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行準確定位，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確測量的最小單元

。在對天然氣管道進行泄漏監(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 改進的泄漏監(jiān)測方案及試驗測試方案

2.1 改進的泄漏監(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，所以F

和F

監(jiān)測到了泄漏。由此可以看出，當光纖位置一旦確定，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備工作等。嚴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，要及時對其進行修補，假使為導(dǎo)線損傷特別嚴重，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。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，利用光纖米標進行位置標記，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)化和泄漏氣體擴散模型的建立等方面。

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