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天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2020年4月17日 分類(lèi):技術(shù)解答

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天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

21世紀(jì)以來(lái),隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,天然氣消費(fèi)需求迅猛增加,油氣管道建設(shè)速度不斷加快。截至2019年底,中國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道總里程已達(dá)7.26×104km,已形成“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、主干互聯(lián)、局域成網(wǎng)”的供氣格局。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃,2025年中國(guó)油氣管網(wǎng)總里程將超過(guò)24×104km。管道輸送是天然氣運(yùn)輸最常用的方式,具有安全可靠、能耗低、無(wú)污染且基本不受氣候影響的優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)輸天然氣管道經(jīng)常穿越河流、山地、采空區(qū)等地形復(fù)雜的地區(qū),管道極易遭受第三方損壞導(dǎo)致管道泄漏。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道裸露或泄漏并采取相應(yīng)措施,必將對(duì)管道運(yùn)營(yíng)單位造成一定的經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成人員傷亡等重大事故。及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)天然氣管道裸露或泄漏,對(duì)保障管道安全運(yùn)行和沿線(xiàn)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。

將長(zhǎng)距離天然氣輸送管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)分為兩類(lèi):

①基于磁通、渦流、攝像等的管內(nèi)檢測(cè)法;

②基于管道壓力、溫度、流量、聲音及振動(dòng)物理參數(shù)的外部檢測(cè)法。利用光纖溫度傳感系統(tǒng)檢測(cè)天然氣管道泄漏的思路了分布式光纖拉曼散射測(cè)溫系統(tǒng),基于管道泄漏時(shí)的溫度變化捕捉實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸氣管道泄漏的監(jiān)測(cè)?;赗-OTDR的分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)方法用于管道安全監(jiān)測(cè)。

分布式光纖傳感技術(shù)在地下管道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行,布里淵散射光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括:雙端測(cè)量且動(dòng)態(tài)范圍大,測(cè)試耗時(shí)短且精度高,可測(cè)絕對(duì)溫度和應(yīng)變,空間分辨率可達(dá)0.1 m,測(cè)試距離長(zhǎng)(可達(dá)25 km)?;贐OTDA光纖測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行分布式光纖天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)研究,并在天然氣管道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

分布式光纖技術(shù)原理

1、分布式光纖測(cè)溫原理

“分布式傳感”是指將光纖作為線(xiàn)性傳感器提供光纖全程的測(cè)量信息,以激光脈沖沿光纖傳播產(chǎn)生的反向散射光分析結(jié)果為基礎(chǔ),進(jìn)而使用單一的光纖取代成千上萬(wàn)個(gè)單點(diǎn)傳感器,可節(jié)省大量安裝、校準(zhǔn)、維護(hù)成本。光在光纖材料中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生布里淵散射,布里淵散射是光波和聲波(光纖材料分子布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生)在光纖中傳播時(shí)相互作用產(chǎn)生的散射,散射光的頻率相對(duì)于入射光有布里淵頻移。通過(guò)測(cè)定脈沖光的背向布里淵散射光的頻移可實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變測(cè)量?;诓祭餃Y散射原理的溫度、應(yīng)變測(cè)量技術(shù)主要有兩類(lèi):基于光時(shí)域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感技術(shù)和基于光時(shí)域分析(BOTDA)的分布式光纖傳感技術(shù)。為增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度,BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)采用兩個(gè)相向傳輸?shù)墓鈦?lái)增強(qiáng)布里淵散射,從而使得測(cè)量得到的溫度和應(yīng)變精度更高,測(cè)量距離也更大。

泄漏點(diǎn)溫度降低原理

天然氣管道泄漏時(shí),氣體溢出后體積膨脹,根據(jù)Joule-Thomson效應(yīng),管道泄漏點(diǎn)周?chē)木植繙囟葧?huì)迅速下降,管道周?chē)耐林袝?huì)形成溫度梯度。當(dāng)泄漏點(diǎn)附近的地層中溫度發(fā)生改變后,鋪設(shè)在管道附近的光纖可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到這種變化,傳輸至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后可以判斷泄漏點(diǎn)的位置。設(shè)計(jì)不同因素的試驗(yàn)即可建立不同泄漏工況、泄漏量與溫度降低的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為長(zhǎng)距離天然氣管道泄漏提供更多有價(jià)值的反饋數(shù)據(jù)。

基于BOTDA的分布式光纖對(duì)溫度敏感,光纖局部溫度升高或降低均會(huì)引起布里淵頻移,并且溫度變量與布里淵頻移量呈線(xiàn)性關(guān)系。

泄漏點(diǎn)溫度定位原理

當(dāng)激光脈沖以某一角度打入光纖時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象,可計(jì)算激光脈沖在光纖內(nèi)傳播的時(shí)間,從而對(duì)溫度變化點(diǎn)進(jìn)行定位:

光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

天然氣管道監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)概況

天然氣管道工程干線(xiàn)線(xiàn)路全長(zhǎng)約715 km,管徑1 422 mm,設(shè)計(jì)壓力12 MPa,設(shè)計(jì)輸量380×108 m3/a;支線(xiàn)起點(diǎn)為干線(xiàn)長(zhǎng)嶺分輸站,終點(diǎn)為長(zhǎng)春分輸清管站,全長(zhǎng)109 km,管徑1 016 mm,設(shè)計(jì)壓力10 MPa,設(shè)計(jì)輸量114×108 m3/a。按設(shè)計(jì)文件,此次監(jiān)測(cè)的管道分為兩段,在三級(jí)地區(qū)的高后果區(qū),干線(xiàn)的監(jiān)測(cè)范圍為從HC25閥室起點(diǎn)往下游10 km,支線(xiàn)的監(jiān)測(cè)范圍為從輸站起點(diǎn)往下游35 km。

天然氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由2臺(tái)光纖測(cè)溫主機(jī)、1臺(tái)服務(wù)器(含顯示器)、1臺(tái)交換機(jī)、信號(hào)處理及分析軟件等組成),2臺(tái)光纖測(cè)溫主機(jī)分別布置在閥室和分輸站,服務(wù)器和交換機(jī)布置在分輸站。利用已同溝敷設(shè)的通信光纜中2芯光纖組成測(cè)量回路,實(shí)時(shí)感應(yīng)光纖周?chē)臏囟茸兓鬏斨凉饫w測(cè)溫主機(jī);光纖測(cè)溫主機(jī)接收、處理管道沿線(xiàn)光信號(hào)直接進(jìn)行解調(diào),并將解調(diào)后的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器,經(jīng)信號(hào)處理及分析軟件解算后,如果溫度超過(guò)報(bào)警閾值,則顯示溫度報(bào)警及位置。

測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于11月4日開(kāi)始安裝調(diào)試,結(jié)合工程建設(shè)期焊口坐標(biāo)數(shù)據(jù)和通信光纜施工數(shù)據(jù),扣除所有光纜井盤(pán)纜長(zhǎng)度和光纜進(jìn)站長(zhǎng)度,將光纜里程與管道里程對(duì)齊,確保誤差最小

序號(hào)

環(huán)境溫度 /℃

驗(yàn)證方法

驗(yàn)證目的

驗(yàn)證結(jié)果

工況1

-12~-20

裸露光纜澆熱水

升溫、降溫

監(jiān)測(cè)到溫升,并報(bào)警

工況2

-12~-20

開(kāi)挖深度1 m

降溫

未監(jiān)測(cè)到溫降

工況3

-12~-20

開(kāi)挖深度2.3 m,光纜裸露

降溫

監(jiān)測(cè)到溫降,并報(bào)警

工況4

-12~-20

逐步對(duì)開(kāi)挖點(diǎn)回填

升溫

監(jiān)測(cè)到溫度緩慢上升

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,基于BOTDA分布式光纖測(cè)溫技術(shù)和Joule-Thomson效應(yīng)的天然氣管道泄漏測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)管道沿線(xiàn)的溫度變化,并能夠快速準(zhǔn)確定位,具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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