城镇供热管道光纤泄漏监测方案HR.docx
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城镇供热管道光纤泄漏监测方案HR
城镇供热管道光纤泄漏监测方案
北京昊锐科技有限公司
2017年8月
【前言】2
1分布式光纤泄漏监测系统简介2
1.1管道测漏监测系统的优点2
1.2管道测漏监测系统应用3
2管道测漏监测系统的工作原理3
2.1管道泄漏监测系统测漏原理3
2.2管道测漏监测系统定位原理5
3分布式光纤泄漏监测系统5
3.1系统组成6
3.2系统技术参数6
3.3系统组成介绍7
3.3.1分布式光纤泄漏监测系统主机7
3.3.2多模测漏光缆9
3.1.3安装附件9
3.4软件功能描述10
3.4.1软件界面10
3.4.2分布式光纤泄漏监测系统应用软件提供以下主要功能：
12
4供热管线泄漏监测13
4.2供热管道泄漏特点14
4.3泄漏定位世界性难题15
4.4分布式光纤泄漏监测系统15
4.5分布式光纤泄漏监测系统在管线泄漏监测的应用优势15
4.6分布式光纤泄漏监测系统和其他管道泄漏检测系统优缺点对比16
4.7分布式光纤泄漏监测系统与音波检测法对比16
5系统设计方案17
5.1工程概况17
5.2项目方案17
5.3施工方案18
5.4主机控制室准备条件19
5.5泄漏监测系统检验20
5.6项目清单20
6工作条件需求21
6.1分布式光纤泄漏监测系统运行环境21
6.2分布式光纤泄漏监测系统主机工作供电21
6.3光缆芯数21
6.4网络通讯21
【前言】
由于近年来由于管道腐蚀造成泄漏事故增多，管道检漏系统的推广应用也越来越多，光纤泄漏监测系统在石油、化工领域多种介质输送管道上得到了迅速地研究、推广与应用。
在过去几年中，我们专业致力于输送管道的泄漏监测技术研究与推广应用，完成过多种介质管道测漏系统的建设与维护管理工作。
输送管道测漏系统的主要任务是实时在线监测管道的运行状况，一旦发生泄漏，系统能自动发出报警，并给出泄漏点位置。
1分布式光纤泄漏监测系统简介
伴随着光纤通讯的飞速发展，半导体激光器等一系列新技术、新产品的使用使得光纤传感行业也经历了前所未有的发展，光纤的本征特性和越来越多成功的案例充分证明光纤分布式监测系统已成为解决越来越多监测难题、预警与探测方面最佳解决方案，通过光纤分布式监测技术可以用来对管道的泄漏进行在线监测，达到分布式光纤泄漏监测的目的。
1.1管道测漏监测系统的优点
管道测漏监测系统主要由两部分构成：
分布式光纤泄漏监测主机和线性单模光缆。
分布式光纤泄漏监测主机内部由封装光器件、激光器、数据处理等部分组成，主要用于整个系统的参数配置、信号采集、信号分析和分析结果输出等功能。
单模光缆作为线型传感器，光缆内含2根单模/1芯多模光纤，一根光缆可以长至数公里，甚至数十公里，通过分析光缆内不同位置上的光散射信号得到相应的泄漏信息。
管道测漏监测系统可以准确地测量整根光纤上成千上万位置点实时信息，光纤固有的优良特性使得管道测漏监测系统具有如下优点：
⏹在分布式光纤泄漏监测系统中，光缆既是传感器又是信号传输通道，不再需要其它的测量或传输装置；
⏹一根光缆能够提供上万个测量点的信息，安装快捷简便且成本低廉，安装后无需维护；
⏹光纤具有耐高温（能够承受超过1000℃的高温）、抗腐蚀、抗雷击和长寿命的特质，适用于各种复杂、有害或恶劣环境；
⏹光纤具有抗射频和抗电磁干扰的特质，适用于高压场合；
⏹光纤具有无静电、无辐射的特质，不会产生电火花，适用于易燃易爆环境；
⏹光纤本身轻细纤柔，体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设等。
1.2管道测漏监测系统应用
管道测漏监测系统在石油、供热领域的应用，按照监测对象的不同，可分为：
⏹管道、容器渗漏及温度监测
管道测漏监测系统能提供管道、容器的全方位的实时温度信息，生成2D图表，对温度异常点能实现准确探测和定位
2管道测漏监测系统的工作原理
管道测漏监测系统同时利用单根光缆实现温度监测和信号传输，综合利用光纤拉曼散射效应（Ramanscattering）及布里渊散射（Brillouinscattering）和光时域反射测量技术（OpticalTime-DomainReflectometry，简称OTDR）来获取空间分布信息。
其中光纤拉曼散射效应（Ramanscattering）用于实现温度测量，布里渊散射效应（Brillouinscattering）用于实现温度、应力测量，光时域反射测量技术（OpticalTimeDomainReflectometer）用于实现定位，是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高科技技术，它能够连续测量光纤沿线的温度分布情况，测量距离在可达30公里/75km，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。
2.1
管道泄漏监测系统测漏原理
激光光脉冲射入传感用的光纤之中，在光脉冲向前的传播过程中，由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射现象，有一部分的散射光会按照入射光相反的方向传播，称之为背向散射光，返回的背向散射光包括：
⏹瑞利（RayLeigh）散射，由光纤折射率的微小变化引起，其频率与入射光脉冲一致；
⏹拉曼（Raman）散射，由光子与光声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差几十太赫兹；
⏹布里渊（Brillouin）散射，由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用引起。
其频率与入射光脉冲相差几十吉赫兹；
针对温度检测需求，Rayleigh散射信号对温度变化不敏感；Brillouin散射信号的变化与温度和应力有关；Raman散射信号的变化与温度有关，而且Raman散射信号相对容易获取和分析，因此工业应用主要采集Raman散射信号进行温度分析。
1）Raman散射的基本原理
Raman散射会产生两个不同频率的信号：
斯托克斯（Stokes）光（比光源波长长的光）和反斯托克斯（Anti-Stokes）光（比光源波长短的光），光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯（Anti-Stokes）光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。
此原理光纤单通道监测距离在30km以内，采用单模光纤进行光信号传输。
2）BOTDA的基本原理：
布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频率漂移量（νB ）就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。
BOTDA就是利用这种频率的变化来获得应变或温度的分布信息的。
此原理光纤单通道监测距离在75km以内，采用单模光纤进行光信号传输。
2.2管道测漏监测系统定位原理
光学时域反射技术（OTDR）最初用于评价通信光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗、光纤故障的手段。
一般将管道测漏监测系统测漏原理和定位原理称为ROTDR，其工作机理是向被测光纤发射光脉冲，发生拉曼散射现象，在光纤中形成背向散射光和前向散射光。
其中，背向散射光向后传播至光纤的起始端（也就是光脉冲的注入端），由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点，因此，根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置。
d=（c×t）/2×（IOR）
其中，c是光在真空中的速度，而t是信号发射后到接收到信号（双程）的总时间，IOR是光纤折射率。
通过采集和分析入射光脉冲从光纤的一端（注入端）注入后在光纤内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息，在得知每一点的温度和位置信息后，就可以得到一个关于整根光纤的不同位置的温度曲线。
3分布式光纤泄漏监测系统
分布式光纤泄漏监测系统能实现30/75Km长距离监测的光纤传感系统，可以实现30/75Km无中继的连续式泄漏监测和泄漏报警，打破了国外光纤拉曼技术在长距离监测领域的长期技术垄断。
有别于国内其他厂商的设计水平，分布式光纤泄漏监测系统沿用国际设计理念，根据不同的测量距离定制不同的产品，在充分考虑到可扩展性、设备间的互换性、性价比等基础上，为不同的客户量身定制不同的解决方案。
3.1系统组成
分布式光纤泄漏监测系统提供了一个实时、多对象、多监测点、高精度、高可靠性、费用低廉的解决方案。
将光缆直接敷设在待测物表面，在不影响待测物温度场的情况下，使光缆能直接感触待测物泄漏信息。
标准的分布式光纤泄漏监测系统包括如下组件：
⏹单模/多模测漏光缆 ：
与分布式光纤测漏主机采用E2000或者FC/APC相连，根据测漏要求和测漏环境具体定制光缆长度、规格；
⏹分布式光纤泄漏监测主机：
2U/4U标准机箱，机柜式；
⏹多路转换开关：
多路转换开关的型号以通道数目来划分，最少2个通道，最多16个通道；
⏹管道泄漏监测软件
⏹液晶显示器
3.2系统技术参数
根据实际情况，本系统选用15Km分布式测漏主机和多模光纤。
单通道测量距离（km）
15
温度精度
1℃
光纤类型
多模光纤
温度分辨率
0.1℃
空间采样分辨率
0.25m
定位精度
1m
响应时间
<30S
3.3系统组成介绍
3.3.1分布式光纤泄漏监测系统主机
分布式光纤泄漏监测系统主机是光纤分布式测漏监测系统的核心设备，一方面为现场测漏光缆提供激光脉冲信号，另一方面采集散射光信号进行分析，输出光缆沿线的温度数据和位置信息。
与测漏光缆通过E2000，FC/APC法兰相连，AC220V供电。
产品特点
⏹1M激光等级，光源符合人眼安全标准，避免给操作人员在操作过程中带来安全隐患；
⏹光学器件集成在一个高性能的光学构件中，该光学构件全面密封，有效防止光学器件出现凝结和灰尘现象，避免光器件出现过早老化，延长系统寿命；
⏹温度测量精度可达到1℃，定位精度可达到1米，温度分辨率可达到0.1℃；
⏹光学通道数固定为1通道，可通过多路转换开关扩展到16通道；
⏹使用国际互联网通信接口，实现远程诊断和系统维护升级，使得维护方便，节约维护成本；
⏹适应多种通信光纤，对光纤的适应性较强；
⏹管道泄漏报警、系统故障报警具有声、光及图文界面报警功能，且管道泄漏报警信息和故障信息有明显区别，报警时能明确指示出报警或故障区域，并保持至复位；
⏹采用继电器输出模块进行分区报警设置，可根据工程要求实现无限个继电器报警输出；
3.3.2多模测漏光缆
为分布式泄漏实时监测与信号传输的载体，外护套上带长度计米标志，通过E2000，FC/APC法兰与光纤测漏主机相连，可实现管道泄漏点的监测与定位，根据现场实际需求定制不同长度和不同型号的光缆。
3.1.3安装附件
室内FC/APC光纤黄跳线
Ø规格：
FC/APC、尾纤长度3m、5m、可定制
作用:
用于分布式光纤泄漏监测系统主机与主干光缆之间的连接。
光缆终端盒
Ø作用：
用于监控室室内光纤跳线与主干光缆间的接续保护，具有耐温、防水、防尘、防腐、机械防护等功能。
通道扩展模块
Ø作用：
实现一台解调仪对2条以上的光通道进行信号切换，通过通道扩展可以实现一台解调仪最多16条通道的信号解调工作。
3.4软件功能描述
3.4.1软件界面
1）登录界面
2）管线全景监控
说明：
横坐标是监测距离，纵坐标是管道的实时温度绝对值，左侧不同颜色代表光通道，可以实现切换，监控曲线图具备放大、缩小功能，报警信息可以在画面上直接以指示灯闪烁方式报警。
3）重点区域监控
说明：
设定起始位置与终止位置，实现对重点区域的实时监控.
4）历史数据调阅
5）泄漏报警窗口
报警信息可以在画面上直接以弹出窗口方式报警。
6）波形分析
3.4.2分布式光纤泄漏监测系统应用软件提供以下主要功能：
⏹报警模式：
管道异常情况将会发出报警信号。
触发报警的事件可能为供热泄漏、施工破坏光缆、掘开填土而使管道外露等。
⏹报警功能和设置：
用户可以定制报警参数和报警模式。
⏹系统故障报警：
系统自行监视激光强度、检测光纤健康状态，实现自我诊断和测试，并及时提示系统故障事件；
⏹报警与确认：
当报警发生时，系统默认软件报警，可外接声光报警器，软件报警和声光报警均支持人工复位，报警信息将被自动存作历史资料。
报警信息将按顺序显示，不会被覆盖或取消，并记录警报是否已被确认，报警音响可定制。
⏹周期性报表：
系统将提供自动和手动报表（日/周/月），并允许使用者按具体日期生成报表。
具体功能如下：
A）系统将按照所设定的参数收集和储存数据。
报表将由软件编辑工具（诸如Excel）生成并自动存档，使用者还可透过该软件来定义报表格式；
B）报表自动生成并自动存档。
报表也可以在指定时段的指定时间自动生成；
C）所有的报表可自动做成备份至硬盘；
D）日期和修改将被记录在所有报表上。
⏹2D/3D曲线图：
系统具有温度曲线图显示功能，可以显示实时数据或历史数据。
趋势图将提供以下功能：
A）某时段监测对象不同位置的泄漏情况曲线；
B）某天监测对象某点的泄漏情况曲线；
C）某时段监测对象某点的泄漏情况曲线；
D）某天出现泄漏点的分布曲线。
4供热管线泄漏监测
4.1管道泄漏原因
埋地钢质供热管道泄漏管理应测重于以预防为主，检测为辅的手段。
地下管道气体泄漏一般是由以下因素引起：
施工时接口焊接不严；
长期的地面交通压力导致管道接口开焊或断裂；
地下管道腐蚀；
注：
——正常设计寿命------延长设计寿命
突发性意外损害。
4.2供热管道泄漏特点
地下供热管道泄漏特点地下供热管道输送的介质是热蒸汽或者热水，因此，泄漏的气体或者液体一般沿着易于扩散的通道扩散，这些通道一般是供热管道附近的地下裂缝、排水管道、电信管道或电力沟、暖气沟，还有可能沿着供热管线的隧道等。
供热管道敷设有隧道或者管沟或者架空方式，如下图所示。
4.3泄漏定位世界性难题
目前，对供热的测漏，直接用气敏仪对漏点的精确定位效果总是不尽人意，同时也不能靠机械或人工开挖直接来查漏点，比如在北方地区管线均在冰冻层以下，埋深一般在1．5m～2m，最深处为3m以上，用开挖寻漏的方法来找漏点，工作量大，效率低。
因此采用科学方法、良好设备寻漏、定位具有很大的现实意义。
4.4分布式光纤泄漏监测系统
埋地钢质供热管道泄漏管理应侧重于以预防为主，监测为辅的手段。
在热力输送管道的泄漏处，由于管内的高压高温流体从管道泄漏处向外迅速外泄，从而导致泄漏处环境温度的变化，所以通过监测管道周围温度的变化就可以有效监测泄漏的发生。
同时对于地下管线人为破坏挖沟接管等时候，也能产生温度的变化。
利用分布式光纤泄漏监测系统可连续监测沿布缆方向管道的泄漏情况。
通过解析软件就可以分析出泄漏和对管道泄漏点进行准确定位，分布式光纤泄漏监测系统可以在很短的时间（几秒或者十几秒）内准确测量管线泄漏的位置，通过生成的2D/3D图形给客户提供了强有力的指导。
4.5分布式光纤泄漏监测系统在管线泄漏监测的应用优势
⏹确定管道泄漏点的位置准确，定位误差1m；
⏹能对管线提供24小时实时监测，从管道开始泄漏到被监测出泄漏的时间非常短，事件一发生立即就被监控到；
⏹管道泄漏监测无盲区，分布式光纤泄漏监测系统能实现每0.25米一个监控点的全程覆盖；
⏹系统运行稳定，发生死机现象的概率较低；
⏹误报率和漏报率较传统设备大大降低；
⏹对不同的管道环境具有很高的抗干扰性；
⏹系统所能提供的性能与建设、运行及维护费用的性价比高；
⏹本征安全光缆及时传感器又是传输通道，本身不起静电，无电检测，本质安全；
4.6分布式光纤泄漏监测系统和其他管道泄漏检测系统优缺点对比
电测式传感器
电测式传感器（电阻定位）系统将泄漏程度的物理量等效为电阻值，并通过专门设计耐热的传感器线、反馈线及相应的检测仪、定位仪、电脑及相关软件组成泄漏检测系统。
电测式传感器缺点是：
●受到布点数量的限制，无法全面反映管道的结构和功能情况；
●容易受到外界不利因素的影响，产生误报和漏报；
●传感器的使用寿命短；
●随着管网的扩展，监测点逐渐增多；
●管线沿途需要设置大量的传感器和较多的数据采集站；
●布线连点到数据采集复杂、安装成本高、维护难度大。
4.7分布式光纤泄漏监测系统与音波检测法对比
项目
比较电阻泄漏监测
分布式光纤泄漏监测
原理
比较电阻法检测含水份监测泄漏
分布式测温变方法监测泄漏
监测距离
单检漏仪可测1km，1系统可以带200检漏仪。
单通道最长75km，可以配置多通道，几百公里。
定位精度
0.2%
1m
优势
利用含水率检测是否发生泄漏
可以利用长距离管道
监测距离长，精度高，可达1米；只需要敷设一条测漏光缆；不在管道本体施工；
缺点
1、需要内置检测电缆和伴随供电电缆，施工复杂。
2、系统维护麻烦，容易出现信号线中断情况，且查找断点麻烦。
3、预制直埋保温管道生产中要预埋导线，这就对保温管的生产厂家提出严格要求，会降低管线生产效率，增加生产成本，绑定保温管生产厂商。
4、产生报警无法分清是由于管内水泄漏还是管外部土壤水的原因。
5、产品的运输、储存、施工运行当中不能让导线受损，如受损无法检测。
1、产生报警无法分清是由于管内泄漏/管外部温度影响的原因。
5系统设计方案
5.1工程概况
某新建供热管道工程计划38公里供热管道，设计管道沟、架空、隧道方式铺设泄漏探测光缆，泄漏监测系统主机3套分别设于古交电厂（0km）、2#加压泵站（17km）、中继能源站控制室内（38km）。
5.2项目方案
Ø利用其中1芯多模光纤用于管线测漏，其余光纤用于通信等其他功能。
Ø方案本方案需要配备3套分布式光纤泄漏监测主机。
管线分为4段监控，如下图所示：
Ø分布式光纤泄漏监测系统主机可以通过以太网连接进入联合控制室实现远程实时控制、报警、数据呈现等功能。
Ø光缆内光纤为测漏光纤。
测漏光缆使用1芯，不含单模光纤供通讯等其他用途使用。
分布式光纤泄漏监测系统和通信系统2者工作互补干扰，互不影响。
Ø报警分区：
将500m设为一个报警分区，或者根据需要设置报警分区，报警分区长度可以根据需求进行软件设置。
5.3施工方案
（1）泄漏监测系统主机3套分别设于古交电厂（0km）、2#加压泵站（17km）、中继能源站控制室内（38km）。
在指定监控站内放置一台监控上位主机，读取各站内的泄漏监测主机的数据，实时显示数据监视画面。
二者可以通过以太网方式通信或者电台通信，本项目中有光纤有通信光纤，所以选择以太网通信。
（2）如在施工过程中造成断纤，需要对光纤进行接续。
光纤的接续、熔接或机械连接，其最大光衰减不得超过0.03dB。
应按照ANSI/EIA/TIA-455-34标准方法（工厂测试）或ANSI/EIA/TIA-455-59标准（现场测试）。
光纤的接续、熔接或机械连接，其最小回损为20dB。
应按照ANSI/EIA/TIA455-107标准测试。
（3）分布式光纤泄漏监测系统主机安装于站仪表室机柜，安装尺寸为19”标准机柜。
光缆由管道现场直埋或者沿电缆沟辐射至仪表室内。
5.4主机控制室准备条件
Ø机柜或1.2m工作台
ØAC220V,50Hz电源
Ø局域网
Ø监控室要达到系统工作要求
Ø空调一部
5.5泄漏监测系统检验
施工安装调试完毕后可以进行施工效果检验，可以选定管道上某点进行温度检测测试。
试验方法可以采用80度的冷水浇淋到距离光纤埋设区域10cm距离处，根据能量守恒原理，观察分布式光纤泄漏监测系统是否发生报警信息，同时可以采用普通或电子温度计现场实测验证。
如果发生报警信息，则分布式光纤泄漏监测系统工作正常，可以进行下一步验收。
5.6项目清单
序号
产品名称
型号
数量
1
光纤测漏主机
SUPERP-LM-SLM-010A-D12
3
2
通道扩展模块
SUPERP-LM-SWT-010A-C04
2
3
通道扩展模块
SUPERP-LM-SWT-010A-C08
1
4
光缆终端盒
SUPERP-LM-M-SPL-2×24
3
5
立式机柜
SUPERP-LM-A-MFR-H2
3
6
FC/APC室内黄跳线
SUPERP-LM-A-FCT-APC/IN-n3
36
7
工控主机
SUPERP-LM-MSM-010A
1
8
管道泄漏探测系统软件
SUPERP-LM-S-SLM-010A
1
9
管道泄漏探测组态软件
SUPERP-LM-S-IP-010A
1
10
液晶显示器
SUPERP-LM-A-DIS/22
4
11
光缆接续盒
SUPERP-LM-M-SPT-2×2
45
12
探测光缆
SUPERP-LM-O-PLD-62.5/125
132km
6工作条件需求
6.1分布式光纤泄漏监测系统运行环境
对于设备的任何部件，保证灰尘，污垢和其它的污染物不能进入接头和光学表面是非常重要的，因为这会对系统产生不利的影响。
任何没有连接光纤的光学装置都应一直是封装好的。
设备应该欲行在一个不限制空气流入仪器的环境中。
流动的空气对于保证电子器件的正常冷却是非常重要的。
虽然在空气进口有过滤器阻挡灰尘进去，但当设备运行在一个充满灰尘的环境中时，它也可能阻挡空气的进入。
这将影响空气流动，最终导致温度过高。
分布式光纤泄漏监测系统中的激光器可以运行在一定的温度范围内。
超出这个温度范围，激光器可能不能保持正常稳定的布里渊测量。
连续运行的环境温度不能低于0℃，不能高于40℃。
分布式光纤泄漏监测系统主机安装于控制室内，拟设计为非防爆型式。
6.2分布式光纤泄漏监测系统主机工作供电
分布式光纤泄漏监测系统主机的供电电源为220VAC，50Hz，小于300瓦，具备普通供电条件即可。
6.3光缆芯数
本套分布式光纤泄漏监测系统需要1芯多模，单独使用，不影响其他光纤通信工作使用。
6.4网络通讯
分布式光纤泄漏监测系统主机连接网络交换机，通过光纤通信网络将数据发送至工控主机计算机上，工控主机可以查看每个泄漏监测系统的数据，及管线全长的所有的实时和历史数据，管道全长的泄漏情况。
网络通讯系统请根据实际情况配置。
调压站需要配置相关网络交换机、光缆终端盒等设备，本次未包含在泄漏系统范围内。
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