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管道研究

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基于Ф-OTDR的油氣管道光纖預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

來源:《管道保護(hù)》2022年第1期 作者:曾科宏 李剛 邸小彪 時(shí)間:2022-2-17 閱讀:

曾科宏 李剛 邸小彪

中國(guó)石油天然氣管道通信電力工程有限公司

 

摘要:介紹一種基于Ф-OTDR分布式光纖傳感的管道預(yù)警系統(tǒng),利用同溝敷設(shè)的光纜作為分布式振動(dòng)傳感器,連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)管道周圍的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提前預(yù)警與定位。通過長(zhǎng)輸油氣管道測(cè)試與應(yīng)用效果展示,系統(tǒng)具有較高的靈敏度、定位精度和有效預(yù)警準(zhǔn)確率,據(jù)此可構(gòu)建“技防+人防”管道安全防護(hù)體系。

關(guān)鍵詞:Ф-OTDR;分布式振動(dòng)傳感器;管道光纖預(yù)警;定位精度;有效預(yù)警準(zhǔn)確率

 

針對(duì)管道安全監(jiān)測(cè)需求,采用基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(Ф-OTDR)的分布式管道光纖預(yù)警系統(tǒng),利用與管道同溝敷設(shè)光纜中的一根光纖作為分布式振動(dòng)傳感器,連續(xù)實(shí)時(shí)對(duì)管道周圍的土壤振動(dòng)事件(第三方施工、人為破壞、打孔盜油、自然災(zāi)害、穿越鉆探等)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并提前預(yù)警與定位,以防止破壞事件發(fā)生。目前系統(tǒng)已經(jīng)在長(zhǎng)輸油氣管道、城市燃?xì)獾刃袠I(yè)應(yīng)用。本文通過統(tǒng)計(jì)分析北京天然氣管道陜京二線實(shí)際應(yīng)用情況,介紹系統(tǒng)性能及應(yīng)用建議。

1  檢測(cè)原理

分布式光纖振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)拾取管道沿線預(yù)警范圍內(nèi)的土壤振動(dòng)信號(hào),通過信號(hào)識(shí)別分析判斷是否發(fā)生威脅管道或光纜安全的事件。系統(tǒng)檢測(cè)原理如圖 1所示。



圖 1 Φ-OTDR系統(tǒng)原理


基于Ф-OTDR 的分布式光纖傳感器利用光纖對(duì)振動(dòng)敏感的特性[1-2],當(dāng)外界振動(dòng)作用于傳感光纖時(shí),光纖的折射率、長(zhǎng)度將產(chǎn)生微小變化,從而導(dǎo)致光纖內(nèi)傳輸信號(hào)的相位變化,使得光信號(hào)強(qiáng)度(光強(qiáng))發(fā)生改變。通過檢測(cè)振動(dòng)前后的光信號(hào)強(qiáng)度變化(差分信號(hào)),即可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)事件的檢測(cè),可同時(shí)并行檢測(cè)多振動(dòng)事件并精確定位。

2  光纖預(yù)警系統(tǒng)功能

管道光纖預(yù)警系統(tǒng)主要由安裝在各閥室和站場(chǎng)的預(yù)警單元FU、安裝在有人值守的分輸站/調(diào)度中心的預(yù)警管理終端FST、區(qū)域管理終端、拉曼放大模塊、傳感光纖和光纖網(wǎng)絡(luò)組成,借助現(xiàn)有光傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)警單元、預(yù)警管理終端、區(qū)域管理終端之間的信號(hào)及數(shù)據(jù)傳輸,在預(yù)警管理終端和區(qū)域管理終端還可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)預(yù)警單元的集中統(tǒng)一監(jiān)控和管理,實(shí)現(xiàn)全程全控。

2.1  硬件系統(tǒng)及功能

系統(tǒng)硬件預(yù)警單元FU主要由電源模塊、光傳感模塊、采集處理模塊、管理模塊、監(jiān)控交換模塊、拉曼放大模塊等組成。電源模塊為預(yù)警單元設(shè)備整體運(yùn)行提供穩(wěn)定有效的電源,電源的工作狀況由其監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控并將數(shù)據(jù)反饋到管理模塊。

監(jiān)控交換模塊接收信號(hào)處理模塊和管理模塊發(fā)出的報(bào)警數(shù)據(jù)和模塊狀態(tài)數(shù)據(jù),并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給預(yù)警管理終端,實(shí)現(xiàn)預(yù)警單元數(shù)據(jù)的集中管理和監(jiān)控。

光傳感模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊,為傳感系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光脈沖信號(hào),將傳感光纖返回的光干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理和信號(hào)放大。

采集處理模塊對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行處理分析,判斷信號(hào)類型是否來自威脅事件,并對(duì)振動(dòng)事件進(jìn)行檢測(cè)和定位。

管理模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制各模塊的工作,通過設(shè)定下發(fā)工作參數(shù),控制工作順序,使各模塊協(xié)調(diào)工作;接收信號(hào)處理模塊輸出的數(shù)據(jù)信號(hào), 根據(jù)報(bào)警算法來確定管道破壞事件的級(jí)別、定位、能量等。管理模塊還實(shí)現(xiàn)各功能模塊的控制、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警生成和顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能。

拉曼放大模塊為傳感光纖提供泵浦光,實(shí)現(xiàn)光脈沖信號(hào)的有效放大,提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)距離。

2.2  軟件系統(tǒng)及功能

權(quán)限管理:根據(jù)用戶權(quán)限設(shè)置不同管理內(nèi)容。

告警管理:根據(jù)預(yù)警事件級(jí)別實(shí)現(xiàn)分級(jí)控制與管理;采用GIS地圖將線路信息、預(yù)警系統(tǒng)信息、維護(hù)管理信息等集中直觀顯示與管理;采用二維圖與告警表格多形式多維度顯示告警信息。

系統(tǒng)分析:結(jié)合光時(shí)域信號(hào)特征、地理環(huán)境等,對(duì)事件類型進(jìn)行分析與有效識(shí)別;與高后果高風(fēng)險(xiǎn)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

歷史告警管理:記錄存儲(chǔ)預(yù)警和事件,根據(jù)需要轉(zhuǎn)儲(chǔ)、備份及設(shè)置存儲(chǔ)周期;對(duì)事件進(jìn)行告警時(shí)間回放、查詢等。

線路標(biāo)定:結(jié)合光纜與管道地理距離的差異性,實(shí)現(xiàn)以管道(陰保樁、轉(zhuǎn)角樁、穿越樁等)標(biāo)志樁數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)線路標(biāo)定功能。

遠(yuǎn)程維護(hù):遠(yuǎn)程對(duì)預(yù)警單元進(jìn)行參數(shù)配置、程序下發(fā)以及故障診斷。

3  光纖預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

3.1  陜京二線應(yīng)用案例

陜京二線安平至33#閥室管道總長(zhǎng)約55公里,光纜長(zhǎng)60公里。管道經(jīng)過地區(qū)地貌單元以平原為主,管道穿越與并行公路多處,地形環(huán)境復(fù)雜,施工事件多,主要施工風(fēng)險(xiǎn)源為麻山藥種植及挖掘。

該應(yīng)用段配置1套預(yù)警單元、1套預(yù)警管理終端和1套拉曼放大模塊,實(shí)現(xiàn)60公里試點(diǎn)段24小時(shí)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控(圖 2)。



圖 2 光纖預(yù)警系統(tǒng)配置示意圖


3.2  預(yù)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警信息,相關(guān)人員對(duì)預(yù)警事件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核及準(zhǔn)確性反饋,對(duì)預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行審核確認(rèn)。

(1)預(yù)警事件統(tǒng)計(jì)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),2019年11月至2020年11月現(xiàn)場(chǎng)日均有效預(yù)警條數(shù)為8.89條,有效預(yù)警準(zhǔn)確率為94.56%。結(jié)合12個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析,預(yù)警條數(shù)和有效預(yù)警準(zhǔn)確率與現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)量及季節(jié)性有關(guān)。與同期數(shù)據(jù)對(duì)比,日預(yù)警條數(shù)由2019年11月19.33條降至 2020年11月4.7條,預(yù)警事件條數(shù)降低75.68%,有效預(yù)警準(zhǔn)確率從92.07%提高至97.92%。

(2)預(yù)警事件類型統(tǒng)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警事件和類型統(tǒng)計(jì)如表 1 所示。


表 1 2019-11至2020-11預(yù)警事件類型統(tǒng)計(jì)表



通過事件復(fù)核及現(xiàn)場(chǎng)反饋,全年共發(fā)現(xiàn)預(yù)警事件494次,其中主要為機(jī)械施工占比72.67%(圖 3),人工挖掘施工占比19.01%。表明預(yù)警能夠?qū)C(jī)械事件和人工深層次挖掘、持續(xù)性挖掘及作業(yè)計(jì)劃事件進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警與定位。



圖 3 機(jī)械挖掘事件系統(tǒng)報(bào)警與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核示例


3.3  典型事件

2020年10月25日,預(yù)警系統(tǒng)持續(xù)發(fā)出告警并及時(shí)推送預(yù)警短信,收到短信的巡線員與預(yù)警人員赴預(yù)警位置現(xiàn)場(chǎng),發(fā)現(xiàn)在管道標(biāo)志樁K721+0.39 km、距離管道20 m處有挖掘機(jī)施工,經(jīng)核實(shí)為當(dāng)?shù)厝藛T正在機(jī)械挖掘麻山藥。針對(duì)管道周邊頻繁的機(jī)械挖掘麻山藥事件,通過系統(tǒng)持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)事件數(shù)據(jù),對(duì)麻山藥區(qū)域?qū)嵤╋L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)升級(jí)管理,實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)控與管控,預(yù)警并復(fù)核確認(rèn)機(jī)械和人工挖山藥事件達(dá)68處。

3.4  應(yīng)用建議

(1)分公司和作業(yè)區(qū)采取“背靠背”方式對(duì)預(yù)警事件及準(zhǔn)確性進(jìn)行共同審核確認(rèn),對(duì)重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)源和機(jī)械作業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)管控。

(2)預(yù)警信息通過短信平臺(tái)分級(jí)發(fā)送,實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)管控,避免信息不對(duì)稱現(xiàn)象。

(3)將已收集的第三方施工信息與預(yù)警信息進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)及運(yùn)行狀況。

(4)結(jié)合線路環(huán)境及施工點(diǎn)情況,分別設(shè)置新告警點(diǎn)、常告警點(diǎn)和受控點(diǎn),實(shí)現(xiàn)不同類型預(yù)警事件分類管理。

4  結(jié)語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,光纖預(yù)警系統(tǒng)在光纜正常埋深(1.2 m)時(shí)檢測(cè)靈敏度較高,可以有效檢測(cè)到管道周邊25 m范圍內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)和2 m范圍內(nèi)的人工挖掘事件,地表定位精度達(dá)到±50 m,最大響應(yīng)時(shí)間不超過1,同時(shí)并行檢測(cè)多起振動(dòng)事件相互不受干擾。但系統(tǒng)在振動(dòng)事件識(shí)別、事件威脅度等級(jí)判斷、農(nóng)耕事件篩選識(shí)別等方面仍需提升與完善,以增強(qiáng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性,發(fā)揮有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警作用。

 

參考文獻(xiàn):

[1]鐘翔,趙世松,鄧華夏,等.基于脈沖調(diào)制的Ф-OTDR研究綜述[J]. 紅外與激光工程,2020(10):193-202.

[2]張智娟.郭文翰.基于Ф-OTDR的光纖傳感技術(shù)原理及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2019(01):12-19.

 


作者簡(jiǎn)介:曾科宏,1978年生,高級(jí)工程師,畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東),主要從事光纖傳感及管道安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。聯(lián)系方式:0316-2075866,tx_zengkeh@cnpc.com.cn。

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