曾科宏 李剛 邸小彪

中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司

 

摘要：介紹一種基于Ф-OTDR分布式光纖傳感的管道預警系統，利用同溝敷設的光纜作為分布式振動(dòng)傳感器，連續實(shí)時(shí)檢測管道周?chē)�的振�?dòng)信號進(jìn)行提前預警與定位。通過(guò)長(cháng)輸油氣管道測試與應用效果展示，系統具有較高的靈敏度、定位精度和有效預警準確率，據此可構建“技防+人防”管道安全防護體系。

關(guān)鍵詞：Ф-OTDR；分布式振動(dòng)傳感器；管道光纖預警；定位精度；有效預警準確率

 

針對管道安全監測需求，采用基于相位敏感光時(shí)域反射計（Ф-OTDR）的分布式管道光纖預警系統，利用與管道同溝敷設光纜中的一根光纖作為分布式振動(dòng)傳感器，連續實(shí)時(shí)對管道周?chē)�的土壤振�?dòng)事件（第三方施工、人為破壞、打孔盜油、自然災害、穿越鉆探等）進(jìn)行監測并提前預警與定位，以防止破壞事件發(fā)生。目前系統已經(jīng)在長(cháng)輸油氣管道、城市燃氣等行業(yè)應用。本文通過(guò)統計分析北京天然氣管道陜京二線(xiàn)實(shí)際應用情況，介紹系統性能及應用建議。

1  檢測原理

分布式光纖振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)拾取管道沿線(xiàn)預警范圍內的土壤振動(dòng)信號，通過(guò)信號識別分析判斷是否發(fā)生威脅管道或光纜安全的事件。系統檢測原理如圖 1所示。

圖 1 Φ-OTDR系統原理

基于Ф-OTDR 的分布式光纖傳感器利用光纖對振動(dòng)敏感的特性[1-2]，當外界振動(dòng)作用于傳感光纖時(shí)，光纖的折射率、長(cháng)度將產(chǎn)生微小變化，從而導致光纖內傳輸信號的相位變化，使得光信號強度（光強）發(fā)生改變。通過(guò)檢測振動(dòng)前后的光信號強度變化（差分信號），即可實(shí)現振動(dòng)事件的檢測，可同時(shí)并行檢測多振動(dòng)事件并精確定位。

2  光纖預警系統功能

管道光纖預警系統主要由安裝在各閥室和站場(chǎng)的預警單元FU、安裝在有人值守的分輸站/調度中心的預警管理終端FST、區域管理終端、拉曼放大模塊、傳感光纖和光纖網(wǎng)絡(luò )組成，借助現有光傳輸系統實(shí)現預警單元、預警管理終端、區域管理終端之間的信號及數據傳輸，在預警管理終端和區域管理終端還可實(shí)現多臺預警單元的集中統一監控和管理，實(shí)現全程全控。

2.1  硬件系統及功能

系統硬件預警單元FU主要由電源模塊、光傳感模塊、采集處理模塊、管理模塊、監控交換模塊、拉曼放大模塊等組成。電源模塊為預警單元設備整體運行提供穩定有效的電源，電源的工作狀況由其監控模塊實(shí)時(shí)監控并將數據反饋到管理模塊。

監控交換模塊接收信號處理模塊和管理模塊發(fā)出的報警數據和模塊狀態(tài)數據，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據發(fā)送給預警管理終端，實(shí)現預警單元數據的集中管理和監控。

光傳感模塊是整個(gè)系統的核心模塊，為傳感系統提供穩定的光脈沖信號，將傳感光纖返回的光干涉信號轉換為電信號，并進(jìn)行信號預處理和信號放大。

采集處理模塊對檢測的信號進(jìn)行處理分析，判斷信號類(lèi)型是否來(lái)自威脅事件，并對振動(dòng)事件進(jìn)行檢測和定位。

管理模塊負責協(xié)調和控制各模塊的工作，通過(guò)設定下發(fā)工作參數，控制工作順序，使各模塊協(xié)調工作；接收信號處理模塊輸出的數據信號, 根據報警算法來(lái)確定管道破壞事件的級別、定位、能量等。管理模塊還實(shí)現各功能模塊的控制、參數設置、報警生成和顯示、數據上傳等功能。

拉曼放大模塊為傳感光纖提供泵浦光，實(shí)現光脈沖信號的有效放大，提高系統監測距離。

2.2  軟件系統及功能

權限管理：根據用戶(hù)權限設置不同管理內容。

告警管理：根據預警事件級別實(shí)現分級控制與管理；采用GIS地圖將線(xiàn)路信息、預警系統信息、維護管理信息等集中直觀(guān)顯示與管理；采用二維圖與告警表格多形式多維度顯示告警信息。

系統分析：結合光時(shí)域信號特征、地理環(huán)境等，對事件類(lèi)型進(jìn)行分析與有效識別；與高后果高風(fēng)險智能視頻監控系統實(shí)現聯(lián)動(dòng)。

歷史告警管理：記錄存儲預警和事件，根據需要轉儲、備份及設置存儲周期；對事件進(jìn)行告警時(shí)間回放、查詢(xún)等。

線(xiàn)路標定：結合光纜與管道地理距離的差異性，實(shí)現以管道（陰保樁、轉角樁、穿越樁等）標志樁數據實(shí)現線(xiàn)路標定功能。

遠程維護：遠程對預警單元進(jìn)行參數配置、程序下發(fā)以及故障診斷。

3  光纖預警系統應用

3.1  陜京二線(xiàn)應用案例

陜京二線(xiàn)安平至33#閥室管道總長(cháng)約55公里，光纜長(cháng)60公里。管道經(jīng)過(guò)地區地貌單元以平原為主，管道穿越與并行公路多處，地形環(huán)境復雜，施工事件多，主要施工風(fēng)險源為麻山藥種植及挖掘。

該應用段配置1套預警單元、1套預警管理終端和1套拉曼放大模塊，實(shí)現60公里試點(diǎn)段24小時(shí)連續實(shí)時(shí)監控（圖 2）。

圖 2 光纖預警系統配置示意圖

3.2  預警數據統計分析

系統發(fā)布預警信息，相關(guān)人員對預警事件進(jìn)行現場(chǎng)復核及準確性反饋，對預警數據進(jìn)行審核確認。

（1）預警事件統計。經(jīng)統計，2019年11月至2020年11月現場(chǎng)日均有效預警條數為8.89條，有效預警準確率為94.56%。結合12個(gè)月的運行數據分析，預警條數和有效預警準確率與現場(chǎng)施工數量及季節性有關(guān)。與同期數據對比，日預警條數由2019年11月19.33條降至 2020年11月4.7條，預警事件條數降低75.68%，有效預警準確率從92.07%提高至97.92%。

（2）預警事件類(lèi)型統計�，F場(chǎng)預警事件和類(lèi)型統計如表 1 所示。

表 1 2019-11至2020-11預警事件類(lèi)型統計表

通過(guò)事件復核及現場(chǎng)反饋，全年共發(fā)現預警事件494次，其中主要為機械施工占比72.67%（圖 3），人工挖掘施工占比19.01%。表明預警能夠對機械事件和人工深層次挖掘、持續性挖掘及作業(yè)計劃事件進(jìn)行準確預警與定位。

圖 3 機械挖掘事件系統報警與現場(chǎng)復核示例

3.3  典型事件

2020年10月25日，預警系統持續發(fā)出告警并及時(shí)推送預警短信，收到短信的巡線(xiàn)員與預警人員赴預警位置現場(chǎng)，發(fā)現在管道標志樁K721+0.39 km、距離管道20 m處有挖掘機施工，經(jīng)核實(shí)為當地人員正在機械挖掘麻山藥。針對管道周邊頻繁的機械挖掘麻山藥事件，通過(guò)系統持續采集現場(chǎng)事件數據，對麻山藥區域實(shí)施風(fēng)險等級升級管理，實(shí)現重點(diǎn)監控與管控，預警并復核確認機械和人工挖山藥事件達68處。

3.4  應用建議

（1）分公司和作業(yè)區采取“背靠背”方式對預警事件及準確性進(jìn)行共同審核確認，對重點(diǎn)風(fēng)險源和機械作業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)管控。

（2)預警信息通過(guò)短信平臺分級發(fā)送，實(shí)現不同層級管控，避免信息不對稱(chēng)現象。

（3）將已收集的第三方施工信息與預警信息進(jìn)行橫向對比，驗證系統的各項性能指標及運行狀況。

（4）結合線(xiàn)路環(huán)境及施工點(diǎn)情況，分別設置新告警點(diǎn)、常告警點(diǎn)和受控點(diǎn)，實(shí)現不同類(lèi)型預警事件分類(lèi)管理。

4  結語(yǔ)

實(shí)際應用結果表明，光纖預警系統在光纜正常埋深（1.2 m）時(shí)檢測靈敏度較高，可以有效檢測到管道周邊25 m范圍內的機械振動(dòng)和2 m范圍內的人工挖掘事件，地表定位精度達到±50 m，最大響應時(shí)間不超過(guò)1，同時(shí)并行檢測多起振動(dòng)事件相互不受干擾。但系統在振動(dòng)事件識別、事件威脅度等級判斷、農耕事件篩選識別等方面仍需提升與完善，以增強在復雜環(huán)境下的適應性，發(fā)揮有效的監測和預警作用。

 

參考文獻：

[1]鐘翔，趙世松，鄧華夏，等.基于脈沖調制的Ф-OTDR研究綜述[J]. 紅外與激光工程，2020(10)：193-202.

[2]張智娟.郭文翰.基于Ф-OTDR的光纖傳感技術(shù)原理及其應用現狀[J].計算機工程與設計，2019(01)：12-19.

 

作者簡(jiǎn)介：曾科宏，1978年生，高級工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），主要從事光纖傳感及管道安全監測技術(shù)研究。聯(lián)系方式：0316-2075866，tx_zengkeh@cnpc.com.cn。