分布式光纤泄漏检测与安全预警系统在天然气管道中的应用.pdf
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1、Sept,20232023年9 月AUTOMATIONINPETRO-CINDUSTRY石自Vol.59,No.5动第59 卷油第5期化化分布式光纤泄漏检测与安全预警系统在天然气管道中的应用李波(中石化石油工程设计有限公司成都分公司,四川成都6 10 0 91)摘要:及时发现高含硫天然气管道泄漏并迅速定位,可降低运行时潜在的威胁。分析目前常用天然气管道泄漏检测方法的优缺点,对比光纤泄漏检测方法,提出了基于分布式光纤声波传感检测技术(DAS)的泄漏检测与安全预警系统。介绍了该系统的结构组成、模式识别、现场测试等。经过现场应用表明:该系统反应灵敏可迅速采集信号进行报警,实现了高含硫天然气管道全面、
2、实时的安全防护,提高了泄漏处置效率。关键词:泄漏检测;安全预警;分布式光纤声波传感检测技术;高含硫天然气管道中图分类号:TE88文献标志码:B文章编号:10 0 7-7 32 42 0 2 3)0 5-0 0 6 0-0 4Application of Distributed Optical Fiber Leakage Detection and Safety Pre-warningSystem in Natural Gas PipelineLi Bo(Sinopec Petroleum Engineering Corporation,Chengdu Branch,Chengdu,610091
3、,China)Abstracts:To find timely and locate quickly the leaking of natural gas pipelines with high-sulfur contents is possible to reduce the potential threats during the operation.The advantagesand disadvantages of commonly used natural gas pipeline leaking detection methods areanalyzed.Comparing wit
4、h fiber optic leak detection methods,a leaking detection and safetypre-warning system based on distributed optical fiber acoustic sensing(DAS)is proposed.Thestructure composition,pattern recognition,on-site testing,etc.of the system are introduced.After on-site application,it has been shown that the
5、 system is sensitive and can collect signals foralarm quickly.Comprehensive and real-time safety protection for natural gas pipelines with high-sulfur contents are realized.The efficiency of leakage disposal is improved.Key words:leakage detection;safety pre-warning;distributed optical fiber acousti
6、c sensingdetection technology;high-sulfur content natural gas pipelines高含硫天然气管道输送的天然气中硫化氢和二氧化碳含量较高,致使管道存在氢致开裂、硫化物应力开裂、电化学腐蚀等风险 1-2 。随着近年高含硫气田的规模性开发,高含硫天然气管道成为风险集中的地方,一旦发生管道泄漏,会对周边环境以及人员安全带来极大的威胁。因此,对高含硫天然气管道运行进行实时监控预警以减少潜在威胁,全面及时地发现泄漏并迅速实现定位,选择合适的泄漏检测与安全预警系统尤为重要。1泄漏检测常用方法根据工作原理的不同,常用的管道泄漏检测方法有负压波法、质
7、量或体积平衡法、声波法、光纤法等。1.1负压波法如果管道的某个位置发生了泄漏,便会在管道内外形成一定的压差,管道内部流体会迅速流出,在泄漏点位置引起压力突降。泄漏点周围的气体在压差的作用下会向泄漏点流动,形成一个以泄漏点为中心的压力波动,即负压波。负压波以一定的速度向泄漏点的两端传播,利用安装在管道两端的压力传感器检测压力波动的信号,根据两端传感器接收到负压波的时间差就可以定位泄漏点负压波法的优点是可以迅速检测出大的泄漏点,缺点是对于比较小的泄漏点效果不佳。负压稿件收到日期:2 0 2 3-0 4-0 3,修改稿收到日期:2 0 2 3-0 7-14。作者简介:李波(198 2 一),男,四川
8、都江堰人,2 0 0 8 年毕业于西南石油大学精密仪器及机械专业,获工学硕士学位,现就职于中石化石油工程设计有限公司成都分公司,从事油气田及管道工程仪表及自动化系统的设计及研究工作,任高级工程师。61李波.分布式光纤泄漏检测与安全预警系统在天然气管道中的应用第5期波法在液体管道应用较多,由于气体的可压缩性,所以在气体管道上的应用受到限制。1.2质量或体积平衡法根据质量或体积平衡原理,管道内介质在进出口处的流量相等,如果流量不相等说明发生了泄漏,该检测方法即质量或体积平衡法。在应用质量或体积平衡法进行泄漏检测时,由于管存容积随时间变化的不确定度范围难以估计,且检测的精确度依赖于现场仪表的测量精度
9、,所以难以达到预期效果。该方法无法直接进行泄漏点的定位,需要与压力波法等配合使用,判断及识别泄漏则需要比对分析大量数据,所以该方法响应时间较长。1.3声波法管道被破坏或是发生泄漏时将产生次声波信号,且沿着流体向上游和下游传播,安装在管道两端的声波传感器不断地将接收到的信号传送到现场数据采集处理器判断是否发生泄漏并定位。声波法的优点是可实现泄漏事件识别、泄漏点定位等功能。该方法的缺点在于声波探测器安装在管道两端,泄漏产生的声波信号经长距离传播衰减严重,容易被背景噪声淹没,小的泄漏信号可能淹没在背景噪音中无法识别。1.4光纤法通过光源发射一连串的脉冲光信号到传感光纤内,脉冲光会在传感光纤中产生背向
10、散射光,而外界物理量的变化能够影响背向散射光的特性。根据光散射理论,当光在光纤中传输时,主要产生三种散射,即瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射,通过对这些散射信号进行解调可以还原出外部振动、温度和声音等特征,其定位基本原理是基于光的时域反射理论。近年来,随着分布式光纤传感技术逐步成熟,可利用管道伴行光缆,在不另外加载传感器的同时,进行管道泄漏及第三方入侵行为连续不间断监测。提醒操作人员快速处理,减少事故发生,进一步提高管道的抗风险能力由以上分析可知,负压波法不适用于气体输送管道;质量或体积平衡法检测灵敏度低,响应时间长,也不适用气体输送管道 3;光纤法和声波法适用于气体输送管道,且都在高含硫天然气
11、管道上有成功应用 4,但声波法噪声影响大,且没有预警功能,综合各项指标对比,光纤法更具优势。2光纤泄漏检测方法探讨2.1光纤泄漏检测方法比较基于瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射原理的管道光纤泄漏检测技术目前有:分布式光纤温度传感检测技术(DTS)、分布式光纤温度和应力变化传感检测技术(DTSS)、分布式光纤振动传感检测技术(DVS)和分布式光纤声波传感检测技术(DAS)2.1.1DTS技术特性DTS技术基于拉曼散射效应,根据管道中输送的物质泄漏会引起周围环境温度的变化,利用分布式光纤温度传感器连续测量沿管道的温度分布,当管道的温度变化超过一定的范围,就可以判断发生了泄漏。该技术主要通过一定时间的
12、数据累积来测定温度,能实时反映温度的变化趋势,误报率较低。但是对小的温度变化趋势不够敏感,不适合高瞬态事件捕捉,监测物理量较为单一,对振动、应力不敏感光纤与管道的间距及泄漏点的方位将直接影响检测效果。最理想的布置是在管道的上下左右方向各敷设1条光缆,或者沿着管道缠绕1圈光缆,这样不论管道的哪个方位出现泄漏,都会有较好的检测效果和较快的响应时间,但敷设4条光缆成本高,实施难度大。另外,高含硫天然气管道多数设置了防腐保温层,同沟敷设的光缆还穿硅芯管保护,防腐保温层和硅芯管均影响光纤对温度的敏感性,要实现泄漏检测比较困难。而且DTS技术只能用于事后泄漏检测,无法进行预报警,如不在同一侧泄漏,感温光缆
13、要有较长的时间延迟才能报警,而高含硫天然气管道泄漏要求准确和迅速报警以防止事故扩大,所以该技术无法满足高含硫天然气管道的泄漏检测2.1.2DTSS技术特性DTSS技术基于布里渊散射效应,对温度、应力敏感,能探测出沿着光纤不同位置的温度和应力变化,可以同时监测温度和应力变化。但该技术检测地质灾害引起的应力变化时,光缆宜紧贴管壁敷设,光缆穿硅芯管会影响温度和应力变化检测,同DTS技术类似,用于高含硫天然气管道存在局限性。该技术一般用于大坝结构、桥梁铁路结构、架空电缆、海底电缆等的温度和应力监测,油气管道泄漏监测应用较少2.1.3DVS技术特性DVS技术基于瑞利散射效应,主要利用后向瑞利散射的脉冲干
14、涉图样定性表征光纤沿线振动信息。也有基于其他原理的探测方式,均是基于对振动的探测该技术能实现第三方入侵预警,但采样频率及数据处理量较少,适用于单点追踪,不能很好地62第59 卷石油化工自动化监测同时发生的多事件,存在误报和漏报的情况。而且管道泄漏产生的振动较小,难以捕捉信号,不适用于管道泄漏监测,一般用于管道预警。2.1.4DAS技术特性DAS技术是在DVS技术的基础上进一步发展起来的,都是采用瑞利散射效应,重点关注高瞬态事件的捕捉以及对事件特征的分析。通过解调瑞利光波的相位信息,利用差分相位与声波的线性关系,定量化重建外界声音信息。其采样速率及信噪比较高,能完整还原出声音信号的波形,通过模式
15、识别判断事件类型。该技术能实现第三方入侵报警和泄漏检测报警及定位,同时还可以实现声音还原,由操作员辅助进行事件判别。该技术的应用,大幅提升了第三方人侵的探测性能,不但能探测出入侵事件,而且还能探测出事件类型,适用于高含硫天然气管道的泄漏检测2.2DAS检测原理基于光纤内部后向瑞利散射反映待测物理量变化情况的DAS技术,根据外界声波变化和散射信号的相位变化,在配合恰当的信号解调和信号识别算法的条件下,能够对外界声场包括频率、相位、振幅等的完整信息实时重建 5工程应用中,基于DAS的分布式光纤泄漏检测与安全预警系统采用单芯普通单模通信光缆作为传感器,利用光纤对声波的敏感特性,当外界扰动作用于传感光
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