分布式光纖泄漏監測系統（DTS）在熱力管道敷設施工中的應用

邱華偉，李廣山，胡春峰，王梓涵，邱曉霞，邱秀娟

（唐山興邦管道工程設備有限公司，河北 唐山064100）

近些年城鎮集中供熱供冷預制保溫管道在中國飛速發展，得到廣泛的應用，管道泄漏檢測顯然是維護活動的重要組成部分，且一直是一項艱巨的任務。大多數情況下，需要對管道進行現場檢查，發現泄漏點。

在過去的幾年里，使用光纖的分布式溫度監測技術已經證明是檢測和定位管道泄漏的有效方法，通過使用光時域反射測量（OTDR）的技術進行定位。

光纜作為溫度傳感的媒介，如何合理地布放施工，針對各個特殊地形地段如何更好更有效地敷設，保證布放施工質量是光纖測溫精度的基礎，也是后期高效使用的重中之重，并且該項目已經獲得國家重點研發計劃資助——“科技助力經濟2020”重點專項（編號：SQ2020YFF0422268）。

1 分布式光纖泄漏監測系統原理

DTS 光纖分布式管道監測系統采用光纖作為傳感器，通過監測管道外部的溫度變化，實現對管道泄漏點的發現。

DTS 光纖分布式管道監測系統主要應用的原理是拉曼效應。拉曼散射光是由熱影響的分子振動引起的，背散射光攜帶關于散射發生的局部溫度的信息。事實上，拉曼背散射光有2個頻移分量：斯托克斯分量和反斯托克斯分量。反斯托克斯分量的振幅與溫度密切相關，而斯托克斯分量的振幅則不是。

2 系統構成

系統結構可分為DTS 分布式光纖測溫系統及監測云服務器系統兩部分，如圖1 所示。

監測云服務器系統：采用阿里云云服務器系統，通過4G 無線通訊把數據傳送到平臺，并進行解析、組態，從而得到相關數據。

DTS 分布式光纖測溫系統：該系統主要由分布式光纖溫度解調儀、測溫光纜組成。分布式光纖溫度解調儀是一款連續分布式測溫光纖所處環境溫度的解調系統（Distributed Temperature Sensing System，DTS），它采用先進的OTDR技術和Raman 散射光對溫度敏感的特性，探測出沿著光纖不同位置的溫度變化，實現真正分布式的溫度測量及定位。作為一種成熟的光纖分布式測溫手段，該設備具有測量距離遠、測量精度高、響應速度快、抗電磁干擾、便攜等優點，可廣泛應用于供熱管網的泄漏監測。

圖1 系統結構示意圖

3 DTS 檢測系統主要優勢

DTS 檢測系統主要優勢包括：①測溫介質采用鎧裝光纜，無需外接電源，施工便捷，無需后期維護；②對管網全方位無死角監控，24 h 實時在線，能實現多個漏點同時定位，定位精度高可在1 m 以內；③平臺軟件通過大數據積累，智能分析，能得出管道保溫效果的變化趨勢。

4 監測系統的施工建設

對于施工而言DTS 分布式光纖測溫系統的主機位置、內部結構需要我們綜合考慮設計，測溫光纜的敷設、續接尤為重要。

4.1 整體工程方案設計

分析管網圖紙：標定管網長度、走向，畫出分支，預標記井室、安放手井位置，計算分段光纖長度。

設計監測方案：依據管網長度和走向，擬定監測主機的位置和測試通道數，考察監測主機實際地理位置，確定供電方式，選定主機和測溫光纖。

按設計方案施工：準備相關輔料工具，米標與實際地理位置綁定，涉及臨時管網設計變更的要及時與設計監測方案復核，并做出相應的調整。

測溫光纜：光纖采用5.5 mm 黑色兩芯多模光纖，具有防水、防震、外徑小、結構簡單、熱滲透快、測溫響應快特點；采用不銹鋼管保護光纖，使光纜有很強的抗壓扁力等特點。耐高溫管道泄漏監測傳感光纜有很好的防水、防震性能；套管外面采用不銹鋼絲絞合加強，使光纜有很強的抗拉力；最外層采用特氟龍+PE 護套防護，具有防水、防曬、抗老化、耐腐蝕、良好的電氣絕緣性能。傳感光纖為滿足國際標準的多模光纖芯，有很好的拉曼散射特性。

纖接續盒：續接盒屬于機械壓力密封接頭系統，是相鄰光纜間提供光學、密封和機械強度連續性的接續保護裝置，主要適用于各種結構光纜的架空、管道、直埋等敷設方式連接。盒體采用進口增強塑料，強度高，耐腐蝕，終端盒適用于結構光纜的終端機房內的接續，結構成熟，密封可靠，施工方便。

4.2 光纜的鋪設

DTS 監測系統有諸多優勢和較高的性價比。想要達到良好的測量效果、精準的定位，一定需要在施工中合理地綁縛、接續等。光纖從管網監測起點開始沿管道向一個方向連續鋪設光纜至監測的管網終點，測溫光纖（以下簡稱光纖）布置在管道水平線下方1/3 處，緊貼外護管，如圖2 所示。光纖布置在供回水管道中間，盡量避免管溝塌方或石塊跌落砸斷光纖。

圖2 光纜敷設示意圖

4.3 光纖的接續

涉及光纖續接的接頭或預留的光纖尾纖接頭在施工過程中要更加注意，如果接頭不加保護會影響續接工作，給后期運行留下重大隱患，而續接質量不好、損耗過大，則會直接影響到DTS 的監測長度。

管道建設施工中幾乎不可能全局從始至終的施工，更多的是分段施工，難免涉及到光纜續接。

光纜接頭的衰減：單個接頭熔接損耗小于0.03 dB，光纜應盡量做到整盤敷設，以減少中間接頭；每1.5 km 長度光纜接頭不宜超過1個。光纜接續前應核對光纜接頭位置，并根據接頭預留長度的要求留足光纜；光纖接續宜連續作業，以確保接續質量，不得讓光纜接續處受潮。連接操作中應防止損傷和折斷光纖，連接后應對光纖進行復測。

4.4 設備主機及配電柜布局

設備主機采用無風自散熱片模式，柜子無需額外配置散熱風扇增加電量負荷，節約內部空間，縮小箱體體積。柜子內部配置聯網系統與云端服務器實時互聯進行指令互換，實現遠程操控調節；柜子內各個單元區域分工明確，統一由一個供電口供電，排線清晰簡單明了；柜體整體成型帶有密封，頂部配有防雨帽沿，側方設有防沙空氣流通孔，能有效防止陰雨潮濕天氣對電器元件的腐蝕和沙土對光信號接頭的磨損。

設備主機電源配置需求如下。

標準市電接入：給DTS 設備主機接入穩定的220 V 電源即可。

太陽能電力系統：DTS 設備需要有持續性電源供電才能做到24 h 在線監控，但往往長距離管網受地理條件的制約，一般不具備持續穩定的市電供給。隨著近些年光伏科技的進步和發展，為我們提供了很好的解決方案。一臺DTS 主機功率在10 W 左右，加上檢測柜內的其他耗電設備總功率大約在20 W 左右。一塊額定300 W 的太陽能光伏板實際功率在270 W 左右，按年平均每天有效發電4 h 計算，一天發電量為1.08 kW；一臺主機設備一天消耗電量為0.48 kW；夜間使用蓄電池供電，白天光伏板為設備供電同時為蓄電池充電，蓄電池為12 V，100 A·h。如此遇到陰、雨天等天氣也能保障其完整運行。詳細配置如表1 所示。

表1 300 W 太陽能系統配置

4.5 監測平臺展示及功能

通過4G 無線通訊把數據傳送到阿里云云服務器的管理平臺，并進行解析、組態，從而生成直觀、簡明的監控畫面及查詢檢索功能窗、管道溫度數據匯總、報警匯總、歷史曲線等界面。

可實現通過監控軟件實時監測各管道分區溫度狀態、測溫報警、高溫報警位置定位、實時曲線查詢、歷史曲線查詢等功能，實現管路泄漏第一時間進行預警，并在實景地圖中進行位置定位。全光纖熱力管道安全監測系統如圖3 所示。

5 結語

隨著科學技術的發展和市場競爭得需要，施工的質量越來越被人們所重視，在工程建設中質量是工程建設的關鍵，任何一個環節或部位出現問題，都會給整個工程帶來嚴重的后果，直接影響到工程的使用，甚至造成返工，進而造成經濟損失。工程質量的優劣直接影響到建設速度。

圖3 全光纖熱力管道安全監測系統

布線施工往往是最后的環節，無特殊情況時通常是管道補完口后的最后一道工序，往往容易受到監理或建設方的忽視，補完口后急于回填，光纜敷設質量得不到保證。土建方回填沙不能完全滿足回填的技術要求，回填手法粗暴，都會對光纜造成破壞，遭到破壞后二次開挖續接又會對整條檢測管網的質量產生影響。

規范完整、有技巧的敷設既可以提高施工效率，減少經濟成本，又可以最大限度地避免二次修復減少接頭。相關人員要不斷總結施工經驗教訓，為管網高質量的智能監控做好基礎。