振動光纖技術在油氣管道站場周界防范中的應用

許威

(中石化石油工程設計有限公司 北京分公司，北京 102200)

振動光纖技術在油氣管道站場周界防范中的應用

許威

(中石化石油工程設計有限公司 北京分公司，北京 102200)

詳細介紹了振動光纖系統探測振動的原理，并將微波對射、激光對射、振動電纜、振動光纜幾種入侵報警技術的性能進行了對比分析，結合工程應用實例證明了振動光纖入侵報警技術具有誤報率低，防雷、防爆、抗電磁干擾、耐腐蝕、不受惡劣環境影響，且安裝便捷，適用于各種形式的周界，可實現無死角防御等優點，尤其適用于油氣管道站場等易燃、易爆場合。

微分干涉原理 振動光纖 油氣管道 站場 誤報率 前端無源

隨著長輸管道的建設，加上近年來的中石油大連石化“7.16事故”等油氣安全事故頻發，油氣管道及站場的安全防護問題越來越受到各級相關部門重視。雖然管道運營單位為保證安全已經采取了布設鐵絲網、圍欄等措施，但由于有些站場位置偏僻，且站場分布地域廣，站內工藝設施容易遭到人為破壞，給國家造成巨大的經濟損失，因而簡單的物理防護手段已經不能滿足安全防護需求[1-4]。

傳統的入侵報警系統易受大風、雨雪等環境因素影響，誤報率極高；有的前端傳感單元需要供電，存在雷擊的危險且易受電磁干擾。因此，需要通過技術手段對站場周界進行實時監測，振動光纖很好地解決了上述問題。

1 系統原理

振動光纖入侵報警系統前端設備基于微分干涉原理，如圖1所示。

圖1 微分干涉型光纖振動傳感器原理示意

從寬帶光源(SLD)發出的光，依次通過2個光纖耦合器后進入傳感光纖，在終端遇到反射鏡后原路返回，再按照反射方向依次通過2個光纖耦合器后進入光電探測器D1和D2。在2個光纖耦合器之間的2個連接臂，分別采用延遲光纖和直通光纖的方式形成非平衡馬赫 - 曾德爾干涉結構[5]，其中延遲光纖產生的時間延遲為τ。從SLD發出的光，往返傳播后，在探測端共形成4條光路，由于SLD的存在，最終只有2條光路能夠形成干涉。在傳感光纖上沒有擾動出現時，2條干涉光路始終等長，無法形成干涉；當有擾動出現時，這2束光在時間差τ內先后經過擾動源，而擾動是對光的相位進行隨時間變化的動態調制，因而在探測器D1和D2中就會形成干涉[6]。

2 系統結構

系統前端由通信光纜、傳感光纜、防區控制器和光終端組成，全部為無源器件；后端由防區型主機、繼電器聯動模塊、工控機以及軟件等組成。傳感光纜采集振動信號，防區控制器完成光學干涉；通信光纜將干涉后的光學信號傳送至系統后端的防區型主機；防區型主機實現光電轉換及數據處理，并將數據信號上傳至智能算法分析處理軟件，最終輸出有效報警。系統結構如圖2所示。

3 常用入侵報警技術對比

對當前油氣行業常用的幾種入侵報警技術性能進行對比，結果見表1所列。

圖2 微分干涉型振動光纜系統結構示意

對比項微波報警激光對射振動電纜振動光纜使用壽命/a4～51～23～430誤報、漏報率 高,易受風、雨、雪天氣影響 較高,對大霧、沙塵等天氣敏感 低,電磁輻射強的環境不適用,不受天氣影響 較低,不受天氣影響,不受電磁輻射影響安裝簡易型 安裝簡單 安裝要求高,難度大;激光束靶點需精確對準 安裝簡單 安裝簡單環境適用性 要求地面平坦、無遮擋物,直線安裝 不適用于周界規則的場合 易受電磁干擾,需防雷,適用于各種形狀的周界 前端無源,抗電磁干擾,無需防雷適用于各種形狀的周界維護難度 需經常性檢修,防區控制器易損壞 需經常性檢修,探頭易老化、易損壞 需經常性檢修 免維護綜合成本 造價中等 造價最低 造價最高,通常為振動光纜的2～3倍 造價中等,防區數一定的情況下,監控距離越長,每公里造價越低

從表1可以看出，各類報警系統各有優缺點。振動光纜由于前端無源，無需防雷、維護方便、建設成本低等方面優勢突出，因而更適用于油氣管道站場易燃、易爆場所。

4 工程應用實例

文中以某天然氣管道站場為例，該站場形狀不規則。站場采用實體圍墻加鐵絲網的方式，圍墻全長1 350 m，共分為6個防區，大門口1個防區采用激光對射探測器，其他5個防區采用振動光纜入侵探測。

入侵報警主機集成振動光纖報警信號和大門口激光對射報警信號，同時聯動視頻監控系統。

4.1 傳感光纜選擇及施工

傳感光纜選用GYTA53鎧裝光纜，本身硬度較硬，嚴格按標準施工，光纜本身能夠有效抑制大風條件下產生的噪聲，且能有效抗誤報；同時能夠提供較好的振動靈敏度，性價比較高。光纜鋪設于鐵絲網圍欄上時，采用正弦波型敷設方式，該種敷設方式可探測到攀爬、翻越、剪網、梯子輔助翻越等入侵方式。通過采用該方式，可增大圍欄的感應面積，從而有效地探測到較弱的入侵信號。

由于圍欄角落和支柱比較堅固，比鐵絲網組織更難傳遞震動，因而這些部位必須增加傳感光纜對其進行保護。

4.2 大門的防護

大門口是入侵報警系統防護的難點，由于該站場采用的是電動伸縮大門，大門開關頻繁，若采用振動光纜則安裝不便，因而大門處選用雙光束激光對射式入侵報警設備，并根據站場的作息時間通過軟件對大門分時布防和撤防，解決了大門布防的難題。激光對射報警信號通過數據總線引入入侵報警主機。

4.3 無源防區控制器的安裝

無源防區控制器選擇地埋安裝方式。采用防水抗老化地埋箱預埋，然后將無源防區控制器放置到地埋箱中，熔接好光纜后再防水密封，便于后期維護。地埋箱深度位于地表下1 m左右。

4.4 應用效果

測試該系統應用效果時，人為地在該站場加入了一些干擾，如大雨、大風天氣、動物闖入等，系統均未報警，可見振動光纜系統能較好地區分人為入侵和其他入侵，測試系統誤報率為零，測試結果見表2所列。

表2 基于振動光纖技術的周界入侵報警系統使用效果統計

5 結束語

振動光纖入侵報警系統利用光纜作為傳感器，通過防區型主機實現光電轉換及數據處理，并將數據信號上傳至智能算法分析處理軟件，對入侵事件的信號特征進行智能分析與模式識別，以減少系統的誤報率。同時前端的無源設計，相對其他入侵技術更適合在油氣站場等防爆場所應用。據了解，振動光纖入侵報警系統在中石油塔里木油田大量應用，至今應用效果良好。隨著天然氣管道數字化、智能化的推進，振動光纖入侵報警技術因其獨有的優勢將在油氣管道站場得到更廣泛的應用。

[1] 司輝，李香文，董曉琪，等.振動光纖技術在天然氣站場周界

安防中的應用[J].天然氣工業，2013(10)： 116-121.

[2] 閆奇眾.光纖傳感周界入侵防范系統技術現狀及市場前景淺析[J].烽火科技，2012(01)： 17-21.

[3] 劉波，楊亦飛，牛文成，等.光纖圍欄技術特點及研究現狀[J].光子技術，2004(04)： 208-213.

[4] 劉利.光纖光柵周界入侵報警系統在石油罐區周界安防中的應用[J].石油化工安全環保技術，2012，28(06)： 32-35.

[5] 李善田，朱詠梅.基于馬赫 - 增德爾干涉儀的光纖周界防范裝置設計[J].工業控制計算機，2009(08)： 36-38.

[6] 許海燕，艾鑫，吳紅艷.微分干涉型光纖振動系統識別技術研究[J].光學儀器，2014(08)： 305-310.

[7] 劉鐵川，徐業蓬.無線技術在浮頂儲罐一二次密封層間油氣監測中的應用.石油化工自動化，2015，51(01)： 56-58.

[8] 尤立華.油氣管道自動化站控系統維護與管理.石油化工自動化，2015，51(05)： 67-69.

Application of Vibration Fiber Technology to Perimeter Security at Oil and Gas Pipeline Station

Xu Wei

(Beijing branch, Sinopec Petroleum Engineering Corporation, Beijing, 102200, China)

The principle of vibrating optical fiber system is introduced in detail. The performance of several intrusion alarm technologies including microwave radio, laser beam, vibration cable and vibration FOC is compared. The application example proves the vibration fiber intrusion alarm technology has advantages of low false alarm rate, lightning surge protection, anti-electromagnetic interference, anti-corrosion, anti-harsh environment, easy installation. It is suitable for all kinds of perimeter with advantage of no dead angle realization. It is especially applicable for flammable and explosive situations, such as oil and gas piping stations and so on.

differential interference principle; optical fiber vibration sensing; oil and gas pipeline station; false alarm rate; front-end passive

許威(1986—)，2009年畢業于山東大學信息科學學院通信專業，獲學士學位，就職于中石化石油工程設計有限公司，從事通信專業設計工作，任工程師。

TP274+.51

B

1007-7324(2017)03-0047-03

稿件收到日期： 2016-12-09，修改稿收到日期： 2017-03-06。