)調用自編的程序，控制光開關(13)和光纖光柵解調儀(14)，實現數據的採集並對數據進行預處理；預處理後的數據通過第一衛星通信模塊(16)傳輸至低軌道衛星(17)，低軌道衛星(17)接收到數據後將數據轉發至第二衛星通信模塊(18)，第二衛星通信模塊(18)將接收到的數據傳輸到上位機(19)進行分析和處理，判斷凍土區管道的安全狀態。
2.根據權利要求1所述的一種凍土區油氣管道周圍溫度監測系統，其特徵是其原理框圖為它分為現場數據採集傳輸子系統和數據分析顯示子系統；現場數據採集傳輸子系統的組成是光纖光柵溫度傳感器的輸出接光開關的輸入，光開關的輸出接光纖光柵解調儀的輸入，光纖光柵解調儀輸出接下位機的輸入，下位機輸出接第一衛星通信模塊，第二衛星通信模塊輸出接上位機的輸入；現場數據採集傳輸子系統通過低軌道衛星與數據分析顯示子系統連繫；數據分析顯示子系統的組成是第二衛星通信模塊輸出接上位機的輸入，上位機輸出有凍土區溫度場動態顯示。
3.根據權利要求1或2所述的一種凍土區油氣管道周圍溫度監測系統，其特徵是該系統的電原理為光纖光柵溫度傳感器組的FC接頭分別與光開關的FC輸入埠1、FC輸入埠 2、FC輸入埠 3連接，光開關的R232埠接下位機的R232埠 1，光開關的FC輸出埠接光纖光柵解調儀的FC輸入埠，光纖光柵解調儀的LAN埠接下位機的LAN埠，下位機的VGA與顯示器的VGA連接，下位機的R232埠 2接第一衛星通信模塊的R232埠，第一衛星通信模塊將數據傳輸到低軌道衛星，低軌道衛星實時將數據轉發至第二衛星通信模塊，第二衛星通信模塊將接收數據由R232埠傳輸至上位機的R232埠，上位機對數據分析處理後由VGA埠輸出至顯示器；光纖光柵溫度傳感器信號經光開關(13)逐一導通傳輸至光纖光柵解調儀(14)，光纖光柵解調儀(14)解調出各光纖光柵傳感器的中心波長傳輸至下位機(15)，光開關(13)導通信號的周期由下位機(15)控制；下位機(15)對數據進行預處理，並將處理後的數據輸給第一衛星通信模塊(16)，第一衛星通信模塊(16)將數據傳輸到低軌道衛星(17)，低軌道衛星(17)實時將數據轉發至第二衛星通信模塊(18)，第二衛星通信模塊(18)將接收數據傳輸至上位機(19)，上位機(19)通過自編軟體對數據進行分析處理，由顯示器顯示。
4.根據權利要求1或2所述的一種凍土區油氣管道周圍溫度監測系統，其特徵是所述光纖光柵溫度傳感器採用雙層鋼管的結構。
5.根據權利要求1所述的一種凍土區油氣管道監測系統，其特徵是所述凍土區光纖光柵溫度傳感器組的構建方法是在油氣管道(2)的上下左右，分別安裝多個光纖光柵溫度傳感器a(3)、光纖光柵溫度傳感器b(4)、光纖光柵溫度傳感器c (5)組成的光纖光柵溫度傳感器組；多個光纖光柵溫度傳感器a (3)、光纖光柵溫度傳感器b (4)、光纖光柵溫度傳感器c(5)的數量和間隔根據需求設置；多個光纖光柵溫度傳感器a(3)、光纖光柵溫度傳感器b (4)、光纖光柵溫度傳感器c (5)組成的光纖光柵溫度傳感器組之間通過單芯鎧裝光纜(34)連接；多個光纖光柵溫度傳感器a (3)、光纖光柵溫度傳感器b (4)、光纖光柵溫度傳感器c (5)組成的光纖光柵溫度傳感器組通過光纜接線盒(35)與數據採集裝置連接。
專利摘要本實用新型是一種基於光纖光柵傳感技術的凍土區油氣管道周圍溫度監測系統。在凍土區的油氣管道(2)表面及其周圍安裝光纖光柵溫度傳感器組，所有傳感器組分別與光纜(12)連接，由光纜(12)引到監測站裡，光纜(12)與光開關(13)連接，光開關(13)與光纖光柵解調儀(14)連接，光纖光柵解調儀(14)與下位機(15)連接，下位機(15)預處理後的數據通過第一衛星通信模塊(16)傳輸至低軌道衛星(17)，低軌道衛星(17)將數據轉發至第二衛星通信模塊(18)，第二衛星通信模塊(18)將接收到的數據傳輸到上位機(19)進行分析和處理。本實用新型精度高、穩定性高、低成本。
文檔編號G01K1/02GK202903340SQ20122020013
公開日2013年4月24日 申請日期2012年5月4日 優先權日2012年5月4日
發明者馬雲賓, 宋寧, 許斌, 石蕾, 張一玲, 邱紅輝, 孫異, 吳瓊 申請人:中國石油天然氣股份有限公司