CN102997056B - 一种天然气管道泄漏检测传感器间隔测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种天然气管道泄漏检测传感器间隔测定方法。涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。该方法是基于光纤传感的天然气管道泄漏监测系统来测定的；在安装传感器的位置模拟泄漏信号并对信号传播的时间估计，结合泄漏振动波信号传播速度实现对传感器间隔即两传感器之间管道长度测定。本发明使管道泄漏检测传感器间隔的测定准确度高。

Description

一种天然气管道泄漏检测传感器间隔测定方法

技术领域

本发明是一种天然气管道泄漏检测传感器间隔测定方法。涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。

背景技术

目前，世界上建成的管道总长达到250万公里，已经超过铁路总里程成为世界能源主要运输方式，发达国家和中东产油区的油品输运已全部实现管道化。我国管道在近年也得到了较快发展，总长也超过7万公里，已初步形成横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外的能源管网大格局，管道运输成为油气等战略能源的调配输送的主要方式。

管道由于跨越地域广，受自然灾害、第三方施工破坏等原因，导致了较多的管道泄漏事故发生。国外管道安全情况也非常不容乐观，美国2010年9月9日圣布鲁诺市发生天然气管道大爆炸，爆炸在路面造成一个长51米、宽9米的大坑。一段长约8米、直径76厘米的管道被炸上天，飞出大约30米远，并引发大范围火灾，导致4人死亡，3人失踪，至少52人受伤，过火面积4公顷，数十桩房屋被烧毁。近年来人们安全、环保意识显著提升，作为高危行业的管道输运安全问题也得到越来越多的重视。

目前成熟的技术中对于天然气管道泄漏监测只有声波监测法较为有效，但为了提高对泄漏监测的实时性和漏点定位的准确性，必须在管线上加大传感器的布设密度，同时增加相应的供电、通信设备，造成系统成本以及安装维护费用高昂。

随着传感技术的发展国外如美国CSI、ATMOSI、欧洲TER等公司开展了SCADA泄漏监测系统研究，Sensornet公司也开发了基于分布式光纤温度传感器的泄漏监测系统，部分产品在国内也申请了专利保护；国内天津大学、清华大学、中国人民解放军后勤工程学院等单位也对管道的泄漏监测方法做了深入研究。

专利CN200410020046.6公开了一种基于干涉原理的分布式光纤油气管道泄漏监测方法及监测装置。该监测系统要求在管道附近沿管道并排铺设一根光缆，利用光缆中的光纤组成一个光纤微振动传感器。专利CN200620119429、CN200610113044.0均为基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，专利CN200610072879.6是一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏监测装置及方法。

《传感器与微系统》第26卷第7期的“基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法”公开了一种基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测装置和方法，它是在具有一定间隔的管道本体上安装光纤传感器，连续实时监测沿管道本体传播的振动波信号，对采集的振动波信号进行分析处理，包括类型识别和振动源定位，其中类型识别为通过对振动波特征的提取分析判别其是否属于泄漏类型，同时根据振动波传播到相邻几个光纤传感器的时间延迟结合振动波在管道本体上的传播速度确定振动波源所在的位置，传感器输出的光强信号经光电转换后实现泄漏点的位置的确定。

CN1837674A公开了一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏检测装置及方法。

US2006/0225507A1公开了一种基于分布式光纤传感器的管道泄漏检测装置及方法。

上述技术均属于分布式光纤传感监测方法。但该类技术监测泄漏时受到管道周围所发生的干扰事件的影响，具有很高的系统虚警率，抗干扰能力较差。

发明内容

本发明的目的是发明一种灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响的一种天然气管道泄漏检测传感器间隔测定方法。

鉴于上述几类泄漏检测、监测技术存在的灵敏度低、虚警率高、易受环境因素影响等问题，基于准分布式光纤干涉传感技术的天然气管道泄漏监测系统采用高灵敏度传感器并结合泄漏事件的时域、频域特征有针对性的进行了克服。

具有较高泄漏振动传感灵敏度的天然气管道泄漏监测系统是通过增加干涉仪两传感臂的长度和空间距离从而实现了干涉仪对振动信号的感应灵敏度的提高，在对环境随机振动干扰的抑制方面采用了泄漏信号的智能识别技术，有效区分了随机偶发振动和突发性、持续性泄漏信号，并且结合相邻的多个传感器同时获取的泄漏信号时延，更加准确的实现了泄漏点的定位。

本发明是基于光纤传感的天然气管道泄漏监测系统(见图1)来测定的。即在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，每个光纤传感器组用一根光纤接到接收端的光源和光电探测器，光电探测器输出接包括泄漏信号识别和事件定位功能的信号采集与处理模块，所述信号采集与处理模块包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口；接光电探测器输出的信号调理输出依次串接、信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口。信号采集与处理模块输出接微机。经信号采集与处理模块的处理，基于频分复用方式混合的传感器组信号实现了传感器组内各传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号。

管道泄漏传感器间隔测定方法是：在与现场相同环境下的埋设管道中采用相同的模拟泄漏信号生成方式测定的，即在安装传感器的位置模拟泄漏信号进行时延估计，结合泄漏振动波信号传播速度实现对传感器间隔即两传感器之间管道长度测定。

当泄漏发生时，泄漏激发管道产生振动波，振动波以速度V沿管道传播，其中两个相邻的传感器间隔为设定值L，设信号传播至传感器n的时间为t_n，传播至传感器n+1的时间为t_n+1，信号传播至传感器n-1的时间为t_n-1，传播至传感器n+2的时间为t_n+2，有下式成立：

$X_1=\frac{1}{2}[L-v\×(t_{n+1}-t_n)]$

$X_2=\frac{1}{2}[v\×(t_{n-1}-t_{n+1})]$

$X_3=L-\frac{1}{2}[v\×(t_{n+2}-t_n)]$

$X_4=\frac{1}{2}[L-v\×(t_{n+2}-t_{n-1})]$

其中未知参量(t_n+1-t_n)、(t_n-1-t_n+1)、(t_n+2-t_n)和(t_n+2-t_n-1)可以通过对应几个传感器接收到的信号进行相关处理得到，这样就形成了对事件发生位置X同一未知量的多次观测，联合连续多个传感器接收信号时间差，得出天然气管道泄漏传感器间隔距离，相比仅采用两个传感器的时间差测量方式具有更为准确的定位效果。将模拟泄漏测试点选择在某一个传感器位置时，通过测试模拟泄漏信号传播到邻近传感器所需的时间，根据振动波沿管道传播的速度即可逐个测试出各个传感器布设的间隔距离，多次测量后进行统计平均消除测量随机误差，可以进一步提高传感器间隔测试的精度。

利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中光纤分别作为收、发传输光纤，将管道泄漏光纤传感探头通过光复用技术相互并联接在收发传输光纤之间，形成光回路，管道泄漏光纤传感探头均匀布设在管道沿线，形成可监测管道声震动的光纤传感系统。利用光源对各个管道泄漏光纤传感探头扫描，根据管道泄漏光纤传感探头的分布情况对采集的光电转换信号解调、提取，实现各个管道泄漏光纤传感探头的振动信息获取，检测分析管道泄漏光纤传感探头信号判断是否有管道泄漏事件发生，依据相邻的管道泄漏光纤传感探头检测到信号的到达时间延迟实现对泄漏点的定位。

本发明为准分布式光纤传感的管道泄漏监测装置提供一个准确的系统安装参数，以无需供电的光纤传感器作为模拟泄漏信号的拾取装置，利用与管道同沟铺设的光纤以及光复用技术实现光纤振动传感器的信号远距离传输，并且可以多传感器联合进行传播时间测试，使管道泄漏传感器间隔的测定准确度更高。

附图说明

图1光纤传感天然气管道泄漏监测系统装置原理图

图2光纤传感天然气管道模拟泄漏信号测定传感器间隔原理图

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例.本例是基于光纤传感的天然气管道泄漏监测系统(见图1)来测定的。管道泄漏传感器间隔测定方法是：在与现场相同环境下的埋设管道中采用相同的模拟泄漏信号生成方式测定的，即在安装传感器的位置模拟泄漏信号进行时延估计，结合泄漏振动波信号传播速度实现对传感器间隔即两传感器之间管道长度测定。

在测定天然气管道泄漏监测系统传感器间隔时，当人为产生模拟泄漏信号后(见图2)，模拟泄漏信号激发管道产生振动波，振动波以速度V沿管道传播，其中两个相邻的传感器间隔为设定值L，设信号传播至传感器n的时间为t_n，传播至传感器n+1的时间为t_n+1，信号传播至传感器n-1的时间为t_n-1，传播至传感器n+2的时间为t_n+2，有下式成立：

$X_1=\frac{1}{2}[L-v\×(t_{n+1}-t_n)]$

$X_2=\frac{1}{2}[v\×(t_{n-1}-t_{n+1})]$

$X_3=L-\frac{1}{2}[v\×(t_{n+2}-t_n)]$

$X_4=\frac{1}{2}[L-v\×(t_{n+2}-t_{n-1})]$

其中未知参量(t_n+1-t_n)、(t_n-1-t_n+1)、(t_n+2-t_n)和(t_n+2-t_n-1)可以通过对应几个传感器接收到的信号进行相关处理得到，这样就形成了对事件发生位置X同一未知量的多次观测，联合连续多个传感器接收信号时间差，得出天然气管道泄漏传感器间隔距离，相比仅采用两个传感器的时间差测量方式具有更为准确的定位效果。

本例的光源采用100kHZ线宽的窄线宽光纤激光器。

本例经多次试验，通过在管道壁上安装泄漏振动敏感干涉型传感器能够实现对沿管道传播的任何扰动行为的监测，经过对模拟泄漏信号传播时间测试以及管道中泄漏信号的传播速度，即可实现传感器间隔的确定。

Claims (1)

1.一种天然气管道泄漏检测传感器间隔测定方法,其特征在于它是基于光纤传感的天然气管道泄漏监测系统来测定的；即在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，每个光纤传感器组用一根光纤接到接收端的光源和光电探测器，光电探测器输出接包括泄漏信号识别和事件定位功能的信号采集与处理模块，所述信号采集与处理模块包括信号调理、信号采集、处理单元、终端显示和外部接口；接光电探测器输出的信号调理单元输出依次串接信号采集和处理单元，处理单元输出有终端显示和外部接口；信号采集与处理模块输出接微机；经信号采集与处理模块的处理，基于频分复用方式混合的光纤传感器组信号实现了光纤传感器组内各光纤传感器的解复用，获得原始泄漏振动波信号；在安装光纤传感器的位置模拟泄漏信号进行时延估计,结合泄漏振动波信号传播速度实现对光纤传感器间隔即两光纤传感器之间管道长度测定； 

当泄漏发生时，泄漏激发管道产生振动波，振动波以速度v沿管道传播，其中两个相邻的光纤传感器间隔为设定值L，设信号传播至光纤传感器n的时间为t_n，传播至光纤传感器n+1的时间为t_n+1，信号传播至光纤传感器n-1的时间为t_n-1，传播至光纤传感器n+2的时间为t_n+2，有下式成立： 

其中未知参量(t_n+1-t_n)、(t_n-1-t_n+1)、(t_n+2-t_n)和(t_n+2-t_n-1)可以通过对应几个传感器接收到的信号进行相关处理得到，这样就形成了对事件发生位置X同一未知量的多次观测，联合连续多个光纤传感器接收信号时间差，得出天然气管道泄漏传感器间隔距离。