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輸油管道泄漏分布式光纖在線監測

發布時間:2019-08-19 點擊次數:

概述

管道是油氣輸送的主要方式,具有運量大、不受氣候和地面其他因素限制、可連續作業以及成本低等優點,油氣管道也被稱為能源血脈。隨著我國能源工業的發展,尤其是石油、天然氣消費速度的增長,管道工程建設迅猛發展,管道輸送也成為第五大運輸業。我國現有70%的石油和99%的天然氣是通過管道運輸的,長輸干線管道已經達到8萬公里,海上油氣管道近5千公里。隨著中亞諸國和俄羅斯、緬甸、卡塔爾、伊朗、澳大利亞等境外油氣資源的落實,未來幾年將集中建設一批跨國管道,到十二五規劃期末全國長輸油氣管道總里程將超過10萬公里。

油氣管道距離長、且多埋藏于地下,地質環境復雜;并且在用油氣管道中有相當部分服役時間超過20年,東部部分管網甚至超過30年,已步入事故高發期。油氣管道長期服役后會因腐蝕、地形沉降、管材及施工質量、機械施工及人為破壞等原因發生失效事故,特別是近些年因惡意打孔盜油(氣)和非法施工造成的管道安全事故常有發生;另外,如地質塌陷、滑坡、泥石流等地質災害所造成的安全事故亦時有報道。

近年來,隨著我國長輸管道的迅猛發展,因打孔盜油、非法施工等第三方破壞事件,以及如地質塌陷、滑坡、泥石流等地質災害所造成的安全事故時有發生,石油和天然氣本身的性質決定了它們一旦被破壞,不僅會造成資源損失和環境污染,甚至會產生火災、爆炸,產生巨大的經濟損失,更會破壞周圍環境和周邊人身安全。為此急需采用高科技的手段,及時、準確地測出管道安全狀態變化,實現對輸油管道進行實時在線監測尤顯重要。保護油氣管道安全絕不僅僅是保護管道企業的利益,更重要的,它保障的是廣大人民群眾的正常生活和公共安全,保障的是國家的經濟安全和社會穩定,維護管道安全任重道遠。

目前現狀

管道在國民經濟中的地位越重要管道的安全運行越受重視。對管道泄漏檢測方法的研究已有幾十年的歷史,但由于檢測的復雜性如管道輸送介質的多樣性管道所處的環境(如地上、管溝、埋地、海底)的多樣性,以及泄漏形式的多樣性(滲漏、穿孔、斷裂等),使得目前還沒有一種通用的方法解決管道泄漏探測問題。在實際應用中,某一種泄漏檢測方法或一個檢漏裝置不能同時滿足所有要求,常常將幾種方法綜合實用。

管道泄漏監測主要是對管道從不漏到突然發生泄漏的過程的監測,一般是采用固定的裝置對管道進行實時監測,一旦發生泄漏立即報警,使有關人員能夠進行及時處理。人工例行巡檢、負壓波以及可燃氣體監測是天然氣輸送管道監測的常用方法。目前,傳統的監測方法如人工巡視、負壓波等方法已經不能適應分布地域廣、環境復雜程度和破壞前報警的要求,亟需一種工程造價低且能適應大范圍監測要求的分布式傳感監測系統。由于管道長度長達幾百公里,傳統的電測式傳感器需要沿管線布設幾千只傳感器,從布點連線到數據采集不僅復雜且成本高,并且受到布點數量的限制,無法全面反映管道的結構和功能情況。現在國內外應用于管線工程監測的技術和方法正在從傳統的點式儀器監測向分布式、自動化、高精度和遠程監測的方向發展。

分布式光纖傳感技術是一種新興的傳感技術,它直接以管道同溝敷設的通訊光纜作為傳感器,其充分利用光纖空間連續分布的特點,、合一,可實現沿光纖分布任一點的物理參量信息,具有測量信息豐富、可精確定位等優點。而且,光纖傳感技術是以光波為載體,光纖為媒質,與傳統電學傳感器相比,光纖傳感器具有測量精度高、抗電磁干擾、本質安全、小巧輕柔、適合遠程傳輸等優點,尤其適合在電力、石化、交通、橋梁、大壩等領域應用。以下是管道泄漏監測技術的對比情況。


流量平衡法

負壓波技術

聲波技術

光纖傳感技術

測量原理

將管道分成若干部分,每一部分都安裝超聲波流量計,并測定管道溫度和環境溫度等參數,經熱補償后對比上游出站流量和下游進站流量是否相等,進而判斷管道是否泄漏

在管道兩端裝壓力傳感器,根據上游出站和下游進站的壓力參數變化判斷管道是否發生泄漏。如發生泄漏,根據負壓波在油品中的傳播速度以及傳輸到上下游傳感器的時間差即可進行定位

在管道兩端裝聲音傳感器,當管道發生泄漏時高壓油品外泄與管壁摩擦產生聲波信息,根據聲波在油品中的傳播速度以及傳輸到上下游傳感器的時間差即可進行定位

將探測光纖沿管道線型鋪設,實時獲得管道沿線每一點的溫度實時信息;當管道發生泄漏時泄漏處的光纖的溫度會發生變化,從而實現泄漏判斷和位置精確定位

技術先進度

早期成熟技術

早期成熟技術

成熟技術

國際先進成熟技術

測量參量

流量

壓力

聲波

溫度,應變

測量時間

60

不超過120

不超過120

100

泄漏檢測靈敏度

定位精度

不能定位

300

200

1米以內

誤報率

漏報率

適應性

對較嚴重的管道泄漏敏感

管道正常的啟、停操作和分輸操作易造成誤報

對流量低、壓力高的管道泄漏敏感,管道正常的啟、停操作和分輸操作易造成誤報

完全不受管道啟、停操作和分輸操作影響,適應性好

抗干擾性

易受流量測量精度影響

負壓波傳播速度影響因素多,易受電磁干擾

聲波傳播速度影響因素多,易受電磁干擾

本質安全,完全不受電磁干擾影響

后期維護

流量計需定期維護、校準,甚至更換

傳感器需定期維護、校準,甚至更換

傳感器需定期維護、校準,甚至更換

光纖壽命長,基本無需維護

將探測光纜沿管道同溝或者并行敷設,可實現管道沿線的溫度、泄漏等異常狀況實時監測,具有測量距離遠、連續分布式測量、可精確定位、安裝簡單、安全可靠、擴展性強等優點,對管道不會產生任何破壞或影響其正常生產,對已經穩定的和新發生的泄漏都可以進行識別,尤其適合管道在線監測應用。

系統設計目標

基于業界最先進的分布式光纖傳感技術,將感溫光纜沿輸氣管道同溝或者并行敷設,實時監測管道周圍的溫度分布情況,當輸氣管道局部出現溫度異常時分布式光纖傳感監測系統能及時捕獲這些異常,并在溫度曲線顯示出來,并定位出異常點的位置信息,便于管道維護人員及時檢修與處理,避免重大事故發生。設計目標包括: 

Ø 實時在線的溫度分布式監測;

Ø 清楚指示溫度異常點的位置信息;

Ø 提供管道泄漏的早期探測。

系統總體設計方案

4.1 設計規范

《火災自動報警系統設計規范》 GB50116-98

《火災自動報警系統施工及驗收規范》GB50166-2007

《火災自動報警控制器通用技術條件》(GBJ4717-93

《石油化工企業生產裝置電信設計規范》SHJ30-282007年版)

《線型光纖感溫火災探測器》GB/T21197-2007

《火災報警探測器》GB4717-2005

《消防聯動控制系統》GB16806-2006

《光纜線路自動監測系統工程設計規范》YD/T5066-2005

《長途通信光纜線路工程設計規范》YD5102-2005

《通信設備安裝工程工藝施工監理規范》YD5125-2011

4.2 管道泄漏分布式光纖監測方案

4.2.1 管道泄漏監測原理

管道出現泄漏后,泄漏點附近的溫度會出現變化,利用BOTDA的分布式溫度測量功能可實現管道泄漏在線監測與定位。

對于埋地油氣輸送管道,管線正常運行時沿線的溫度場分布均勻;當管壁因破損、接頭斷裂等原因發生泄漏時,泄漏處的溫度將發生變化。對于原油管道,需加熱輸送,泄漏處的溫度將升高;對于天然氣管道,由于焦耳-湯姆遜效應,天然氣經過泄漏孔節流膨脹,節流膨脹過程前后的焓不變,在泄漏孔出口出現溫度下降,如下圖所示。管道沿線敷設的測溫光纖傳感器能及時捕獲這些溫度異常,并在溫度分布曲線上實時顯示出來,通過智能化的報警算法以及圖形化的專業分析軟件,可以實時自動報警,并精確定位異常點的位置信息。

管道泄漏對周圍溫度影響示意圖

4.2.2 管道泄漏監測方案

布里淵型分布式光纖測溫系統BOTDA是一種超長距離監測設備。本項目設置14通道的BOTDA主機,主機放置于聯合站內,通道1監測聯合站至轉油站1之間的輸油管道(長度約63公里),通道2監測聯合站至轉油站2之間的輸油管道(長度約18公里),另外兩個通道備用。設備設置如下圖所示:

管道泄漏分布式光纖在線監測系統示意圖

設備配置情況

設備放置

監測對象

監測距離

BOTDA主機(4通道)

通道1

聯合站

聯合站—轉油站1區間管道

63km

通道2

聯合站—轉油站2區間管道

18km

通道3

備用

/

通道4

備用

/

4.2.3 感溫光纜安裝方式

   溫度探測光纜沿管道方向平行敷設。溫度探測光纜直接采用與管道同溝敷設的通信光纜(建議光纜位于管道0.1~0.2m,以達到理想的監測效果。

Ø 為獲得較好的測溫效果,管道上方回填沙層厚度建議大于0.1米,測溫光纜沿管道方向平行敷設;

Ø  管道鋪設時會出現分段鋪設的情況,這就導致出現光纜需要熔接的情況,光纜熔接后采用光纜接續盒接續保護。



4.2.4 方案特點與技術優勢

基于國際最先進的布里淵型分布式光纖測溫技術BOTDA的長輸管道泄漏在線監測,技術方案先進,在遠端60公里處仍可實現±1.5的測溫精度;感溫光纜采用普通單模通信光纖,光纜內冗余的光纖可作為光纖通信路由用,利用設備自帶的軟件即可實現全程溫度監測,無需額外的組網方案。

1)連續分布式測量

    分布式光纖傳感器是真正的分布式測量,可以連續得到沿著測溫光纜幾十公里的測量信息,誤報和漏報率大大降低。同時實現實時監測。

2) 本征安全,防雷

    光纖本身是由石英材料組成的,完全的電絕緣,傳感器不產生靜電,可以抵抗高電壓和高電流的沖擊。

3) 抗電磁干擾

    光纖傳感器的信號是以光纖為媒介、光信號為載體,抗電磁干擾,本征安全,,在高電磁環境中可以正常的工作。

4) 測量可靠,安裝簡單

光纖本身即為傳感器,、合一,安裝簡單;由于無需安裝額外的傳感元件,傳感光纜中間沒有熔接點,可靠性高。

5 ) 測量距離遠,適于遠程監控

    光纖的兩個突出優點就是傳輸數據量大和損耗小,在無需中繼的情況下,可以實現幾十公里的遠程監測。

6) 壽命長,成本低,系統簡單

    光纖的材料為石英玻璃,其具有不腐蝕、耐火、耐水及壽命長的特性,通??梢苑?/span>30年。綜合考慮傳感器的自身成本以及以后的維護費用,使用光纖傳感器可以大大降低整個工程的最終經營成本。

產品介紹

5.1 布里淵型分布式光纖測溫系統

布里淵型分布式光纖傳感器可同時實現溫度與應變測量,其采用普通單模通信光纖為傳感器,且測量距離達數十公里,遠高于其它類型的分布式光纖傳感器,是目前最具應用前景的光纖傳感器之一。

采用國際上最新一代的布里淵型分布式光纖傳感技術,可實現長達60km的溫度和應變連續分布式測量。該系統采用標準的通信單模光纖,信息感知與信號傳輸于一體,可實時監測沿光纖分布式的溫度和應變細微變化,并且精確定位事件位置,在海底光電復合纜、電力架空線、長輸油氣管道、大壩、橋梁等領域具有重要應用。

該系統的測量原理為布里淵光時域分析BOTDA技術,綜合利用了受激布里淵散射效應(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)、光時域反射技術原理。受激布里淵散射是光纖的固有物理特性,是是光波和聲波在光纖中傳播時相互作用而產生的光散射效應。BOTDA技術是從光纖的兩端分別注入脈沖光信號(泵浦激光)和連續光信號(探測激光),當脈沖光與連續光的頻率差與光纖中某個區間的布里淵頻移相等時,該區域就會發生受激布里淵放大效應,兩束光之間發生能量轉移。根據光纖布里淵頻移與光纖應變、溫度之間的關系,對兩激光的頻率進行連續的調節,監測從光纖一端耦合出來的連續光功率可以確定光纖各小段區域上能量轉移達到最大時所對應的頻率差,從而得到溫度、應變信息,實現分布式測量。

 

系統技術原理

5.1.1 測量主機

測量主機是分布式光纖測溫系統的核心。我司BOTDA基于專利技術設計,集光電、硬件、計算機和信息處理等高新技術于一體,技術指標國際先進;同時由于采用光信號為載體,不受電磁干擾,本質安全,使用壽命長,適于惡劣環境下工作。

 

BOTDA測量主機

  我司布里淵光時域分析儀BOTDA監測系統具有如下技術優勢:

快速性

系統測溫、定位速度非常高。為了提高測量時間,浙江中欣采用了高速微弱信號處理技術優勢,單次測量時間最短為60s70km測量距離),響應速度快。

測量距離長

布里淵分布式光纖監測系統最長測量距離可達70km,監測范圍廣,可實現監測范圍內的全方位監測。

分布特性

分布式光纖監測系統可提供連續動態監測長達70公里范圍內每隔0.5米各點的溫度變化信號,可任意設置各級報警值。

先進性

該系統在世界上目前性能指標優異、功能性強、可靠性高、技術最先進的分布式光纖監測產品。關鍵器件優選國外進口高性能器件,核心算法經過嚴格測試。

靈活性

系統為實時在線監測方式,可以根據環境不同進行報警點溫度參數設定;具有差定溫多種報警方式,并且報警參數可按客戶需求進行分區設置,報警方式靈活。

兼容性

系統主機為開放通信協議,提供與工作站聯接的通信接口,在中央控制室防災報警工作站以漢化的圖文方式顯示溫度曲線、報警位置、報警溫度等全部信息;系統可以通過RS232、RS485、內置繼電器、RJ45或其它工業協議等輸出形式與PC、報警系統等其它控制設備進行連動信號輸出準確、完整。

安全性

探測光纜本征安全,采用光信號,不受電磁干擾。

如果光纖受損,BOTDA系統可以即時定位受損點,并通過光纖熔接機對其進行熔接,這對于有效的實施在線監測時非常重要的。

5.1.2 用戶軟件

浙江中欣提供界面友好、操作簡單的分布式光纖溫度、應變監測應用軟件。該軟件主要包括:溫度監測、應變監測、事件報警、數據分析、可視化顯示等功能模塊。

溫度曲線顯示

系統可以顯示實時整個光纜的溫度、應變分布曲線,當某處溫度或者應變異常的時候通過曲線可以顯示該處實時信息。

 

分布式溫度/應變顯示曲線

歷史溫度統計

提供歷史溫度/應變數據統計分析功能,提供溫度變化趨勢,包括:(1)某時刻光纜不同位置的溫度/應變分布曲線;(2)某時段光纜某點的溫度/應變變化曲線。

 

單點歷史數據變化曲線

事件報警

提供定值、變化速率、區域尖峰等多種靈活的報警方式,報警參數可以分級、分區域設置。當測量數值超過閾值時,系統會自動發出聲音、LED指示燈、文字、圖像等報警信號。如可設定多級報警閾值(如30初報警,40預報警,50采取措施等),并且可根據環境不同進行修正。

 

分區/分級事件報警設置

可視化界面

提供形象的可視化顯示界面,通過圖形組態模塊將光纖位置映射到圖像上,一旦光纖某點發生泄漏,報警信息直接顯示在圖像上,形象直觀。

 

用戶軟件可視化界面

5.1.3 系統性能

系統型號

 

技術性能

光纖類型

標準單模光纖

光纖配置

雙光纖環路

測量距離

70km

測量時間

60s

溫度測量范圍

-190~700 (取決于光纜)

溫度測量精度

±1(全程)

溫度分辨率

0.1

應變測量范圍

-4000με~6000με

應變測量精度

±20με(全程)

應變分辨率

2με

采樣間隔

0.1~1.25m

空間分辨率

0.5~5m

一般規格

光纖接頭

FC/APC

工作電源

220VAC 50Hz,40W

操作溫度

-10~50

存儲溫度

-20~60

通信接口

Ethernet,USB,RS232

存儲空間

500GB

尺寸

482.6×458.4×180mm

重量

25kg

5.2 感溫光纜

光纖由石英玻璃拉制而成,通過各種封裝形成各種特性的光纜。光纜既是信號傳輸介質,又是溫度感測元件??紤]到現場的惡劣環境,感溫探測光纜應具備良好的抗嚙咬、抗震特性。所以感溫探測光纜應具備堅固的護套,提供良好的防護特性,但同時感溫探測光纜也應該提供良好的溫度傳導性能,以保證快速的火災探測。

 

探測光纜結構示意圖

探測光纜技術指標:

Ø 光纖規格      普通單模通信光纖

Ø 光纜結構:       PBT管充油膏+鋼帶縱包+鋼絲加強+護套

Ø 最小彎曲半徑:  靜態10D;動態20D

Ø 拉伸強度:   短期最大3000N;長期最大1000N

Ø 抗壓強度:       短期最大3000N/100mm;長期最大1000N/100mm

Ø 工作溫度范圍:   -40+70(短期120

Ø 光纜工作壽命: 大于30

Ø 防沖擊、反復彎曲、扭轉、曲繞、彎折、卷繞、滲水性能等均符合IEC794-1標準。

設備清單

序號

名稱

規格型號

單位

數量

備注

1

布里淵光時分析儀BOTDA

NTB-50

1

支持4通道

2

用戶軟件

V1.0

1


3

光纖跳線

Senko FC/APC

8


4

多通道模塊

4通道

1


5

液晶顯示器

19

1


6

測溫光纜

GYXTW,8

芯數及長度滿足實際需要

7

室外接續盒


滿足實際需要

8

室外接續盒


滿足實際需要

 

注:供貨周期為合同簽訂后2個月。


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