一種高壓CO2管道洩漏檢測系統及方法與流程
2023-12-04 06:39:41 3
本發明屬於CO2管道洩漏檢測的技術領域，尤其涉及一種高壓CO2管道洩漏檢測系統及方法。
背景技術：
隨著全球溫室效應的日益嚴重，世界各國也越來越重視溫室氣體的減排。而CO2是造成溫室效應的最主要的溫室氣體，對全球升溫的貢獻百分比來說，CO2約佔55％。因此CCUS(碳捕集、運輸、埋存及利用)技術應運而生，碳捕集是將工業、能源等產業所產生出來的CO2分離出來，再通過碳存儲手段將CO2輸送到海底或者地下等與大氣隔絕的地方。這是減少CO2排放、對付全球氣候變暖的有力武器。然而排放CO2與封存地之間距離相隔幾千萬千米，因此，在捕集地點和埋存地點需要用管道輸送CO2是比較快捷經濟的方式。
純淨的CO2是無色、無味、無毒、不可燃的物質。純CO2的三相點為0.52MPa、-56℃；臨界點為7.4MPa、31℃。當高於臨界點壓力和溫度時，CO2處於超臨界或密相狀態，此時，CO2具有液體的密度、氣體的粘性和壓縮性，對於管道運輸是最有效率的。因此，為了提高CO2管道輸送效率，CO2管道通常在高壓(超臨界態或密相)下輸送。雖然CO2不具有像天然氣那樣的易燃易爆炸的特性，但是，如此高壓的二氧化碳一旦發生洩漏事故非常危險，致死率極高。二氧化碳高壓運輸管道發生洩漏後，最為直接的傷害就是其強大的氣流可以直接殺死噴射方向、噴射範圍內的人員，其次是造成附近環境內二氧化碳濃度過大，造成大腦缺氧甚至窒息死亡。
傳統的管道檢測方法，例如人工定期檢查在檢查CO2管道洩露時，因為CO2具有無色無味的特點，通常在CO2管道發生洩漏時不易被常規方法檢測出來。因此，研究CO2管道的洩漏檢測技術尤為重要。現有的CO2管道洩露的檢測方法，根據流出和流入管道的介質質量/體積之間的差值判斷CO2管道的洩漏。但是CO2管道洩露的檢測方法不能對洩漏點進行定位，而且實時性較差；並且對於小孔徑洩漏無能為力。
然而，目前的大部分技術都是油氣管道洩漏檢測的技術，對於CO2這種特殊氣體的管道安全控制與洩漏檢測的技術相對較少。在目前CO2管道洩露的檢測方法的前沿領域主要的研究方向為聲學測量法。聲學測量法是利用CO2洩漏時發出的「聲音」確定漏點位置，主要包括應力波檢測法和聲發射檢測法，其中應力波檢測法使用比較廣泛。當CO2管道發生洩漏時，洩漏氣體與洩漏孔壁的摩擦會產生應力波，此應力波沿管壁傳播，利用管道兩端安裝的對應力波敏感的壓電傳感器，根據互相關原理計算兩個壓電傳感器接受到的時間差估算洩漏點位置。但是應力波在傳播過程中會有各種各樣噪聲的幹擾，例如工頻噪聲、環境噪聲等，影響洩漏點檢測的準確性。
中國專利文獻CN104456091A公開了一種基於3×3耦合器的光纖幹涉儀CO2管道洩漏檢測裝置有效解決了應力波檢測方法中因噪聲幹擾應力波傳播影響洩漏點檢測準確性的問題。該裝置包括信號發射與處理系統、光纖傳感系統、信號分析系統、光源、第一單模光纖、第一耦合器、第二單模光纖、光環形器、第三單模光纖、第四單模光纖、第五單模光纖、第二耦合器、第一傳感光纖、第二傳感光纖、第一光電轉換器、第二光電轉換器、第一解調模塊、第二解調模塊、計算機。光信號經光電轉換器轉換成電信號，再經過解調，進入計算機，確定洩漏狀況和洩漏點位置。本裝置可檢測管道沿線洩漏情況，尤其適合對大管徑管道進行檢測，對於CO2這種特殊的運輸氣體，在洩漏時會伴有大幅度溫降，由於光纖工作溫度範圍大，使裝置在溫降下仍具有很高的靈敏度和定位精度。
華北電力大學馬一凡的論文「基於聲學傳感器的管道洩漏定位研究」公開了一種基於聲發射的CO2運輸管道洩漏檢測平臺，屬於聲發射檢測法，採用多傳感器數據融合算法提高定位精度，將洩漏孔上下遊的傳感器分別分為兩組，兩組信號分別進行互相關，為了去除背景噪聲幹擾，提取聲發射信號的特徵，對聲信號採用小波變換以及經驗模態分解進行重構，增加檢測系統的容錯性以及定位準確性。但是，該論文中採用了管道內壓為0.5MPa、氣態CO2在管道中傳播的洩漏定位問題，而在實際CCUS技術應用中，CO2在管道中是以超臨界狀態傳輸的，且僅考慮CO2管道為理想直管的區段，未考慮管道焊縫和連接法蘭或者彎道情況下聲信號傳播的畸變問題。
綜上所述，現有技術中對於高壓(超臨界態或密相)CO2管道檢測中存在的洩漏點定位不準確、精度低、檢測效率低、且實時性、靈敏性較差的問題，以及對於小孔徑的洩漏點存在漏檢的問題，尚缺乏有效的解決方案。
技術實現要素：
本發明為了解決上述問題，克服現有技術中對於高壓(超臨界態或密相)CO2管道檢測中存在的洩漏點定位不準確、精度低、檢測效率低、且實時性、靈敏性較差的問題，以及對於小孔徑的洩漏點存在漏檢的問題，提供一種高壓CO2管道洩漏檢測系統及方法。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種高壓CO2管道洩漏檢測系統，該系統包括傳感光纖、主機、信號處理裝置和主控系統，所述傳感光纖設置於高壓CO2管道下層土壤中，所述傳感光纖與所述主機連接，所述傳感光纖接收所述主機發送的信號，並反饋信號至主機，所述主機將反饋信號傳輸至信號處理裝置進行處理，所述信號處理裝置與所述主控系統連接；
所述主機包括雷射脈衝光源裝置、散射光分離裝置、光電探測裝置和恆溫裝置，所述雷射脈衝光源將脈衝信號發送至所述傳感光纖，所述傳感光纖的反饋信號依次經過所述恆溫裝置、散射光分離裝置和光電探測裝置至所述信號處理裝置。
進一步的，所述主控系統包括伺服器、顯示單元、報警單元和資料庫；所述伺服器分別與所述顯示單元、所述報警單元和所述資料庫連接；
所述伺服器被配置為系統參數的設置單元、實時監測單元和數據實時記錄單元，並將實時記錄的數據傳輸至資料庫進行存儲；
所述顯示單元被配置為顯示處理後的實時反饋信號和CO2管道洩漏點的圖形顯示單元，處理後的實時反饋信號通過軌跡的形式顯示；
所述報警單元被配置為檢測到有和CO2管道洩漏點時進行報警的單元；
所述資料庫被配置為存儲傳感光纖的反饋信號的單元。
進一步的，所述主控系統將設置的系統參數通過信號發生器發送至所述雷射脈衝光源裝置，控制所述雷射脈衝光源裝置產生相應的脈衝信號。
進一步的，所述恆溫裝置被配置為提供參考溫度的傳感光纖定標裝置。
進一步的，所述雷射脈衝光源裝置包括高脈衝半導體雷射器和驅動電路，所述驅動電路接收所述信號發生器傳輸的信號，並驅動所述高脈衝半導體雷射器產生相應的的脈衝信號。
進一步的，所述散射光分離裝置包括雙向耦合器和波分復用器，所述雙向耦合器和所述波分復用器連接，所述雙向耦合器包括發光二極體和光敏雙向管，所述雙向耦合器的輸入級是發光二極體、輸出級是光敏雙向管。
進一步的，所述光電探測裝置包括光電二極體和主放大器，所述光電二極體分別與所述波分復用器和主放大器連接；所述光電二極體採用帶尾纖、帶前置放大器的雪崩光電二極體。
進一步的，所述信號處理裝置包括A/D採集單元和信號處理單元，所述A/D採集單元採集主放大器輸出的放大信號，並進行A/D轉換，所述信號處理單元對A/D轉換後的放大信號進行調理、累加平均和去噪處理。
本發明為了解決上述問題，克服現有技術中對於高壓(超臨界態或密相)CO2管道檢測中存在的洩漏點定位不準確、精度低、檢測效率低、且實時性、靈敏性較差的問題，以及對於小孔徑的洩漏點存在漏檢的問題，提供一種高壓CO2管道洩漏檢測系統的檢測方法。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種高壓CO2管道洩漏檢測系統的檢測方法，該方法包括以下步驟：
(1)在高壓CO2管道下方土壤中鋪設傳感光纖；
(2)在所述主控系統的伺服器中人工設置系統參數，所述主控系統將系統參數通過信號發生器發送至所述雷射脈衝光源裝置，控制所述雷射脈衝光源裝置產生相應的脈衝信號；
(3)所述脈衝信號經所述雙向耦合器傳輸至整個所述傳感光纖，所述傳感光纖根據光時域反射原理檢測高壓CO2管道洩漏點位置，並依次通過主機、信號處理裝置和主控系統，由所述顯示單元顯示處理後的實時反饋信號和CO2管道洩漏點的圖形顯示，由所述報警單元進行報警。
進一步的，在所述步驟(3)中，高壓CO2管道洩漏點通過拉曼原理和焦耳-湯普森效應由傳感光纖進行檢測。
本發明的原理為：
本發明進行高壓CO2管道洩漏檢測的原理主要包括三個部分：焦耳-湯普森效應、拉曼原理和光時域反射原理。
拉曼原理：印度科學家拉曼首先在CCl4光譜中發現了當光與分子相互作用後，一部分光的波長會發生改變(顏色發生變化)，通過對於這些顏色發生變化的散射光的研究，可得到分子的信息。而拉曼散射由於分子熱運動引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點的溫度信息。
焦耳-湯普森效應：高壓CO2管道發生洩漏時，由於CO2的物性不同於油氣，會發生強節流效應(焦耳-湯普森效應)，洩漏於土壤中的CO2流體溫度相較於周圍環境大幅度降低，有研究表明最低溫度可達-78℃。從而，造成洩漏點處傳感光纖所檢測的溫度發生劇烈變化，達到設定值時發出警報。
光時域反射原理：洩漏點的位置是通過光時域反射技術來測量的，首先對光纖發出信號，然後再觀察信號從某一點返回的信息，如此反覆，再將觀察到的這些信息進行處理並以軌跡的形式表現出來，而這個軌跡所描繪的就是整段光纖的狀態。根據光纖的時域散射的原理，由光時域反射距離測定的計算公式可得到洩漏點的位置。由此，分布式光纖洩漏檢測系統可以完全實現對CO2洩漏點的定位。
本發明的有益效果：
1、本發明的一種高壓CO2管道洩漏檢測系統的檢測方法，創造性的結合了：焦耳-湯普森效應、拉曼原理和光時域反射原理，有效實現了高壓(超臨界態或密相)CO2管道洩漏檢測中的洩漏點定位準確、精度高、檢測效率高、且有效調高了整個檢測系統的實時性和靈敏性，同時，本發明採用傳感光纖覆蓋整個高壓(超臨界態或密相)CO2管道區域，無需設置大量溫度傳感器，避免了溫度傳感器的維護問題和成本高的問題。
2、本發明的一種高壓CO2管道洩漏檢測系統，設置了恆溫裝置和雙向耦合器，恆溫裝置：用來解決傳感光纖的定標，提供參考溫度；雙向耦合器：用於驅動雙向晶閘管，提高控制精度，輸入級是發光二極體，輸出級是光敏雙向管；有效提高了測量結果的準確性；同時本發明採用具有更好的光探測能力的光電二極體，在光電檢測單元和信號處理單元之間設置放大器，對電信號進行放大，提高檢測精度。
3、本發明的一種高壓CO2管道洩漏檢測系統，高壓(超臨界態或密相)CO2管道下設置的傳感光纖實時對整個高壓(超臨界態或密相)CO2管道附近的土壤溫度進行實時監測，主控系統實時記錄監測數據，並將實時記錄的數據傳輸至資料庫進行存儲，有效實現了高壓CO2管道洩漏檢測系統的實時性。
附圖說明
圖1為本發明的整體結構示意圖。
具體實施方式：
應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
在本發明的具體實施方式中所使用的車道機在本領域也被稱為車道控制機。
在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
實施例1：
本發明為了解決上述問題，克服現有技術中對於高壓(超臨界態或密相)CO2管道檢測中存在的洩漏點定位不準確、精度低、檢測效率低、且實時性、靈敏性較差的問題，以及對於小孔徑的洩漏點存在漏檢的問題，提供一種高壓CO2管道洩漏檢測系統及方法。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種高壓CO2管道洩漏檢測系統，如圖1所示，該系統包括傳感光纖、主機、信號處理裝置和主控系統，所述傳感光纖設置於高壓CO2管道下層土壤中，所述傳感光纖與所述主機連接，所述傳感光纖接收所述主機發送的信號，並反饋信號至主機，所述主機將反饋信號傳輸至信號處理裝置進行處理，所述信號處理裝置與所述主控系統連接；
所述主機包括雷射脈衝光源裝置、散射光分離裝置、光電探測裝置和恆溫裝置，所述雷射脈衝光源將脈衝信號發送至所述傳感光纖，所述傳感光纖的反饋信號依次經過所述恆溫裝置、散射光分離裝置和光電探測裝置至所述信號處理裝置。
在本實施例中，當高壓CO2管道發生洩漏時，由於CO2的物性不同於油氣，會發生強節流效應(焦耳-湯普森效應)，洩漏於土壤中的CO2流體溫度相較於周圍環境大幅度降低，最低溫度可達-78℃。因此，所使用的傳感光纖需要能夠經受住-78℃的低溫，所述傳感光纖的外表面採用低溫塗層。
所述主控系統包括伺服器、顯示單元、報警單元和資料庫；所述伺服器分別與所述顯示單元、所述報警單元和所述資料庫連接；
所述伺服器被配置為系統參數的設置單元、實時監測單元和數據實時記錄單元，並將實時記錄的數據傳輸至資料庫進行存儲；
所述顯示單元被配置為顯示處理後的實時反饋信號和CO2管道洩漏點的圖形顯示單元，處理後的實時反饋信號通過軌跡的形式顯示；
所述報警單元被配置為檢測到有和CO2管道洩漏點時進行報警的單元；
所述資料庫被配置為存儲傳感光纖的反饋信號的單元。
所述主控系統將設置的系統參數通過信號發生器發送至所述雷射脈衝光源裝置，控制所述雷射脈衝光源裝置產生相應的脈衝信號。
所述恆溫裝置被配置為提供參考溫度的傳感光纖定標裝置。
所述雷射脈衝光源裝置包括高脈衝半導體雷射器和驅動電路，所述驅動電路接收所述信號發生器傳輸的信號，並驅動所述高脈衝半導體雷射器產生相應的的脈衝信號。
所述散射光分離裝置包括雙向耦合器和波分復用器，所述雙向耦合器和所述波分復用器連接，所述雙向耦合器包括發光二極體和光敏雙向管，所述雙向耦合器的輸入級是發光二極體、輸出級是光敏雙向管。在本實施例中，所述雙向耦合器在導通時，流過的雙向電流達100毫安，壓降小於3伏，導通時最小維持電流為100微安。所述雙向耦合器在截止時，其阻斷電壓為直流250伏，當維持電流小於100微安時，雙向管從導通變為截止。當阻斷電壓大於250伏，或發光二極體發光時，則雙向管導通。
所述光電探測裝置包括光電二極體和主放大器，所述光電二極體分別與所述波分復用器和主放大器連接；所述光電二極體採用帶尾纖、帶前置放大器的雪崩光電二極體。
所述信號處理裝置包括A/D採集單元和信號處理單元，所述A/D採集單元採集主放大器輸出的放大信號，並進行A/D轉換，所述信號處理單元對A/D轉換後的放大信號進行調理、累加平均和去噪處理。
實施例2：
本發明為了解決上述問題，克服現有技術中對於高壓(超臨界態或密相)CO2管道檢測中存在的洩漏點定位不準確、精度低、檢測效率低、且實時性、靈敏性較差的問題，以及對於小孔徑的洩漏點存在漏檢的問題，提供一種高壓CO2管道洩漏檢測系統的檢測方法。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種高壓CO2管道洩漏檢測系統的檢測方法，該方法包括以下步驟：
(1)在高壓CO2管道下方土壤中鋪設傳感光纖；
(2)在所述主控系統的伺服器中人工設置系統參數，所述主控系統將系統參數通過信號發生器發送至所述雷射脈衝光源裝置，控制所述雷射脈衝光源裝置產生相應的脈衝信號；
在本實施例中，在所述主控系統的伺服器中人工設置的系統參數具體包括向傳感光纖發送信號的相關信號參數和CO2管道洩漏的報警參數。
(3)所述脈衝信號經所述雙向耦合器傳輸至整個所述傳感光纖，所述傳感光纖根據光時域反射原理檢測高壓CO2管道洩漏點位置，並依次通過主機、信號處理裝置和主控系統，由所述顯示單元顯示處理後的實時反饋信號和CO2管道洩漏點的圖形顯示，達到人工設定的報警參數後由所述報警單元進行報警。
進一步的，在所述步驟(2)中，高壓CO2管道洩漏點通過拉曼原理和焦耳-湯普森效應由傳感光纖進行檢測。
本發明的原理為：
本發明進行高壓CO2管道洩漏檢測的原理主要包括三個部分：焦耳-湯普森效應、拉曼原理和光時域反射原理。
拉曼原理：印度科學家拉曼首先在CCl4光譜中發現了當光與分子相互作用後，一部分光的波長會發生改變(顏色發生變化)，通過對於這些顏色發生變化的散射光的研究，可得到分子的信息。而拉曼散射由於分子熱運動引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點的溫度信息。
焦耳-湯普森效應：高壓CO2管道發生洩漏時，由於CO2的物性不同於油氣，會發生強節流效應(焦耳-湯普森效應)，洩漏於土壤中的CO2流體溫度相較於周圍環境大幅度降低，有研究表明最低溫度可達-78℃。從而，造成洩漏點處傳感光纖所檢測的溫度發生劇烈變化，達到設定值時發出警報。
光時域反射原理：洩漏點的位置是通過光時域反射技術來測量的，首先對光纖發出信號，然後再觀察信號從某一點返回的信息，如此反覆，再將觀察到的這些信息進行處理並以軌跡的形式表現出來，而這個軌跡所描繪的就是整段光纖的狀態。根據光纖的時域散射的原理，由光時域反射距離測定的計算公式可得到洩漏點的位置。由此，分布式光纖洩漏檢測系統可以完全實現對CO2洩漏點的定位。
本發明的有益效果：
1、本發明的一種高壓CO2管道洩漏檢測系統的檢測方法，創造性的結合了：焦耳-湯普森效應、拉曼原理和光時域反射原理，有效實現了高壓(超臨界態或密相)CO2管道洩漏檢測中的洩漏點定位準確、精度高、檢測效率高、且有效調高了整個檢測系統的實時性和靈敏性，同時，本發明採用傳感光纖覆蓋整個高壓(超臨界態或密相)CO2管道區域，無需設置大量溫度傳感器，避免了溫度傳感器的維護問題和成本高的問題。
2、本發明的一種高壓CO2管道洩漏檢測系統，設置了恆溫裝置和雙向耦合器，恆溫裝置：用來解決傳感光纖的定標，提供參考溫度；雙向耦合器：用於驅動雙向晶閘管，提高控制精度，輸入級是發光二極體，輸出級是光敏雙向管；有效提高了測量結果的準確性；同時本發明採用具有更好的光探測能力的光電二極體，在光電檢測單元和信號處理單元之間設置放大器，對電信號進行放大，提高檢測精度。
3、本發明的一種高壓CO2管道洩漏檢測系統，高壓(超臨界態或密相)CO2管道下設置的傳感光纖實時對整個高壓(超臨界態或密相)CO2管道附近的土壤溫度進行實時監測，主控系統實時記錄監測數據，並將實時記錄的數據傳輸至資料庫進行存儲，有效實現了高壓CO2管道洩漏檢測系統的實時性。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。