一種光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統的製作方法
2023-05-19 15:50:41
專利名稱：一種光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統的製作方法
一種光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統技術領域
本發明是一種用於準確定位管道洩漏點位置的光纖傳感天然氣管道洩漏監測系 統的洩漏點定位系統，涉及機械振動的測量、衝擊的測量和管道系統技術領域。
背景技術：
目前，世界上建成的管道總長達到250萬公裡，已經超過鐵路總裡程成為世界能 源主要運輸方式，發達國家和中東產油區的油品輸運已全部實現管道化。我國管道在近年 也得到了較快發展，總長也超過7萬公裡，已初步形成橫跨東西、縱貫南北、覆蓋全國、連通 海外的能源管網大格局，管道運輸成為油氣等戰略能源的調配輸送的主要方式。
管道由於跨越地域廣，受自然災害、第三方施工破壞等原因，導致了較多的管道洩 漏事故發生。國外管道安全情況也非常不容樂觀，美國2010年9月9日聖布魯諾市發生天 然氣管道大爆炸，爆炸在路面造成一個長51米、寬9米的大坑。一段長約8米、直徑76釐 米的管道被炸上天，飛出大約30米遠，並引發大範圍火災，導致4人死亡，3人失蹤，至少52 人受傷，過火面積4公頃，數十樁房屋被燒毀。近年來人們安全、環保意識顯著提升，作為高 危行業的管道輸運安全問題也得到越來越多的重視。
目前成熟的技術中對於天然氣管道洩漏監測只有聲波監測法較為有效，但為了提 高對洩漏監測的實時性和漏點定位的準確性，必須在管線上加大傳感器的布設密度，同時 增加相應的供電、通信設備，造成系統成本以及安裝維護費用高昂。
隨著傳感技術的發展國外如美國CS1、ATM0S1、歐洲TER等公司開展了 SCADA洩漏 監測系統研究，Sensornet公司也開發了基於分布式光纖溫度傳感器的洩漏監測系統，部分 產品在國內也申請了專利保護；國內天津大學、清華大學、中國人民解放軍後勤工程學院等 單位也對管道的洩漏監測方法做了深入研究。
專利CN200410020046. 6公開了一種基於幹涉原理的分布式光纖油氣管道洩漏監 測方法及監測裝置。該監測系統要求在管道附近沿管道並排鋪設一根光纜，利用光纜中 的光纖組成一個光纖微振動傳感器。專利CN200620119429、CN200610113044. O均為基於 Sagnac光纖幹涉儀的管道洩漏監測裝置，專利CN200610072879. 6是一種基於分布式光纖 聲學傳感技術的管道洩漏監測裝置及方法。
《傳感器與微系統》第26卷第7期的「基於分布式光纖傳感器的輸氣管道洩漏檢 測方法」公開了一種基於分布式光纖傳感器的輸氣管道洩漏檢測裝置和方法，它是在具有 一定間隔的管道本體上安裝光纖傳感器，連續實時監測沿管道本體傳播的振動波信號，對 採集的振動波信號進行分析處理，包括類型識別和振動源定位，其中類型識別為通過對振 動波特徵的提取分析判別其是否屬於洩漏類型，同時根據振動波傳播到相鄰幾個光纖傳感 器的時間延遲結合振動波在管道本體上的傳播速度確定振動波源所在的位置，傳感器輸出 的光強信號經光電轉換後實現洩漏點的位置的確定。
CN1837674A公開了一種基於分布式光纖聲學傳感技術的管道洩漏檢測裝置及方法。
US2006/0225507A1公開了一種基於分布式光纖傳感器的管道洩漏檢測裝置及方法。
上述技術均屬於分布式光纖傳感監測方法。但該類技術監測洩漏時受到管道周圍所發生的幹擾事件的影響，具有很高的系統虛警率，抗幹擾能力較差。發明內容
本發明的目的是發明一種基於光纖傳感的高靈敏度準分布式靈敏度高、虛警率低、定位準確的光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統。
鑑於上述幾類洩漏檢測、監測技術存在的靈敏度低、虛警率高、易受環境因素影響等問題，本發明是提供一種基於光纖傳感的高靈敏度準分布式洩漏事件監測定位方法和系統，採用高靈敏度傳感器使得可以在當管道發生微漏、滲漏等洩漏初級階段時被及時監測到，並結合洩漏事件信號傳播到相鄰幾個傳感器的時間延遲準確計算出洩漏事件發生的位置，該技術方案克服了此前監測技術中的準確性差和安裝工藝複雜的不足，定位準確。
利用與油氣管道同溝敷設的普通通信光纜中的光纖作為發射和回傳光纖，將管道洩漏光纖傳感器通過光復用技術相互並聯接在發射和回傳光纖之間，形成光迴路，管道洩漏光纖傳感器布設在管道上，形成可監測管道洩漏震動的光纖傳感系統。利用光源對各個管道洩漏光纖傳感器掃描，根據管道洩漏光纖傳感器的分布情況對採集的光電轉換信號解調、提取，實現各個管道洩漏光纖傳感器的振動信息獲取，檢測分析管道洩漏光纖傳感器信號判斷是否有管道洩漏事件發生，依據相鄰的管道洩漏光纖傳感器檢測到信號的時延差實現對洩漏點的定位。
利用與管道同溝鋪設的光纖以及光復用技術實現光纖振動傳感器的信號遠距離傳輸研製的適用於天然氣管道的光纖洩漏檢測裝置，解決了電傳感器供電及遠距離通信的難題，可以較為密集地布設光纖振動傳感器，提高洩漏點的定位精度。傳感器是實現管道洩漏監測的關鍵，當管道發生洩漏時，洩漏激發的振動波將沿管道向洩漏點兩側傳播。在管道本體上每隔一定距離安裝一個傳感器，用來監測管道上的洩漏振動波。傳感器採用光纖幹涉儀結構，可為光纖邁克耳遜幹涉儀或者光纖馬赫曾德幹涉儀作為洩漏振動波檢測傳感器，可以通過增加傳感光纖長度的方式，來增加對洩漏振動的感應靈敏度，幹涉儀輸出的光強信號經光電轉換後可以寫成
V0 1+Vcos ( φ s+ φ η+ φ 0) +Vn (I)
其中，Vtl是輸出的電壓信號，V是幹涉儀的可視度，Vn是電路附加噪聲，為由洩漏振動波引起的相差信號，即為要探測的洩漏振動波信號，Φο為幹涉儀的初始相位，是個常量，Φη為位相差的低頻漂移，是一個不確定量，隨溫度和外界環境影響而變化。通過與光源調製方式相匹配的解復用技術能夠實現洩漏振動波信號的獲取，並對該信號到達相應的傳感器的時間延遲進行估計，結合振動波沿管道傳播的速度V實現了對振動波源即洩漏點位置的確定。
當洩漏發生時，洩漏激發管道產生振動波，振動波以速度V沿管道傳播，其中兩個相鄰的傳感器間隔為設定值L，設信號傳播至傳感器η的時間為tn，傳播至傳感器n+1的時間為tn+1，信號傳播至傳感器η-l的時間為V1，傳播至傳感器n+2的時間為tn+2，有下式成立權利要求
1.一種光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統，其特徵是它包括有光源、傳輸光路部分、光纖傳感器、光電探測器、信號採集與處理模塊；在管道本體上每隔一定距離安裝一個光纖傳感器，多個光纖傳感器構成一個光纖傳感器組，各傳感器通過傳輸光路連接到光源和光電探測器，光電探測器輸出依次串接信號採集與處理模塊中的信號調理單元、信號採集單元和處理單元；處理單元輸出有顯示終端和外部接口 ；信號採集與處理模塊輸出通過外部接口接微機；處理單元對採集單元採集的信號進行解復用和解調獲得原始振動波信號，然後在識別電路和定位電路中分別進行洩漏信號的識別和洩漏點的定位。
2.根據權利要求1所述的一種光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統， 其特徵是所述信號採集與處理模塊包括信號調理單元、信號採集單元、處理單元、終端顯示和外部接口 ；接光電探測器輸出的信號調理單元輸出依次串接信號採集單元和處理單元， 處理單元輸出有終端顯示和外部接口 ；所述處理單元包括洩漏信號識別電路和定位電路。
3.根據權利要求2所述的一種光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統， 其特徵是所述調理單元主要由運算放大器U14、光電二級管U15組成；U15的1、5、8端懸空，3、4端接地，2端經電阻R39、電容C60 二者並聯後接6端，6端經電阻R43接U14的3端，7 端接U14的8端；U14的4端接地，5端懸空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_0UT 口，2端經電阻R42接地，1、2端之間接電阻R40、電容C59 二者的並聯。
4.根據權利要求2所述的一種光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統， 其特徵是所述處理單元中的洩漏信號識別電路主要由數位訊號處理器<UlB及外圍電路組成，UlB的NC1-NC15管腳懸空；AVDD、AGND為模擬電源輸入，AVDD通過磁珠FERl接1. 3V電源，並在AVDD和AGND間並聯3個電容C22、C23、C24進行去耦濾波；DAI1、DAI3、DAI4分別與定位電路數位訊號處理器UlO的DROPR1、RSCLKO、RFSO連接用於數據的傳輸；DAI9_DAI20 為擴展接口 ；DPI9、DPI10接外部接口電路。
5.根據權利要求2所述的一種光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統， 其特徵是所述處理單元內的定位電路主要由數位訊號處理器Uio及外圍電路和接口組成， UlO的DROPR1、RSCLKO, RFSO分別與識別電路數位訊號處理器UlB的DAI1、DAI3, DAI4連接用於接收數據，RX> TX、MOS1、MISO、SCK 接顯示終端接口，TCK、TDO、TD1、TMS、TRST#、EMU# 為調試接口。
全文摘要
本發明是一種光纖傳感天然氣管道洩漏監測系統的洩漏點定位系統。它包括有光源、傳輸光路部分、光纖傳感器、光電探測器、信號採集與處理模塊；在管道本體上每隔一定距離安裝一個光纖傳感器，多個光纖傳感器構成一個光纖傳感器組，各傳感器通過傳輸光路連接到光源和光電探測器，光電探測器輸出依次串接信號採集與處理模塊中的信號調理單元、信號採集單元和處理單元；處理單元輸出有顯示終端和外部接口；信號採集與處理模塊輸出通過外部接口接微機。本發明可以監測突發或已發洩漏信號，具有定位準確性好、性能穩定等優勢。
文檔編號F17D5/06GK102997060SQ20111027125
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者張金權, 王小軍, 曹國瑞, 李 東, 王飛, 侯志相, 劉素傑, 趙鋒, 王贏, 方德學 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣管道局