基于光纖分布式測(cè)溫的熱力管道泄漏定位系統(tǒng)

李碩，侯墨語(yǔ)，趙小芬，王佳敏，于滋堃，王紀(jì)強(qiáng)*

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014； 2.濟(jì)寧四和供熱有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

集中供暖是我國(guó)北方地區(qū)冬季取暖的主要方式，近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，供熱管網(wǎng)規(guī)模不斷增大，截至2020年底全國(guó)管道長(zhǎng)度已達(dá)507 348 km[1]。但隨著熱網(wǎng)使用年數(shù)逐漸增長(zhǎng)，管道建設(shè)質(zhì)量低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重以及管道壽命短等突出問(wèn)題逐步暴露，熱力管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生，給熱網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)極大的危害，為熱力管道安裝泄漏監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)泄漏隱患并排除，可以有效降低管道運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，減少能量損失，提高管道使用壽命[2-4]。我國(guó)現(xiàn)行供熱管道大都未裝備泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基本靠人工通過(guò)相關(guān)儀、聽(tīng)音桿、超聲波檢測(cè)儀等巡檢方式查找泄漏點(diǎn)，準(zhǔn)確度不高，定位精度差，而且無(wú)法實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。近年來(lái)，各供熱企業(yè)試用了電阻法、阻抗法、紅外成像法等新技術(shù)，也不同程度存在抗干擾能力差、現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜、無(wú)法全天候監(jiān)測(cè)等弊端[5-6]。

本文根據(jù)光纖分布式測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)、定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)，研發(fā)了一套長(zhǎng)距離熱力管道泄漏定位系統(tǒng)，可以很好地克服上述方法的不足。該系統(tǒng)無(wú)中繼，監(jiān)測(cè)距離可達(dá)20 km，可實(shí)現(xiàn)2 m的定位精度，遠(yuǎn)優(yōu)于電阻法和阻抗法，同時(shí)該系統(tǒng)只對(duì)溫度敏感，不存在地下水滲水進(jìn)管道保溫層造成的誤報(bào)。另外該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)24 h全天候、全線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，具有分布式測(cè)量、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)熱力管道的全方位監(jiān)測(cè)和泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，為熱力管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)提供了有力的管網(wǎng)基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐。

1 泄漏定位原理

光在光纖中傳播時(shí)與光纖介質(zhì)發(fā)生作用，由于光纖介質(zhì)的不均勻性，光會(huì)向四面八方發(fā)生散射，包括拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射，其中拉曼散射為非彈性散射，入射光與光纖分子發(fā)生熱振動(dòng)產(chǎn)生頻率比入射光低的拉曼斯托克斯光和頻率比入射光高的拉曼反斯托克斯光[7-8]。反斯托克斯光對(duì)溫度極為敏感，且只與溫度有關(guān)，在分布式光纖測(cè)溫中應(yīng)用極為廣泛[9-11]。鑒于單路反斯托克斯光解調(diào)在實(shí)際應(yīng)用中極不穩(wěn)定，采用反斯托克斯光與斯托克斯光的雙路解調(diào)法，可消除光源功率波動(dòng)影響和降低光纖彎曲引起的信號(hào)損失影響[12]。對(duì)所采集的反斯托克斯光與斯托克斯光可以運(yùn)用公式(1)解調(diào)出光纖沿線所處環(huán)境的溫度。

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(1)

其中T為測(cè)量溫度，T0為參考溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，Δν為拉曼頻移量，Pas(T)為光纖溫度為T時(shí)的反斯托克斯光功率，Ps(T)為光纖溫度為T時(shí)的斯托克斯光功率。

圖1 光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram presenting the structure of distributed optical-fiber temperature-measurement system

基于光纖分布式測(cè)溫的熱力管道泄漏定位系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的光纖沿線溫度曲線判斷管道的泄漏并對(duì)泄漏位置進(jìn)行定位。熱力管道泄漏時(shí)，熱水會(huì)透過(guò)鋼管和保溫層滲透到周圍土壤，導(dǎo)致管道附近產(chǎn)生局部熱異常[13]，測(cè)溫曲線會(huì)在泄漏點(diǎn)位置出現(xiàn)高溫異常點(diǎn)，如圖1所示，通過(guò)監(jiān)測(cè)熱力管道溫度分布即可檢測(cè)和定位管道泄漏情況。

分布式光纖測(cè)溫結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)脈沖觸發(fā)驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生一束中心波長(zhǎng)為1 550 nm，脈沖寬度為6 ns，重復(fù)頻率5 kHz的脈沖激光，該脈沖光通過(guò)波分復(fù)用器注入傳感光纖，工程應(yīng)用中采用多層鎧裝方式制成加強(qiáng)型光纜降低土壤回填對(duì)光纖內(nèi)信號(hào)的干擾，脈沖光在光纖內(nèi)發(fā)生散射產(chǎn)生背向散射光并輸入到波分復(fù)用器，波分復(fù)用器濾出中心波長(zhǎng)為1 650 nm的斯托克斯光和1 450 nm的反斯托克斯光傳入雪崩光電二極管(avalanche photo diode，APD)，APD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并放大，通過(guò)250 MPS數(shù)據(jù)采集卡采集兩路信號(hào)傳入上位機(jī)進(jìn)行溫度解調(diào)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于光纖分布式測(cè)溫的泄漏定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道溫度和管道泄漏定位的大范圍高精度檢測(cè)，其中定位精度取決于分布式光纖系統(tǒng)的空間分辨率，為了驗(yàn)證該泄漏定位系統(tǒng)的測(cè)溫精度和定位精度的準(zhǔn)確性，我們使用一段12 km傳感光纖檢測(cè)該系統(tǒng)測(cè)溫精度和空間分辨率。實(shí)驗(yàn)中恒溫槽使用RTX3015智能恒溫槽，使用的溫度傳感器為testo735溫度測(cè)量?jī)x搭配量程為-40～300 ℃，測(cè)量精度0.05 ℃的刺入式探頭Pt100溫度傳感器。

2.1 測(cè)溫精度測(cè)試

溫度精度反應(yīng)了測(cè)量溫度與真實(shí)溫度的誤差[14]。溫度精度與系統(tǒng)信號(hào)信噪比和參考溫度的選取有關(guān)，隨著傳感距離增加信噪比會(huì)不斷降低，因此光纖一處的溫度精度并不能代表整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，為了準(zhǔn)確地測(cè)量系統(tǒng)的溫度精度，在傳感光纖上取兩段測(cè)試光纖，其長(zhǎng)度均為10 m，分別對(duì)應(yīng)測(cè)溫光纖的3.680、9.765 km處，將兩段測(cè)試光纖線圈放置在智能恒溫水槽并依次設(shè)置溫度為10、30、50、70、90 ℃，其余光纖放置在接有常溫水的水箱里使其溫度均勻作為參考。Pt100溫度傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)智能恒溫水槽和常溫水槽真實(shí)溫度。

圖2 溫度測(cè)量結(jié)果和誤差Fig.2 Temperature-measurement results and accuracy

從圖2可以看出，3.680、9.765 km處在10～90 ℃測(cè)試范圍內(nèi)平均溫度誤差分別在0.8、0.4 ℃范圍內(nèi)，在10 km傳感距離內(nèi)溫度精度在1 ℃以內(nèi)，表明了系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，保證了熱力管道大范圍溫度檢測(cè)的高準(zhǔn)確性指標(biāo)，可準(zhǔn)確地測(cè)量熱力管道沿線的溫度場(chǎng)。

2.2 空間分辨率測(cè)試

空間分辨率為系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量溫度所需的最小光纖長(zhǎng)度[15]，其不僅影響了定位精度也影響了對(duì)管道微小泄漏的識(shí)別，測(cè)試中一般用溫度曲線上升沿或下降沿的10%～90%對(duì)應(yīng)的光纖長(zhǎng)度來(lái)表示[16-17]。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)在12 km傳感距離下的空間分辨率，將12 km光纖放入接有常溫水的水箱使其處在溫度均勻的環(huán)境中，在3.680、9.765 km處各取10 m光纖線圈放入智能恒溫水槽加熱到50 ℃，待恒溫水槽溫度穩(wěn)定后溫度曲線會(huì)在10 m測(cè)試光纖處產(chǎn)生梯形變化。

測(cè)試結(jié)果如圖3所示，分別取3.680 km和9.765 km處溫度曲線上升沿和下降沿10%～90%光纖長(zhǎng)度的平均值作為系統(tǒng)空間分辨率測(cè)試值，即1.42 m和1.49 m。光纖前端空間分辨率優(yōu)于后端，這是由于光的色散導(dǎo)致脈沖展寬增加所致，系統(tǒng)整體空間分辨率優(yōu)于2 m，可實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離熱力管道泄漏的準(zhǔn)確定位。

圖3 系統(tǒng)空間分辨率測(cè)試Fig.3 Spatial resolution of system

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

如圖4所示，測(cè)溫光纜放置在供水管和回水管中間，相比于纏繞式鋪設(shè)[6]，同步鋪設(shè)能極大地增加測(cè)溫距離和減少成本。圖5所示為2021年11月時(shí)檢測(cè)到的一處泄漏點(diǎn)，由于管道內(nèi)水溫明顯高于管道周圍溫度，管道泄漏后，由于泄漏水的不斷擴(kuò)散，靠近泄漏點(diǎn)的光纜最先出現(xiàn)一個(gè)高溫點(diǎn)，隨后在該高溫點(diǎn)附近也會(huì)產(chǎn)生多個(gè)高于往日溫度的點(diǎn)，整體測(cè)溫曲線符合三角形或梯形分布[18]，曲線高低起伏明顯是由于系統(tǒng)高空間分辨率和管道附近土壤溫度不均勻造成，這樣也證明了該系統(tǒng)具有高溫度精度、高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 光纖鋪設(shè)位置Fig.4 Fiber-laying position

圖5 泄漏點(diǎn)的測(cè)溫曲線Fig.5 Temperature-measurement curve of the leakage point

如圖6所示為該系統(tǒng)2021年1月11日在濟(jì)寧運(yùn)河電廠熱力管道的測(cè)溫界面，圖中①處低溫點(diǎn)為桁架施工導(dǎo)致，②處和④處管道途徑地表水，③處和⑥處為頂管施工，熱力管道途徑公路和地表水等地段時(shí)，為了穩(wěn)定土層和保護(hù)環(huán)境，需要將光纜貼在管道上方并涂上水泥包裹，借助頂進(jìn)設(shè)備頂入土層，頂管施工會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一段均勻的高溫曲線，③處頂管途徑地表水，溫度明顯低于⑥，⑤處大面積的低溫點(diǎn)為管道途徑淤泥地導(dǎo)致，可以看出該系統(tǒng)能精準(zhǔn)地測(cè)得管道周圍溫度并且能反應(yīng)出熱力管道周圍所處的環(huán)境。

圖6 管道溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Fig.6 Pipe temperature monitoring in real time

4 結(jié)語(yǔ)

研發(fā)了一套基于光纖分布式測(cè)溫的長(zhǎng)距離熱力管道泄漏定位系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)±1 ℃的測(cè)量精度，空間分辨率優(yōu)于2 m。2020年該系統(tǒng)在濟(jì)寧某熱源置換工程一段15 km熱力管道成功應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)管道運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確定位異常或疑似泄漏點(diǎn)位置。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行一年多來(lái)，為熱力管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)提供了大量管網(wǎng)基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，極大提升了管道智能化水平，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。