设集气装置的天然气管道分布式光纤泄漏监测

1 概述

目前，天然气管道泄漏监测技术主要有直接检漏法、红外成像技术检测法、流量或质量平衡法、负压波法、次声波法、内检测法、光纤温度传感技术等，但每种技术都有一定的适用范围和局限性

。直接检漏法依靠工人巡视，往往只能发现较大的泄漏，且实时性差、耗费人力。红外线成像技术灵敏度较高、定位较精确，但不适用于埋地较深的管道。流量或质量平衡法虽易于实现，但容易导致误报警。负压波法更适用于输油管道，很少用于输气管道，且对较小泄漏不起作用。次声波法可对管道泄漏进行准确定位，并实时监测管道运行状况，但其信号不稳定，且易被噪声干扰。内检测法能识别和定位管道的微小泄漏，但其技术要求高，无法实时在线监测。光纤温度传感技术可在信号传输的过程中实现对温度的测量，在抗电磁干扰、耐腐蚀性和长距离监测等方面具有独特的优越性

，在中俄东线北段已经进行工程试用，但受空间分辨率的影响，其有效监测范围和效果有很大局限性。

气体管道发生小孔泄漏时属于节流膨胀，根据焦耳-汤姆逊效应，天然气管道泄漏后的气体温度会下降

。因此，可以通过温度传感器实时测量管道周围温度，间接实现对天然气管道泄漏的在线监测和定位。天然气长输管道的运行环境对温度传感器的耐腐蚀性、抗电磁干扰性能和信号传输方式等要求较高。光纤温度传感器本身也是数据传输媒介，具有明显的优越性。它利用的是后向自发拉曼散射效应和光时域反射原理，激光脉冲在光纤中传输时会产生瑞利、布里渊和拉曼3种散射，其中布里渊和拉曼散射均对温度比较敏感，且基于光时域拉曼散射的分布式光纤温度传感技术相对更加成熟

。拉曼散射光中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光对温度非常敏感，背向的斯托克斯(Stokes)光随温度变化不明显，通过两者光强的比值即可解调出温度信号，再根据入射光和拉曼散射光的时差即可定位温度变化的位置

。

分布式光纤温度传感器的准确性受其空间分辨率和与温度变化点的相对位置影响较大。空间分辨率是分布式光纤温度传感器沿其长度方向上所能准确测量的最小单元

。在对天然气管道进行泄漏监测时，如果泄漏引起的温降范围在光纤长度方向上小于其空间分辨率，或者虽然长度方向上的温降范围很大，但覆盖光纤的温降范围小于其空间分辨率，都会使测得的温降小于实际温降，从而严重影响泄漏监测效果。

为此，本文设计了一种简单的适用于埋地管道的集气装置，在光纤温度传感系统空间分辨率一定的条件下，可显著提高系统的泄漏监测效果和有效监测范围。

2 改进的泄漏监测方案及试验测试方案

2.1 改进的泄漏监测方案

针对分布式光纤温度传感器用于天然气管道泄漏监测的局限性，设计了适用于收集埋地管道泄漏气体的集气装置，与分布式光纤温度传感器配合使用，改进的泄漏监测方案见图1。集气装置的材料为高密度聚乙烯(HDPE)。为了便于泄漏的天然气在光纤长度方向上的汇聚集中，集气装置的内表面设计有纵横交错的气道结构，见图2。

温降差别大的原因是光纤温度传感器的准确度受其空间分辨率的影响。虽然1 mm孔径和3 mm孔径引起的温降相同，但引起的气体泄漏量不同，1 mm孔径的气体泄漏量少，在光纤长度方向上与光纤接触的范围也更小，导致光纤所测得的温降明显低于实际的温降，从而影响监测效果。造成光纤有效监测位置不同的原因是不同孔径的泄漏气体与光纤的相对位置不同，即1 mm的泄漏孔泄漏后的气体少，并且离管道更近，所以F

和F

能监测到泄漏。3 mm的泄漏孔泄漏后的气体多，且离管道远，所以F

和F

监测到了泄漏。由此可以看出，当光纤位置一旦确定，其所能监测到的泄漏情况很有限。

大力支持民营企业发展，就要创新拓展公共法律服务，以法律服务促民营经济健康持续发展。组织律师、公证、仲裁等法律服务行业和法律援助、法治宣传工作积极服务民营企业。建立民营企业矛盾纠纷调解工作机制，第一时间开展民营企业矛盾纠纷调处化解，既帮助民营企业解决经营困难，又定分止争，促进民营企业健康发展。

2 试验测试方案

由表1的数据可以看出，在无集气装置的情况下，1 mm的泄漏孔泄漏时，只有紧贴管道和上方10 cm处的光纤即F

和F

监测到了温度变化。3 mm的泄漏孔泄漏时，紧贴管道的光纤F

并没有监测到明显的温度变化，而管道上方10 cm和20 cm处的光纤F

和F

的温降很明显。根据焦耳-汤姆逊效应，小孔泄漏条件下，气体泄漏后的温度变化值与泄漏孔径无关。因此，1 mm和3 mm的泄漏孔引起的温降理论上应该基本一致，但是试验光纤所监测到的温降却差别较大。

高压输电线路的架线施工过程中涉及诸多专业工程内容，包括放线、紧线、附件安装及架线前期准备工作等。严格控制放线施工过程，将导线损伤面积控制在2%以内，倘若损伤部位过大，要及时对其进行修补，假使为导线损伤特别严重，一线施工人员要立即切除损伤部位，换用接续管连接，确保高压输电过程中的安全性。具体工程实践中，施工人员可优选张力放线方法，降低导线损伤率。其应用原理是借助机械使导线处于合适的张力状态，并限定其与交叉物之间的距离，实现预期放线目标。紧线施工过程也非常讲究，既要确保铁塔组装的完整性，又要兼顾螺栓紧固率，将其控制在95%以上[2]。

泄漏模拟试验分2次进行，1 mm和3 mm的泄漏孔同时泄漏。第1次试验时只用分布式光纤温度传感器进行监测，第2次试验时增加集气装置。两次泄漏气体的初始压力和温度相同，通过调压阀和加热冷却装置控制在1.5 MPa和25 ℃。试验过程中，实时显示光纤的温度曲线，并对数据进行存储。

3 试验数据分析

由图5和图6可以看出泄漏前后不同位置光纤的温降，见表1。

第1次试验光纤温度曲线见图5，第2次试验光纤温度曲线见图6。

说到底武侠小说不过是一种娱乐项目，大家平时上班学习那么辛苦，好不容易娱乐一下还要这么费劲，那也太不划算了。

为了验证集气装置和分布式光纤温度传感器集成方案的监测效果，进行了泄漏模拟试验。试验采用2段长2.6 m、规格为D355×3.2的管道，出于安全考虑，试验气体采用压力1.5 MPa、温度25 ℃的氮气。在2段管道的顶部分别设置直径为1 mm和3 mm的圆形泄漏孔。管道顶部埋深1.5 m。光纤温度传感器采用AT800系列的测温主机和ATF-100型感温光纤，空间分辨率为0.5 m。光纤在试验管道顶部S形敷设，总长146.3 m，0 m处与光纤主机连接，95.3 m之前的光纤盘绕在地上，95.3 m之后的光纤盘绕着埋在地下，利用光纤米标进行位置标记，相邻两段光纤的间隔为0.1 m，其布置见图3。由于集气装置需要定制模具，生产周期较长，试验时采用长8 m、宽1 m、厚1.5 mm的HDPE土工膜代替，其位置见图4。

在建筑空间设计中，应采用智能化技术。智能技术可以通过各种电气设备完善和提高节能控制，从而降低建筑能耗、调节室内空间的温度和湿度，提高室内环境的舒适性。由此可见，智能化技术是绿色节能建筑的重要组成部分。

增加集气装置后，由表1可以看出，1 mm的孔径泄漏时，光纤的有效监测位置无变化，但相同位置的光纤所监测到的温降明显变大。3 mm的泄漏孔泄漏时，光纤的有效监测位置也变多，F

、F

和F

均能监测到明显的温度变化，而且F

和F

的温降差别不大。由此可以看出，集气装置不仅可以提升光纤温度传感器的监测效果，还可以扩大有效监测范围。

4 结论

① 光纤温度传感器用于天然气管道泄漏监测时，受空间分辨率的限制，有很大的局限性。

② 将集气装置和光纤温度传感器集成的泄漏监测方法，可在空间分辨率一定的条件下，改变泄漏气体的空间分布，以及与光纤的相对位置，从而提升监测效果和有效监测范围。

③ 今后的研究方向为空间分辨率的提升、报警逻辑的优化和泄漏气体扩散模型的建立等方面。

[1] 王江伟，王红义，崔恺，等. 光纤温度传感器在气体管道泄漏监测上的应用[J/OL]. [2021-02-07]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/45.1160.TN.2021012 0.1025.002.html.

[2] 周兆明，帐佳，杨克龙，等. 输气管道泄漏检测技术发展及适应性[J]. 油气田地面工程，2019(1)：7-12.

[3] 梁洪卫. 油气管道泄漏声波信号检测与识别技术研究(博士学位论文)[D]. 大庆：东北石油大学，2019：1-5.

[4] 刘仲勤，宋志俊，曹嫚，等. 智能球泄漏检测技术在输油管道中的应用[J]. 石油工业技术监督，2017(4)：56-58.

[5] 佟敬阔，靳宝全，王东，等. 面向管道安全监测的R-OTDR分布式光纤测温系统[J]. 传感技术学报，2018(1)：158-162.

[6] 天津大学物理化学教研室. 物理化学 上册[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，1979：88-91.

[7] 李赢，杨松伟，章建欢，等. 基于分布式光纤测温的干式空心电抗器温升监测方法的研究[J]. 仪表技术与传感器，2017(2)：43-46，50.

[8] 徐瀚立. 分布式光纤温度传感器空间分辨率对测温精度的影响研究(硕士学位论文)[D]. 杭州：中国计量学院，2014：8-16.

[9] 王蕾. 分布式光纤传感温度测试系统性能标定方法[J]. 中国计量，2016(2)：107-110.