一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用方法和系統的製作方法

2023-05-19 15:51:46 1

專利名稱：一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用方法和系統的製作方法
—種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用方法 和系統技術領域
本發明是一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用方法和系統，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。
縱觀國內與國外的各種管道洩漏監測技術，目前普遍使用的負壓波法·，流量平衡法，壓力坡降等輸油管道洩漏檢測技術，無法有效的解決氣體管道的洩漏檢測問題，尤其是對微小洩漏的識別與定位。而基於光纖良好的傳感特性，光纖傳感技術得以快速發展，其中應用較多的是利用一根與管道同溝敷設的光纜作為氣體洩漏傳感器，靈敏度雖然比傳統技術高，但是其定位效果差，不能完全滿足天然氣管道洩漏監測的應用需求。另一種基於光纖復用技術的準分布式光纖傳感技術，可有效解決管道氣體微小洩漏的識別與定位。但是其光纖傳感器的安裝技術要求複雜，設計難度大，主要是要保證光纖傳感器檢測靈敏度足夠高，噪聲隔離性要好。發明內容
本發明的目的是發明一種節省投入、靈敏度和準確度高、虛警率低、不易受環境因素影響的天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用方法和系統。
該天然氣管道洩漏光纖監測系統採用一種具有高靈敏度的準分布式光纖傳感洩漏振動監測方法，它是在具有一定間隔的管道本體上安裝高靈敏度光纖幹涉型洩漏光纖傳感器，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實現對振動波源所在位置的確定，實現上述的對振動波信號分析處理後對洩漏事件進行報警同時提供洩漏點的位置信息。本發明在採用高靈敏度光纖傳感器提高對洩漏事件監測靈敏度的基礎上適當增加了光纖傳感器的數量，擴展了可拾取監測信號的頻段，並結合多個光纖傳感器進行的時延估計定位方法保證了系統定位的準確性。
在天然氣管道洩漏光纖監測系統中，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，可以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，為了增加對洩漏振動的感應靈敏度可以通過增加傳感光纖長度的方式，其輸出的光強信號經光電轉換後可以與成
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。
為了能準確定位管道洩漏的位置，天然氣管道洩漏光纖監測系統採用了一種基於準分布式光纖傳感技術天然氣管道洩漏事件的多傳感器定位方法，當管道洩漏事件發生時，洩漏激發振動波並沿管道向兩相反方向傳播，系統根據洩漏信號傳播到相鄰幾個傳感器的時延差實現對洩漏點的定位。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-1的時間為tn_i，傳播至傳感器n+2的時間為tn+2，有下式(2)成立
權利要求
1.一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用方法，其特徵是在管道本體上每隔一定距離安裝一個高靈敏度光纖幹涉型洩漏光纖傳感器，來連續實時監測沿管道本體傳播的洩漏振動波信號，根據振動波傳播到相鄰幾個光纖傳感器的時延差結合振動波在管道本體上的傳播速度實現對洩漏點的定位；採用邁克耳遜或者馬赫-曾德結構的光纖幹涉儀作為洩漏振動波檢測傳感器，傳感器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 O) +Vn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雷射相差信號，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實現洩漏振動波信號的獲取，並對該信號到達相應的傳感單元的時間延遲進行估計，結合振動波沿管道傳播的速度V實現對振動波源即洩漏點位置的確定。
2.根據權利要求1所述的一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用方法， 其特徵是該方法綜合頻分復用和空分復用的方法，採用對可調雷射器進行光頻調製的方法產生洩漏探測光，使用邁克耳遜幹涉儀作為洩漏傳感器，傳感器的布設結構是在天然氣管道外壁上每隔一定距離安裝一個洩漏傳感器，多個傳感器構成一個傳感器組，每個傳感器組的光信號使用一根光纖傳回系統主機；其中每個傳感器都製作成臂差不同的邁克耳遜幹涉儀，使每個洩漏傳感器所產生的傳感光信號頻率均不相同，由此利用頻分復用原理將每組的多個傳感器不同頻率的光信號復用在一根光纖中傳回系統的接收端；而各傳感器組採用空分復用方式接入系統主機；接收到的每個傳感器組的光信號使用單獨的光電轉換通道實現光信號到電信號的轉換，轉換後的傳感信號使用分頻方式實現傳感器組內各傳感器的解復用，並採用相位載波技術解調出管道洩漏的原始聲波信號，再經過洩漏信號的識別和定位分析，最終可準確獲取管道洩漏點信息；所述分頻方式實現各傳感器的解復用，是使用不同中心頻率的帶通濾波器濾波從幹涉信號中得到得到相應傳感器的載波信號，載波信號的特徵是近似單頻的餘弦信號。
3.一種用於權利要求1所述方法的一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用系統，其特徵是它包括光路復用結構的光路系統和電路兩部分，光路系統包括光源和光路；在管道本體上每隔一定距離安裝一個光纖傳感器，每個傳感器通過分束器與發射光纖連接，發射光纖與雷射器連接；多個光纖傳感器構成一個光纖傳感器組，組內每個傳感器通過合束器與一根回傳光纖連接，每個傳感器組使用一根回傳光纖傳回光電探測器；光電探測器輸出接包括洩漏信號識別和事件定位功能的信號採集與處理模塊，信號採集與處理模塊輸出接微機；經信號採集與處理模塊的處理，基於頻分復用方式混合的傳感信號實現了傳感器組內各傳感器信號的解復用和解調，獲得原始洩漏振動波信號；再由信號採集與處理模塊進行洩漏信號的識別與分析，最終依據洩漏信號的時延估計實現洩漏點的定位。
4.根據權利要求3所述的一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用系統， 其特徵是所述光路系統具體是雷射器發出的探測雷射輸入傳輸光纜中的發射光纖進入傳感單元組後到達第一個光路適配器，由該光路適配器的光分束器分為兩束雷射一束經輸入光纖進入第一個光纖傳感單元，另一束光經發射光纖傳到下一個光路適配器，再由下一個光路適配器中的光分束器分為兩束雷射，一束進入第二個光纖傳感單元，另一束再經發射光纖傳輸到下一個光路適配器，以此類推，直到雷射到達最後一個光纖傳感單元，到達最後一個傳感單元時，無需光分束器，直接進入光纖傳感單元；每2-10個相鄰的光纖傳感器分為一組，組內各光纖傳感器的幹涉信號通過各自光路適配器內的光合束器接入回傳光纖，與後面傳過來的光信號合束，通過傳輸光路中的回傳光纖傳回到系統光電探測器；所述光路適配器集合了光分束器和光合束器；發射光纖與回傳光纖使用的是同一根傳輸光纜中的兩根不同的光纖；傳輸光纜將所有光路適配器串聯起來；管道上相鄰的兩個傳感單元之間的發射光纖和回傳光纖的長度之和均要大於雷射器相干長度的1/2。
5.根據權利要求3所述的一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用系統， 其特徵是所述光源是一種包括適合復用和調製解調的專用光源系統，由光頻可調的雷射器和專用調製信號發生模塊構成；調製信號發生模塊中的D/A輸出接雷射器調製出入；調製信號發生模塊輸出的調製信號具有頻率調節、幅度調節和鋸齒波/倒鋸齒波選擇輸入功能；調製信號作用在雷射器，輸出光頻隨調製信號波形同步變化的雷射。
6.根據權利要求3所述的一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用系統， 其特徵是所述信號採集和處理模塊包括信號調理、信號採集、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輸出依次串接信號採集和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口；信號採集和處理模塊通過帶通濾波方法，將傳感器組內各邁克耳遜幹涉儀的幹涉信號從傳感器組信號中分離出來，實現解復用；濾波器中心頻率為該傳感器幹涉信號主頻率，帶寬為鋸齒波頻率，從傳感器組幹涉信號中將各傳感器的載波信號分離出來，分理出來的載波信號為近似單頻餘弦信號，使用相位載波調製解調方法解調出原始洩漏聲波信號，計算相鄰兩個傳感器檢測到的洩漏聲波信號的時延差，結合洩漏聲波在管道上的傳播速度，即可獲得洩漏位置。
7.根據權利要求3所述的一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用系統， 其特徵是所述各傳感器的兩個幹涉臂不等長，存在一個臂長差，且傳感器組內的各傳感器的臂長不等長；所述傳感器組的數量至少為I個，各傳感器組均由若干個邁克耳遜幹涉儀或馬赫曾德幹涉儀傳感器構成，各傳感器安裝在管道外壁上，相鄰兩個傳感器的間距為50m-2km，每 2-10個傳感器構成一個傳感器組。
8.根據權利要求5所述的一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用系統， 其特徵是所述調製信號發生模塊採用數字調製電路，調製信號發生模塊輸出的鋸齒波或倒鋸齒波信號要求幅度最大為±5V，頻率最大為200KHz。
9.根據權利要求5或8所述的一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用系統，其特徵是調製信號發生模塊的光源調製電路主要由運算放大器U7、DFB雷射器U8、運算放大器U9和2個三極體Q4、Q5組;U7的7端接VDC，6端接電阻R18後與二極體D8、電容C41串聯後與電容C38並聯的電路再串聯，6端接電阻R19後接VDC，同時再接二極體D4、 D5、D6、D7的串聯到地，4、7、8、9、10端接地，3端經電阻R17後接地，2端與接U8的端；U8的1、14端接地，12端經電容C34接地，5、11端接VDC，4端接TOne，6端接TEC+，3端經扼流圈 L3與電阻R20串聯後接三極體Q4的集電極，同時3端經扼流圈L3與電阻R21串聯後接三極體Q5的集電極；U9的1、2端之間並聯電阻R22和電容C 39後由I端接電阻R25到6端， Pdne接電阻R30再串聯電阻R27接U9的3端，同時接Pdne的電阻R30與電位器阻R31、電阻R32、電容C43三者並聯後串聯接地，5端經電阻R24接VREF，7端經電阻R28與8端經電阻R26共接電容C45到地；從電容C45的上端接出經二極體D11、D12至Q4的基極，同時基極接電容C44到地，同時經二極體DlO與電阻R29串聯也到地，Q4的基極接Q5的基極，而 Q4、Q5的發射極接地。
全文摘要
本發明是一種天然氣管道洩漏光纖監測傳感器的復用/解復用方法和系統。它是對雷射器進行光頻調製產生洩漏探測光，用光臂差不同的邁克耳遜或馬赫-曾德幹涉儀作為洩漏傳感器，在管道外壁安裝多個傳感器；相鄰的多個臂長差各不相同的數個傳感器構成一個傳感器組，每個傳感器組內的各傳感器的信號通過一根回傳光纖傳回接收端的光電探測器；各傳感器組的信號採用空分復用方式使用獨立的回傳光纖傳回接收端；轉換後的傳感信號使用分頻方式實現各傳感器的解復用，並採用相位載波技術解調出管道洩漏的原始聲波信號，再經過洩漏信號的識別和定位分析，準確獲取管道洩漏點信息。它節省投入、靈敏度和準確度高、虛警率低、不易受環境因素影響。
文檔編號F17D5/02GK102997043SQ20111027119
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, 焦書浩, 方德學, 王歷軍, 劉春平, 楊娜, 姜毅, 曾科宏, 蔣啟善 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣管道局