1 概述

管道是油氣輸送的主要方式，具有運量大、不受氣候和地面其他(tā)因素限制、可(kě)連續作(zuò)業以及成本低等優點，油氣管道也被稱為(wèi)“能(néng)源血脈”。随着我國(guó)能(néng)源工業的發展，尤其是石油、天然氣消費速度的增長(cháng)，管道工程建設迅猛發展，管道輸送也成為(wèi)第五大運輸業。我國(guó)現有70%的石油和99%的天然氣是通過管道運輸的，長(cháng)輸幹線(xiàn)管道已經達到8萬公裏，海上油氣管道近5千公裏。随着中亞諸國(guó)和俄羅斯、緬甸、卡塔爾、伊朗、澳大利亞等境外油氣資源的落實，未來幾年将集中建設一批跨國(guó)管道，到“十二五”規劃期末全國(guó)長(cháng)輸油氣管道總裏程将超過10萬公裏。

油氣管道距離長(cháng)、且多(duō)埋藏于地下，地質(zhì)環境複雜；并且在用(yòng)油氣管道中有相當部分(fēn)服役時間超過20年，東部部分(fēn)管網甚至超過30年，已步入事故高發期。油氣管道長(cháng)期服役後會因腐蝕、地形沉降、管材及施工質(zhì)量、機械施工及人為(wèi)破壞等原因發生失效事故，特别是近些年因惡意打孔盜油（氣）和非法施工造成的管道安(ān)全事故常有發生；另外，如地質(zhì)塌陷、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害所造成的安(ān)全事故亦時有報道。

近年來，随着我國(guó)長(cháng)輸管道的迅猛發展，因打孔盜油、非法施工等第三方破壞事件，以及如地質(zhì)塌陷、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害所造成的安(ān)全事故時有發生，石油和天然氣本身的性質(zhì)決定了它們一旦被破壞，不僅會造成資源損失和環境污染，甚至會産生火災、爆炸，産生巨大的經濟損失，更會破壞周圍環境和周邊人身安(ān)全。為(wèi)此急需采用(yòng)高科(kē)技(jì )的手段，及時、準确地測出管道安(ān)全狀态變化，實現對輸油管道進行實時在線(xiàn)監測尤顯重要。保護油氣管道安(ān)全絕不僅僅是保護管道企業的利益，更重要的，它保障的是廣大人民(mín)群衆的正常生活和公共安(ān)全，保障的是國(guó)家的經濟安(ān)全和社會穩定，維護管道安(ān)全任重道遠(yuǎn)。

2 目前現狀

管道在國(guó)民(mín)經濟中的地位越重要管道的安(ān)全運行越受重視。對管道洩漏檢測方法的研究已有幾十年的曆史，但由于檢測的複雜性如管道輸送介質(zhì)的多(duō)樣性管道所處的環境（如地上、管溝、埋地、海底）的多(duō)樣性，以及洩漏形式的多(duō)樣性（滲漏、穿孔、斷裂等），使得目前還沒有一種通用(yòng)的方法解決管道洩漏探測問題。在實際應用(yòng)中，某一種洩漏檢測方法或一個檢漏裝(zhuāng)置不能(néng)同時滿足所有要求，常常将幾種方法綜合實用(yòng)。

管道洩漏監測主要是對管道從不漏到突然發生洩漏的過程的監測,一般是采用(yòng)固定的裝(zhuāng)置對管道進行實時監測,一旦發生洩漏立即報警,使有關人員能(néng)夠進行及時處理(lǐ)。人工例行巡檢、負壓波以及可(kě)燃氣體(tǐ)監測是天然氣輸送管道監測的常用(yòng)方法。目前，傳統的監測方法如人工巡視、負壓波等方法已經不能(néng)适應分(fēn)布地域廣、環境複雜程度和破壞前報警的要求，亟需一種工程造價低且能(néng)适應大範圍監測要求的分(fēn)布式傳感監測系統。由于管道長(cháng)度長(cháng)達幾百公裏，傳統的電(diàn)測式傳感器需要沿管線(xiàn)布設幾千隻傳感器，從布點連線(xiàn)到數據采集不僅複雜且成本高，并且受到布點數量的限制，無法全面反映管道的結構和功能(néng)情況。現在國(guó)内外應用(yòng)于管線(xiàn)工程監測的技(jì )術和方法正在從傳統的點式儀器監測向分(fēn)布式、自動化、高精(jīng)度和遠(yuǎn)程監測的方向發展。

分(fēn)布式光纖傳感技(jì )術是一種新(xīn)興的傳感技(jì )術，它直接以管道同溝敷設的通訊光纜作(zuò)為(wèi)傳感器，其充分(fēn)利用(yòng)光纖空間連續分(fēn)布的特點，“傳”、“感”合一，可(kě)實現沿光纖分(fēn)布任一點的物(wù)理(lǐ)參量信息，具有測量信息豐富、可(kě)精(jīng)确定位等優點。而且，光纖傳感技(jì )術是以光波為(wèi)載體(tǐ)，光纖為(wèi)媒質(zhì)，與傳統電(diàn)學(xué)傳感器相比，光纖傳感器具有測量精(jīng)度高、抗電(diàn)磁幹擾、本質(zhì)安(ān)全、小(xiǎo)巧輕柔、适合遠(yuǎn)程傳輸等優點，尤其适合在電(diàn)力、石化、交通、橋梁、大壩等領域應用(yòng)。以下是管道洩漏監測技(jì )術的對比情況。

	流量平衡法	負壓波技(jì )術	聲波技(jì )術	光纖傳感技(jì )術
測量原理(lǐ)	将管道分(fēn)成若幹部分(fēn)，每一部分(fēn)都安(ān)裝(zhuāng)超聲波流量計，并測定管道溫度和環境溫度等參數，經熱補償後對比上遊出站流量和下遊進站流量是否相等，進而判斷管道是否洩漏	在管道兩端裝(zhuāng)壓力傳感器，根據上遊出站和下遊進站的壓力參數變化判斷管道是否發生洩漏。如發生洩漏，根據負壓波在油品中的傳播速度以及傳輸到上下遊傳感器的時間差即可(kě)進行定位	在管道兩端裝(zhuāng)聲音傳感器，當管道發生洩漏時高壓油品外洩與管壁摩擦産生聲波信息，根據聲波在油品中的傳播速度以及傳輸到上下遊傳感器的時間差即可(kě)進行定位	将探測光纖沿管道線(xiàn)型鋪設，實時獲得管道沿線(xiàn)每一點的溫度實時信息；當管道發生洩漏時洩漏處的光纖的溫度會發生變化，從而實現洩漏判斷和位置精(jīng)确定位
技(jì )術先進度	早期成熟技(jì )術	早期成熟技(jì )術	成熟技(jì )術	國(guó)際先進成熟技(jì )術
測量參量	流量	壓力	聲波	溫度，應變
測量時間	60秒(miǎo)	不超過120秒(miǎo)	不超過120秒(miǎo)	100秒(miǎo)
洩漏檢測靈敏度	低	中	高	高
定位精(jīng)度	不能(néng)定位	300米	200米	1米以内
誤報率	高	高	高	低
漏報率	高	中	高	低
适應性	對較嚴重的管道洩漏敏感	管道正常的啓、停操作(zuò)和分(fēn)輸操作(zuò)易造成誤報	對流量低、壓力高的管道洩漏敏感，管道正常的啓、停操作(zuò)和分(fēn)輸操作(zuò)易造成誤報	完全不受管道啓、停操作(zuò)和分(fēn)輸操作(zuò)影響，适應性好
抗幹擾性	易受流量測量精(jīng)度影響	負壓波傳播速度影響因素多(duō)，易受電(diàn)磁幹擾	聲波傳播速度影響因素多(duō)，易受電(diàn)磁幹擾	本質(zhì)安(ān)全，完全不受電(diàn)磁幹擾影響
後期維護	流量計需定期維護、校準，甚至更換	傳感器需定期維護、校準，甚至更換	傳感器需定期維護、校準，甚至更換	光纖壽命長(cháng)，基本無需維護

将探測光纜沿管道同溝或者并行敷設，可(kě)實現管道沿線(xiàn)的溫度、洩漏等異常狀況實時監測，具有測量距離遠(yuǎn)、連續分(fēn)布式測量、可(kě)精(jīng)确定位、安(ān)裝(zhuāng)簡單、安(ān)全可(kě)靠、擴展性強等優點，對管道不會産生任何破壞或影響其正常生産，對已經穩定的和新(xīn)發生的洩漏都可(kě)以進行識别，尤其适合管道在線(xiàn)監測應用(yòng)。

3 系統設計目标

基于業界最先進的分(fēn)布式光纖傳感技(jì )術，将感溫光纜沿輸氣管道同溝或者并行敷設，實時監測管道周圍的溫度分(fēn)布情況，當輸氣管道局部出現溫度異常時分(fēn)布式光纖傳感監測系統能(néng)及時捕獲這些異常，并在溫度曲線(xiàn)顯示出來，并定位出異常點的位置信息，便于管道維護人員及時檢修與處理(lǐ)，避免重大事故發生。設計目标包括： 

Ø 實時在線(xiàn)的溫度分(fēn)布式監測；

Ø 清楚指示溫度異常點的位置信息；

Ø 提供管道洩漏的早期探測。

4 系統總體(tǐ)設計方案

4.1 設計規範

l 《火災自動報警系統設計規範》 GB50116-98

l 《火災自動報警系統施工及驗收規範》GB50166-2007

l 《火災自動報警控制器通用(yòng)技(jì )術條件》（GBJ4717-93）

l 《石油化工企業生産裝(zhuāng)置電(diàn)信設計規範》SHJ30-28（2007年版）

l 《線(xiàn)型光纖感溫火災探測器》GB/T21197-2007

l 《火災報警探測器》GB4717-2005

l 《消防聯動控制系統》GB16806-2006

l 《光纜線(xiàn)路自動監測系統工程設計規範》YD/T5066-2005

l 《長(cháng)途通信光纜線(xiàn)路工程設計規範》YD5102-2005

l 《通信設備安(ān)裝(zhuāng)工程工藝施工監理(lǐ)規範》YD5125-2011

4.2 管道洩漏分(fēn)布式光纖監測方案

4.2.1 管道洩漏監測原理(lǐ)

管道出現洩漏後，洩漏點附近的溫度會出現變化，利用(yòng)BOTDA的分(fēn)布式溫度測量功能(néng)可(kě)實現管道洩漏在線(xiàn)監測與定位。

對于埋地油氣輸送管道，管線(xiàn)正常運行時沿線(xiàn)的溫度場分(fēn)布均勻；當管壁因破損、接頭斷裂等原因發生洩漏時，洩漏處的溫度将發生變化。對于原油管道，需加熱輸送，洩漏處的溫度将升高；對于天然氣管道，由于焦耳-湯姆遜效應，天然氣經過洩漏孔節流膨脹，節流膨脹過程前後的焓不變，在洩漏孔出口出現溫度下降，如下圖所示。管道沿線(xiàn)敷設的測溫光纖傳感器能(néng)及時捕獲這些溫度異常，并在溫度分(fēn)布曲線(xiàn)上實時顯示出來，通過智能(néng)化的報警算法以及圖形化的專業分(fēn)析軟件，可(kě)以實時自動報警，并精(jīng)确定位異常點的位置信息。

管道洩漏對周圍溫度影響示意圖

4.2.2 輸油管道洩漏監測方案

布裏淵型分(fēn)布式光纖測溫系統BOTDA是一種超長(cháng)距離監測設備。本項目設置1台4通道的BOTDA主機，主機放置于聯合站内，通道1監測聯合站至轉油站1之間的輸油管道（長(cháng)度約63公裏），通道2監測聯合站至轉油站2之間的輸油管道（長(cháng)度約18公裏），另外兩個通道備用(yòng)。設備設置如下圖所示：

輸油管道洩漏分(fēn)布式光纖在線(xiàn)監測系統示意圖

設備配置情況		設備放置	監測對象	監測距離
BOTDA主機（4通道）	通道1	聯合站	聯合站—轉油站1區(qū)間管道	63km
	通道2		聯合站—轉油站2區(qū)間管道	18km
	通道3		備用(yòng)	/
	通道4		備用(yòng)	/

4.2.3 感溫光纜安(ān)裝(zhuāng)方式

   溫度探測光纜沿管道方向平行敷設。溫度探測光纜直接采用(yòng)與管道同溝敷設的通信光纜（建議光纜位于管道上方0.1~0.2m處，以達到理(lǐ)想的監測效果）。

Ø 為(wèi)獲得較好的測溫效果，管道上方回填沙層厚度建議大于0.1米，測溫光纜沿管道方向平行敷設；

Ø  管道鋪設時會出現分(fēn)段鋪設的情況，這就導緻出現光纜需要熔接的情況，光纜熔接後采用(yòng)光纜接續盒接續保護。

4.2.4 方案特點與技(jì )術優勢

基于國(guó)際最先進的布裏淵型分(fēn)布式光纖測溫技(jì )術BOTDA的長(cháng)輸管道洩漏在線(xiàn)監測，技(jì )術方案先進，在遠(yuǎn)端60公裏處仍可(kě)實現±1.5℃的測溫精(jīng)度；感溫光纜采用(yòng)普通單模通信光纖，光纜内冗餘的光纖可(kě)作(zuò)為(wèi)光纖通信路由用(yòng)，利用(yòng)設備自帶的軟件即可(kě)實現全程溫度監測，無需額外的組網方案。

1）連續分(fēn)布式測量

    分(fēn)布式光纖傳感器是真正的分(fēn)布式測量，可(kě)以連續得到沿着測溫光纜幾十公裏的測量信息，誤報和漏報率大大降低。同時實現實時監測。

2) 本征安(ān)全，防雷

    光纖本身是由石英材料組成的，完全的電(diàn)絕緣，傳感器不産生靜電(diàn)，可(kě)以抵抗高電(diàn)壓和高電(diàn)流的沖擊。

3) 抗電(diàn)磁幹擾

    光纖傳感器的信号是以光纖為(wèi)媒介、光信号為(wèi)載體(tǐ)，抗電(diàn)磁幹擾，本征安(ān)全，，在高電(diàn)磁環境中可(kě)以正常的工作(zuò)。

4) 測量可(kě)靠，安(ān)裝(zhuāng)簡單

光纖本身即為(wèi)傳感器，傳”、“感”合一，安(ān)裝(zhuāng)簡單；由于無需安(ān)裝(zhuāng)額外的傳感元件，傳感光纜中間沒有熔接點，可(kě)靠性高。

5 ) 測量距離遠(yuǎn)，适于遠(yuǎn)程監控

    光纖的兩個突出優點就是傳輸數據量大和損耗小(xiǎo)，在無需中繼的情況下，可(kě)以實現幾十公裏的遠(yuǎn)程監測。

6) 壽命長(cháng)，成本低，系統簡單

    光纖的材料為(wèi)石英玻璃，其具有不腐蝕、耐火、耐水及壽命長(cháng)的特性，通常可(kě)以服役30年。綜合考慮傳感器的自身成本以及以後的維護費用(yòng)，使用(yòng)光纖傳感器可(kě)以大大降低整個工程的最終經營成本。

5 産品介紹

5.1 布裏淵型分(fēn)布式光纖測溫系統

布裏淵型分(fēn)布式光纖傳感器可(kě)同時實現溫度與應變測量，其采用(yòng)普通單模通信光纖為(wèi)傳感器，且測量距離達數十公裏，遠(yuǎn)高于其它類型的分(fēn)布式光纖傳感器，是目前最具應用(yòng)前景的光纖傳感器之一。

采用(yòng)國(guó)際上最新(xīn)一代的布裏淵型分(fēn)布式光纖傳感技(jì )術，可(kě)實現長(cháng)達60km的溫度和應變連續分(fēn)布式測量。該系統采用(yòng)标準的通信單模光纖，信息感知與信号傳輸于一體(tǐ)，可(kě)實時監測沿光纖分(fēn)布式的溫度和應變細微變化，并且精(jīng)确定位事件位置，在海底光電(diàn)複合纜、電(diàn)力架空線(xiàn)、長(cháng)輸油氣管道、大壩、橋梁等領域具有重要應用(yòng)。

該系統的測量原理(lǐ)為(wèi)布裏淵光時域分(fēn)析BOTDA技(jì )術，綜合利用(yòng)了受激布裏淵散射效應（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）、光時域反射技(jì )術原理(lǐ)。受激布裏淵散射是光纖的固有物(wù)理(lǐ)特性，是是光波和聲波在光纖中傳播時相互作(zuò)用(yòng)而産生的光散射效應。BOTDA技(jì )術是從光纖的兩端分(fēn)别注入脈沖光信号（泵浦激光）和連續光信号（探測激光），當脈沖光與連續光的頻率差與光纖中某個區(qū)間的布裏淵頻移相等時，該區(qū)域就會發生受激布裏淵放大效應，兩束光之間發生能(néng)量轉移。根據光纖布裏淵頻移與光纖應變、溫度之間的關系，對兩激光的頻率進行連續的調節，監測從光纖一端耦合出來的連續光功率可(kě)以确定光纖各小(xiǎo)段區(qū)域上能(néng)量轉移達到最大時所對應的頻率差，從而得到溫度、應變信息，實現分(fēn)布式測量。

 

系統技(jì )術原理(lǐ)

5.1.1 測量主機

測量主機是分(fēn)布式光纖測溫系統的核心。我司的BOTDA基于專利技(jì )術設計，集光電(diàn)、硬件、計算機和信息處理(lǐ)等高新(xīn)技(jì )術于一體(tǐ)，技(jì )術指标國(guó)際先進；同時由于采用(yòng)光信号為(wèi)載體(tǐ)，不受電(diàn)磁幹擾，本質(zhì)安(ān)全，使用(yòng)壽命長(cháng)，适于惡劣環境下工作(zuò)。

 

BOTDA測量主機

  我司的布裏淵光時域分(fēn)析儀BOTDA監測系統具有如下技(jì )術優勢：

l 快速性

系統測溫、定位速度非常高。為(wèi)了提高測量時間，浙江中欣采用(yòng)了高速微弱信号處理(lǐ)技(jì )術優勢，單次測量時間最短為(wèi)60s（70km測量距離），響應速度快。

l 測量距離長(cháng)

布裏淵分(fēn)布式光纖監測系統最長(cháng)測量距離可(kě)達70km，監測範圍廣，可(kě)實現監測範圍内的全方位監測。

l 分(fēn)布特性

分(fēn)布式光纖監測系統可(kě)提供連續動态監測長(cháng)達70公裏範圍内每隔0.5米各點的溫度變化信号，可(kě)任意設置各級報警值。

l 先進性

該系統在世界上目前性能(néng)指标優異、功能(néng)性強、可(kě)靠性高、技(jì )術最先進的分(fēn)布式光纖監測産品。關鍵器件優選國(guó)外進口高性能(néng)器件，核心算法經過嚴格測試。

l 靈活性

系統為(wèi)實時在線(xiàn)監測方式，可(kě)以根據環境不同進行報警點溫度參數設定；具有差定溫多(duō)種報警方式，并且報警參數可(kě)按客戶需求進行分(fēn)區(qū)設置，報警方式靈活。

l 兼容性

系統主機為(wèi)開放通信協議，提供與工作(zuò)站聯接的通信接口，在中央控制室防災報警工作(zuò)站以漢化的圖文(wén)方式顯示溫度曲線(xiàn)、報警位置、報警溫度等全部信息；系統可(kě)以通過RS232、RS485、内置繼電(diàn)器、RJ45或其它工業協議等輸出形式與PC、報警系統等其它控制設備進行連動信号輸出準确、完整。

l 安(ān)全性

探測光纜本征安(ān)全，采用(yòng)光信号，不受電(diàn)磁幹擾。

如果光纖受損，BOTDA系統可(kě)以即時定位受損點，并通過光纖熔接機對其進行熔接，這對于有效的實施在線(xiàn)監測時非常重要的。

5.1.2 用(yòng)戶軟件

浙江中欣提供界面友好、操作(zuò)簡單的分(fēn)布式光纖溫度、應變監測應用(yòng)軟件。該軟件主要包括：溫度監測、應變監測、事件報警、數據分(fēn)析、可(kě)視化顯示等功能(néng)模塊。

l 溫度曲線(xiàn)顯示

系統可(kě)以顯示實時整個光纜的溫度、應變分(fēn)布曲線(xiàn)，當某處溫度或者應變異常的時候通過曲線(xiàn)可(kě)以顯示該處實時信息。

 

分(fēn)布式溫度/應變顯示曲線(xiàn)

l 曆史溫度統計

提供曆史溫度/應變數據統計分(fēn)析功能(néng)，提供溫度變化趨勢，包括：（1）某時刻光纜不同位置的溫度/應變分(fēn)布曲線(xiàn)；（2）某時段光纜某點的溫度/應變變化曲線(xiàn)。

 

單點曆史數據變化曲線(xiàn)

l 事件報警

提供定值、變化速率、區(qū)域尖峰等多(duō)種靈活的報警方式，報警參數可(kě)以分(fēn)級、分(fēn)區(qū)域設置。當測量數值超過阈值時，系統會自動發出聲音、LED指示燈、文(wén)字、圖像等報警信号。如可(kě)設定多(duō)級報警阈值（如30℃初報警，40℃預報警，50℃采取措施等），并且可(kě)根據環境不同進行修正。

 

分(fēn)區(qū)/分(fēn)級事件報警設置

l 可(kě)視化界面

提供形象的可(kě)視化顯示界面，通過圖形組态模塊将光纖位置映射到圖像上，一旦光纖某點發生洩漏，報警信息直接顯示在圖像上，形象直觀。

 

用(yòng)戶軟件可(kě)視化界面

5.1.3 系統性能(néng)

系統型号
技(jì )術性能(néng)
光纖類型	标準單模光纖
光纖配置	雙光纖環路式
測量距離	70km
測量時間	60s
溫度測量範圍	-190℃~700℃ (取決于光纜)
溫度測量精(jīng)度	±1℃（全程）
溫度分(fēn)辨率	0.1℃
應變測量範圍	-4000με~6000με
應變測量精(jīng)度	±20με（全程）
應變分(fēn)辨率	2με
采樣間隔	0.1~1.25m
空間分(fēn)辨率	0.5~5m
一般規格
光纖接頭	FC/APC
工作(zuò)電(diàn)源	220VAC 50Hz，40W
操作(zuò)溫度	-10℃~50℃
存儲溫度	-20℃~60℃
通信接口	Ethernet，USB，RS232
存儲空間	500GB
尺寸	482.6×458.4×180mm
重量	25kg

5.2 感溫光纜

光纖由石英玻璃拉制而成，通過各種封裝(zhuāng)形成各種特性的光纜。光纜既是信号傳輸介質(zhì)，又是溫度感測元件。考慮到現場的惡劣環境，感溫探測光纜應具備良好的抗齧咬、抗震特性。所以感溫探測光纜應具備堅固的護套，提供良好的防護特性，但同時感溫探測光纜也應該提供良好的溫度傳導性能(néng)，以保證快速的火災探測。

 

探測光纜結構示意圖

探測光纜技(jì )術指标：

Ø 光纖規格：      普通單模通信光纖

Ø 光纜結構：       PBT管充油膏+鋼帶縱包+鋼絲加強+護套

Ø 最小(xiǎo)彎曲半徑：  靜态10D；動态20D

Ø 拉伸強度：   短期最大3000N；長(cháng)期最大1000N

Ø 抗壓強度：       短期最大3000N/100mm；長(cháng)期最大1000N/100mm

Ø 工作(zuò)溫度範圍：   -40℃到+70℃（短期120℃）

Ø 光纜工作(zuò)壽命： 大于30年

Ø 防沖擊、反複彎曲、扭轉、曲繞、彎折、卷繞、滲水性能(néng)等均符合IEC794-1标準。

6 設備清單

序号	名稱	規格型号	單位	數量	備注
1	布裏淵光時分(fēn)析儀BOTDA	NTB-50	台	1	支持4通道
2	用(yòng)戶軟件	V1.0	套	1
3	光纖跳線(xiàn)	Senko FC/APC	根	8
4	多(duō)通道模塊	4通道	台	1
5	液晶顯示器	19寸	台	1
6	測溫光纜	GYXTW，8芯	米	—	芯數及長(cháng)度滿足實際需要
7	室外接續盒		隻	—	滿足實際需要
8	室外接續盒		隻	—	滿足實際需要

 

注：供貨周期為(wèi)合同簽訂後2個月。