設(shè)集氣裝置的天然氣管道分布式光纖泄漏監(jiān)測

1 概述

目前，天然氣管道泄漏監(jiān)測技術(shù)主要有直接檢漏法、紅外成像技術(shù)檢測法、流量或質(zhì)量平衡法、負(fù)壓波法、次聲波法、內(nèi)檢測法、光纖溫度傳感技術(shù)等，但每種技術(shù)都有一定的適用范圍和局限性

。直接檢漏法依靠工人巡視，往往只能發(fā)現(xiàn)較大的泄漏，且實時性差、耗費人力。紅外線成像技術(shù)靈敏度較高、定位較精確，但不適用于埋地較深的管道。流量或質(zhì)量平衡法雖易于實現(xiàn)，但容易導(dǎo)致誤報警。負(fù)壓波法更適用于輸油管道，很少用于輸氣管道，且對較小泄漏不起作用。次聲波法可對管道泄漏進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并實時監(jiān)測管道運行狀況，但其信號不穩(wěn)定，且易被噪聲干擾。內(nèi)檢測法能識別和定位管道的微小泄漏，但其技術(shù)要求高，無法實時在線監(jiān)測。光纖溫度傳感技術(shù)可在信號傳輸?shù)倪^程中實現(xiàn)對溫度的測量，在抗電磁干擾、耐腐蝕性和長距離監(jiān)測等方面具有獨特的優(yōu)越性

，在中俄東線北段已經(jīng)進(jìn)行工程試用，但受空間分辨率的影響，其有效監(jiān)測范圍和效果有很大局限性。

氣體管道發(fā)生小孔泄漏時屬于節(jié)流膨脹，根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)，天然氣管道泄漏后的氣體溫度會下降

。因此，可以通過溫度傳感器實時測量管道周圍溫度，間接實現(xiàn)對天然氣管道泄漏的在線監(jiān)測和定位。天然氣長輸管道的運行環(huán)境對溫度傳感器的耐腐蝕性、抗電磁干擾性能和信號傳輸方式等要求較高。光纖溫度傳感器本身也是數(shù)據(jù)傳輸媒介，具有明顯的優(yōu)越性。它利用的是后向自發(fā)拉曼散射效應(yīng)和光時域反射原理，激光脈沖在光纖中傳輸時會產(chǎn)生瑞利、布里淵和拉曼3種散射，其中布里淵和拉曼散射均對溫度比較敏感，且基于光時域拉曼散射的分布式光纖溫度傳感技術(shù)相對更加成熟

。拉曼散射光中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光對溫度非常敏感，背向的斯托克斯(Stokes)光隨溫度變化不明顯，通過兩者光強(qiáng)的比值即可解調(diào)出溫度信號，再根據(jù)入射光和拉曼散射光的時差即可定位溫度變化的位置

。

分布式光纖溫度傳感器的準(zhǔn)確性受其空間分辨率和與溫度變化點的相對位置影響較大。空間分辨率是分布式光纖溫度傳感器沿其長度方向上所能準(zhǔn)確測量的最小單元

。在對天然氣管道進(jìn)行泄漏監(jiān)測時，如果泄漏引起的溫降范圍在光纖長度方向上小于其空間分辨率，或者雖然長度方向上的溫降范圍很大，但覆蓋光纖的溫降范圍小于其空間分辨率，都會使測得的溫降小于實際溫降，從而嚴(yán)重影響泄漏監(jiān)測效果。

為此，本文設(shè)計了一種簡單的適用于埋地管道的集氣裝置，在光纖溫度傳感系統(tǒng)空間分辨率一定的條件下，可顯著提高系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測效果和有效監(jiān)測范圍。

2 改進(jìn)的泄漏監(jiān)測方案及試驗測試方案

2.1 改進(jìn)的泄漏監(jiān)測方案

針對分布式光纖溫度傳感器用于天然氣管道泄漏監(jiān)測的局限性，設(shè)計了適用于收集埋地管道泄漏氣體的集氣裝置，與分布式光纖溫度傳感器配合使用，改進(jìn)的泄漏監(jiān)測方案見圖1。集氣裝置的材料為高密度聚乙烯(HDPE)。為了便于泄漏的天然氣在光纖長度方向上的匯聚集中，集氣裝置的內(nèi)表面設(shè)計有縱橫交錯的氣道結(jié)構(gòu)，見圖2。

溫降差別大的原因是光纖溫度傳感器的準(zhǔn)確度受其空間分辨率的影響。雖然1 mm孔徑和3 mm孔徑引起的溫降相同，但引起的氣體泄漏量不同，1 mm孔徑的氣體泄漏量少，在光纖長度方向上與光纖接觸的范圍也更小，導(dǎo)致光纖所測得的溫降明顯低于實際的溫降，從而影響監(jiān)測效果。造成光纖有效監(jiān)測位置不同的原因是不同孔徑的泄漏氣體與光纖的相對位置不同，即1 mm的泄漏孔泄漏后的氣體少，并且離管道更近，所以F

和F

能監(jiān)測到泄漏。3 mm的泄漏孔泄漏后的氣體多，且離管道遠(yuǎn)，所以F

和F

監(jiān)測到了泄漏。由此可以看出，當(dāng)光纖位置一旦確定，其所能監(jiān)測到的泄漏情況很有限。

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2 試驗測試方案

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，在無集氣裝置的情況下，1 mm的泄漏孔泄漏時，只有緊貼管道和上方10 cm處的光纖即F

和F

監(jiān)測到了溫度變化。3 mm的泄漏孔泄漏時，緊貼管道的光纖F

并沒有監(jiān)測到明顯的溫度變化，而管道上方10 cm和20 cm處的光纖F

和F

的溫降很明顯。根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)，小孔泄漏條件下，氣體泄漏后的溫度變化值與泄漏孔徑無關(guān)。因此，1 mm和3 mm的泄漏孔引起的溫降理論上應(yīng)該基本一致，但是試驗光纖所監(jiān)測到的溫降卻差別較大。

高壓輸電線路的架線施工過程中涉及諸多專業(yè)工程內(nèi)容，包括放線、緊線、附件安裝及架線前期準(zhǔn)備工作等。嚴(yán)格控制放線施工過程，將導(dǎo)線損傷面積控制在2%以內(nèi)，倘若損傷部位過大，要及時對其進(jìn)行修補(bǔ)，假使為導(dǎo)線損傷特別嚴(yán)重，一線施工人員要立即切除損傷部位，換用接續(xù)管連接，確保高壓輸電過程中的安全性。具體工程實踐中，施工人員可優(yōu)選張力放線方法，降低導(dǎo)線損傷率。其應(yīng)用原理是借助機(jī)械使導(dǎo)線處于合適的張力狀態(tài)，并限定其與交叉物之間的距離，實現(xiàn)預(yù)期放線目標(biāo)。緊線施工過程也非常講究，既要確保鐵塔組裝的完整性，又要兼顧螺栓緊固率，將其控制在95%以上[2]。

泄漏模擬試驗分2次進(jìn)行，1 mm和3 mm的泄漏孔同時泄漏。第1次試驗時只用分布式光纖溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測，第2次試驗時增加集氣裝置。兩次泄漏氣體的初始壓力和溫度相同，通過調(diào)壓閥和加熱冷卻裝置控制在1.5 MPa和25 ℃。試驗過程中，實時顯示光纖的溫度曲線，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

由圖5和圖6可以看出泄漏前后不同位置光纖的溫降，見表1。

第1次試驗光纖溫度曲線見圖5，第2次試驗光纖溫度曲線見圖6。

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為了驗證集氣裝置和分布式光纖溫度傳感器集成方案的監(jiān)測效果，進(jìn)行了泄漏模擬試驗。試驗采用2段長2.6 m、規(guī)格為D355×3.2的管道，出于安全考慮，試驗氣體采用壓力1.5 MPa、溫度25 ℃的氮氣。在2段管道的頂部分別設(shè)置直徑為1 mm和3 mm的圓形泄漏孔。管道頂部埋深1.5 m。光纖溫度傳感器采用AT800系列的測溫主機(jī)和ATF-100型感溫光纖，空間分辨率為0.5 m。光纖在試驗管道頂部S形敷設(shè)，總長146.3 m，0 m處與光纖主機(jī)連接，95.3 m之前的光纖盤繞在地上，95.3 m之后的光纖盤繞著埋在地下，利用光纖米標(biāo)進(jìn)行位置標(biāo)記，相鄰兩段光纖的間隔為0.1 m，其布置見圖3。由于集氣裝置需要定制模具，生產(chǎn)周期較長，試驗時采用長8 m、寬1 m、厚1.5 mm的HDPE土工膜代替，其位置見圖4。

在建筑空間設(shè)計中，應(yīng)采用智能化技術(shù)。智能技術(shù)可以通過各種電氣設(shè)備完善和提高節(jié)能控制，從而降低建筑能耗、調(diào)節(jié)室內(nèi)空間的溫度和濕度，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性。由此可見，智能化技術(shù)是綠色節(jié)能建筑的重要組成部分。

增加集氣裝置后，由表1可以看出，1 mm的孔徑泄漏時，光纖的有效監(jiān)測位置無變化，但相同位置的光纖所監(jiān)測到的溫降明顯變大。3 mm的泄漏孔泄漏時，光纖的有效監(jiān)測位置也變多，F(xiàn)

、F

和F

均能監(jiān)測到明顯的溫度變化，而且F

和F

的溫降差別不大。由此可以看出，集氣裝置不僅可以提升光纖溫度傳感器的監(jiān)測效果，還可以擴(kuò)大有效監(jiān)測范圍。

4 結(jié)論

① 光纖溫度傳感器用于天然氣管道泄漏監(jiān)測時，受空間分辨率的限制，有很大的局限性。

② 將集氣裝置和光纖溫度傳感器集成的泄漏監(jiān)測方法，可在空間分辨率一定的條件下，改變泄漏氣體的空間分布，以及與光纖的相對位置，從而提升監(jiān)測效果和有效監(jiān)測范圍。

③ 今后的研究方向為空間分辨率的提升、報警邏輯的優(yōu)化和泄漏氣體擴(kuò)散模型的建立等方面。

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