專利名稱：一種光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明是一種用于準確定位管道泄漏點位置的光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位方法和系統(tǒng)，涉及機械振動的測量、沖擊的測量和管道系統(tǒng)技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
目前，世界上建成的管道總長達到250萬公里，已經(jīng)超過鐵路總里程成為世界能源主要運輸方式，發(fā)達國家和中東產(chǎn)油區(qū)的油品輸運已全部實現(xiàn)管道化。我國管道在近年也得到了較快發(fā)展，總長也超過7萬公里，已初步形成橫跨東西、縱貫南北、覆蓋全國、連通海外的能源管網(wǎng)大格局，管道運輸成為油氣等戰(zhàn)略能源的調(diào)配輸送的主要方式。管道由于跨越地域廣，受自然災害、第三方施工破壞等原因，導致了較多的管道泄漏事故發(fā)生。國外管道安全情況也非常不容樂觀，美國2010年9月9日圣布魯諾市發(fā)生天然氣管道大爆炸，爆炸在路面造成一個長51米、寬9米的大坑。一段長約8米、直徑76厘米的管道被炸上天，飛出大約30米遠，并引發(fā)大范圍火災，導致4人死亡，3人失蹤，至少52人受傷，過火面積4公頃，數(shù)十樁房屋被燒毀。近年來人們安全、環(huán)保意識顯著提升，作為高危行業(yè)的管道輸運安全問題也得到越來越多的重視。目前成熟的技術(shù)中對于天然氣管道泄漏監(jiān)測只有聲波監(jiān)測法較為有效，但為了提高對泄漏監(jiān)測的實時性和漏點定位的準確性，必須在管線上加大傳感器的布設密度，同時增加相應的供電、通信設備，造成系統(tǒng)成本以及安裝維護費用高昂。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展國外如美國CS1、ATM0S1、歐洲TER等公司開展了 SCADA泄漏監(jiān)測系統(tǒng)研究，Sensornet公司也開發(fā)了基于分布式光纖溫度傳感器的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，部分產(chǎn)品在國內(nèi)也申請了專利保護；國內(nèi)天津大學、清華大學、中國人民解放軍后勤工程學院等單位也對管道的泄漏監(jiān)測方法做了深入研究。專利CN200410020046. 6公開了一種基于干涉原理的分布式光纖油氣管道泄漏監(jiān)測方法及監(jiān)測裝置。該監(jiān)測系統(tǒng)要求在管道附近沿管道并排鋪設一根光纜，利用光纜中的光纖組成一個光纖微振動傳感器。專利CN200620119429、CN200610113044. O均為基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監(jiān)測裝置，專利CN200610072879. 6是一種基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測裝置及方法?！秱鞲衅髋c微系統(tǒng)》第26卷第7期的“基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄漏檢測方法”公開了一種基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄漏檢測裝置和方法，它是在具有一定間隔的管道本體上安裝光纖傳感器，連續(xù)實時監(jiān)測沿管道本體傳播的振動波信號，對采集的振動波信號進行分析處理，包括類型識別和振動源定位，其中類型識別為通過對振動波特征的提取分析判別其是否屬于泄漏類型，同時根據(jù)振動波傳播到相鄰幾個光纖傳感器的時間延遲結(jié)合振動波在管道本體上的傳播速度確定振動波源所在的位置，傳感器輸出的光強信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后實現(xiàn)泄漏點的位置的確定。CN1837674A公開了一種基于分布式光纖聲學傳感技術(shù)的管道泄漏檢測裝置及方法。US2006/0225507A1公開了一種基于分布式光纖傳感器的管道泄漏檢測裝置及方法。上述技術(shù)均屬于分布式光纖傳感監(jiān)測方法。但該類技術(shù)監(jiān)測泄漏時受到管道周圍所發(fā)生的干擾事件的影響，具有很高的系統(tǒng)虛警率，抗干擾能力較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種基于光纖傳感的高靈敏度準分布式靈敏度高、虛警率低、定位準確的光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位方法和系統(tǒng)。鑒于上述幾類泄漏檢測、監(jiān)測技術(shù)存在的靈敏度低、虛警率高、易受環(huán)境因素影響等問題，本發(fā)明是提供一種基于光纖傳感的高靈敏度準分布式泄漏事件監(jiān)測定位方法和系 統(tǒng)，采用高靈敏度傳感器使得可以在當管道發(fā)生微漏、滲漏等泄漏初級階段時被及時監(jiān)測至IJ，并結(jié)合泄漏事件信號傳播到相鄰幾個傳感器的時間延遲準確計算出泄漏事件發(fā)生的位置，該技術(shù)方案克服了此前監(jiān)測技術(shù)中的準確性差和安裝工藝復雜的不足，定位準確。利用與油氣管道同溝敷設的普通通信光纜中的光纖作為發(fā)射和回傳光纖，將管道泄漏光纖傳感器通過光復用技術(shù)相互并聯(lián)接在發(fā)射和回傳光纖之間，形成光回路，管道泄漏光纖傳感器布設在管道上，形成可監(jiān)測管道泄漏震動的光纖傳感系統(tǒng)。利用光源對各個管道泄漏光纖傳感器掃描，根據(jù)管道泄漏光纖傳感器的分布情況對采集的光電轉(zhuǎn)換信號解調(diào)、提取，實現(xiàn)各個管道泄漏光纖傳感器的振動信息獲取，檢測分析管道泄漏光纖傳感器信號判斷是否有管道泄漏事件發(fā)生，依據(jù)相鄰的管道泄漏光纖傳感器檢測到信號的時延差實現(xiàn)對泄漏點的定位。利用與管道同溝鋪設的光纖以及光復用技術(shù)實現(xiàn)光纖振動傳感器的信號遠距離傳輸研制的適用于天然氣管道的光纖泄漏檢測裝置，解決了電傳感器供電及遠距離通信的難題，可以較為密集地布設光纖振動傳感器，提高泄漏點的定位精度。傳感器是實現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測的關鍵，當管道發(fā)生泄漏時，泄漏激發(fā)的振動波將沿管道向泄漏點兩側(cè)傳播。在管道本體上每隔一定距離安裝一個傳感器，用來監(jiān)測管道上的泄漏振動波。傳感器采用光纖干涉儀結(jié)構(gòu)，可為光纖邁克耳遜干涉儀或者光纖馬赫曾德干涉儀作為泄漏振動波檢測傳感器，可以通過增加傳感光纖長度的方式，來增加對泄漏振動的感應靈敏度，干涉儀輸出的光強信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可以寫成V0 1+νοο8(Φ ,+ Φη+Φ0)+νη(1)其中，Vtl是輸出的電壓信號，V是干涉儀的可視度，Vn是電路附加噪聲，為由泄漏振動波引起的相差信號，即為要探測的泄漏振動波信號，Φο為干涉儀的初始相位，是個常量，φη為位相差的低頻漂移，是一個不確定量，隨溫度和外界環(huán)境影響而變化。通過與光源調(diào)制方式相匹配的解復用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)泄漏振動波信號的獲取，并對該信號到達相應的傳感器的時間延遲進行估計，結(jié)合振動波沿管道傳播的速度V實現(xiàn)了對振動波源即泄漏點位置的確定。當泄漏發(fā)生時，泄漏激發(fā)管道產(chǎn)生振動波，振動波以速度V沿管道傳播，其中兩個相鄰的傳感器間隔為設定值L，設信號傳播至傳感器η的時間為tn，傳播至傳感器η+1的時間為tn+1，信號傳播至傳感器η-l的時間為V1，傳播至傳感器η+2的時間為tn+2，有下式成立X1 =—[L-vx(tn+l-tJ]Z2 =^[VX(H+1)](2)
權(quán)利要求
1.一種光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位方法，其特征是它利用與油氣管道同溝敷設的普通通信光纜中的兩根光纖分別作為發(fā)射和回傳光纖，將管道泄漏光纖傳感器通過光復用技術(shù)并聯(lián)接在收發(fā)傳輸光纖之間，形成光回路，管道泄漏光纖傳感單元均勻布設在管道本體上，形成可監(jiān)測管道泄漏振動的光纖傳感系統(tǒng)；由光源發(fā)出激光，經(jīng)傳輸光路傳輸?shù)竭_每一個傳感器附近時，通過分束器分束后，進入安裝在管道本體上的傳感器，各傳感器拾取沿管道傳播的泄漏振動信號后，再次經(jīng)合束器進入傳輸光路傳回至系統(tǒng)的光電探測器部分，對采集的振動信號進行分析處理，獲得振動波傳播到泄漏點附近四個傳感器的時延差，結(jié)合振動波在管道本體上的傳播速度實現(xiàn)對泄漏點的定位；傳感器采用光纖干涉儀結(jié)構(gòu)，為光纖邁克耳遜干涉儀或者光纖馬赫曾德干涉儀的形式，其輸出的光強信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可以寫成 V0 1+Vcos ( Φ s+ Φ η+ Φ O) +Vn 其中，Vtl是輸出的電壓信號，V是干涉儀的可視度，Vn是電路附加噪聲，為由泄漏振動波引起的相差信號，即為要探測的泄漏振動波信號，Φ O為干涉儀的初始相位，是個常量，φη為位相差的低頻漂移，是一個不確定量，隨溫度和外界環(huán)境影響而變化； 通過與光源調(diào)制方式相匹配的解復用和解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)泄漏振動波信號的獲取，并對該信號到達相應的傳感器的時延差進行估計，結(jié)合振動波沿管道傳播的速度V實現(xiàn)對振動波源即泄漏點位置的確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位方法，其特征是當泄漏發(fā)生時，泄漏激發(fā)管道產(chǎn)生振動波，振動波以速度V沿管道傳播，其中兩個相鄰的傳感器間隔為設定值L，設信號傳播至傳感器η的時間為tn，傳播至傳感器η+1的時間為tn+1，信號傳播至傳感器η-l的時間為V1，傳播至傳感器η+2的時間為tn+2，有下式成立=^[Z_VX(U )]=-[vx(/ _1 -/ +1)] (2) =^--[vx(/ +2 -/ )] =-[L~VX(tn+2~tn-l)] 其中未知參量(tn+1_tn)、(1^-tg)、(tn+2_tn)和(U2-1^1)分別是泄漏振動波到達傳感器η和η-l、傳感器η+1和η_1、傳感器η和η+2、傳感器η_1和η+2的時延差,可以通過對對應幾個傳感器接收到的信號進行相關分析得到，這樣就形成了對同一未知量事件發(fā)生位置X的四次檢測，測量值分別為Xp X2> X3、X4，對這四次測量值取統(tǒng)計平均值，即得到最終的測量值X ;聯(lián)合連續(xù)多個傳感器接收信號時間差，相比僅采用兩個傳感器的時間差測量方式具有更為準確的定位效果。
3.一種用于權(quán)利要求1所述方法的一種光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位系統(tǒng)，其特征是它包括有光源、傳輸光路部分、光纖傳感器、光電探測器、信號采集與處理模塊；在管道本體上每隔一定距離安裝一個光纖傳感器，多個光纖傳感器構(gòu)成一個光纖傳感器組，各傳感器通過傳輸光路連接到光源和光電探測器，光電探測器輸出依次串接信號采集與處理模塊中的信號調(diào)理單元、信號采集單元和處理單元；處理單元輸出有顯示終端和外部接口 ；信號采集與處理模塊輸出通過外部接口接微機； 處理單元對采集單元采集的信號進行解復用和解調(diào)獲得原始振動波信號，然后在識別電路和定位電路中分別進行泄漏信號的識別和泄漏點的定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位系統(tǒng)，其特征是所述信號采集與處理模塊包括信號調(diào)理單元、信號采集單元、處理單元、終端顯示和外部接口 ；接光電探測器輸出的信號調(diào)理單元輸出依次串接信號采集單元和處理單元，處理單元輸出有終端顯示和外部接口 ；所述處理單元包括泄漏信號識別電路和定位電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位系統(tǒng)，其特征是所述調(diào)理單元主要由運算放大器U14、光電二級管U15組成；U15的1、5、8端懸空，3、4端接地，2端經(jīng)電阻R39、電容C60 二者并聯(lián)后接6端，6端經(jīng)電阻R43接U14的3端，7端接U14的8端；U14的4端接地，5端懸空，6、7端共接AD_VINI，I端接AD_OUT 口，2端經(jīng)電阻R42接地，1、2端之間接電阻R40、電容C59 二者的并聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位系統(tǒng)，其特征是所述處理單元中的泄漏信號識別電路主要由數(shù)字信號處理器UlB及外圍電路組成，UlB的NC1-NC15管腳懸空；AVDD、AGND為模擬電源輸入，AVDD通過磁珠FERl接1. 3V電源，并在AVDD和AGND間并聯(lián)3個電容C22、C23、C24進行去耦濾波；DAI1、DAI3、DAI4分別與定位電路數(shù)字信號處理器UlO的DROPR1、RSCLKO、RFSO連接用于數(shù)據(jù)的傳輸；DAI9_DAI20為擴展接口 ；DPI9、DPI10接外部接口電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位系統(tǒng)，其特征是所述處理單元內(nèi)的定位電路主要由數(shù)字信號處理器Uio及外圍電路和接口組成，UlO的DROPR1、RSCLKO, RFSO分別與識別電路數(shù)字信號處理器UlB的DAI1、DAI3、DAI4連接用于接收數(shù)據(jù)，RX> TX、MOS1、MISO、SCK 接顯示終端接口，TCK、TDO、TD1、TMS、TRST#、EMU#為調(diào)試接口。
全文摘要
本發(fā)明是一種光纖傳感天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏點定位方法和系統(tǒng)。它將管道泄漏光纖傳感器通過光復用技術(shù)并聯(lián)接在收發(fā)傳輸光纖之間，形成光回路，管道泄漏光纖傳感器均勻布設在管道本體上；由光源發(fā)出激光，經(jīng)傳輸光路傳輸?shù)竭_每一個傳感器附近時，通過分束器分束后，進入安裝在管道本體上的傳感器，各傳感器拾取沿管道傳播的泄漏振動信號后，再次經(jīng)合束器進入傳輸光路傳回至系統(tǒng)的光電探測器部分，對采集的振動信號進行分析處理，獲得振動波傳播到泄漏點附近四個傳感器的時延差，結(jié)合振動波在管道本體上的傳播速度實現(xiàn)對泄漏點的定位。本方法可以監(jiān)測突發(fā)或已發(fā)泄漏信號，具有定位準確性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。
文檔編號F17D5/02GK102997055SQ201110272440
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者張金權(quán), 王小軍, 焦書浩, 曹國瑞, 李 東, 侯志相, 王飛, 劉素杰, 王贏, 趙鋒 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣管道局