天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

21世紀(jì)以來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，天然氣消費(fèi)需求迅猛增加，油氣管道建設(shè)速度不斷加快。截至2019年底，中國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道總里程已達(dá)7.26×10⁴km，已形成“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、主干互聯(lián)、局域成網(wǎng)”的供氣格局。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，2025年中國(guó)油氣管網(wǎng)總里程將超過24×10⁴km。管道輸送是天然氣運(yùn)輸最常用的方式，具有安全可靠、能耗低、無污染且基本不受氣候影響的優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)輸天然氣管道經(jīng)常穿越河流、山地、采空區(qū)等地形復(fù)雜的地區(qū)，管道極易遭受第三方損壞導(dǎo)致管道泄漏。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道裸露或泄漏并采取相應(yīng)措施，必將對(duì)管道運(yùn)營(yíng)單位造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成人員傷亡等重大事故。及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)天然氣管道裸露或泄漏，對(duì)保障管道安全運(yùn)行和沿線人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。

將長(zhǎng)距離天然氣輸送管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)分為兩類：

①基于磁通、渦流、攝像等的管內(nèi)檢測(cè)法；

②基于管道壓力、溫度、流量、聲音及振動(dòng)物理參數(shù)的外部檢測(cè)法。利用光纖溫度傳感系統(tǒng)檢測(cè)天然氣管道泄漏的思路了分布式光纖拉曼散射測(cè)溫系統(tǒng)，基于管道泄漏時(shí)的溫度變化捕捉實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸氣管道泄漏的監(jiān)測(cè)。基于R-OTDR的分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)方法用于管道安全監(jiān)測(cè)。

分布式光纖傳感技術(shù)在地下管道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行，布里淵散射光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：雙端測(cè)量且動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)試耗時(shí)短且精度高，可測(cè)絕對(duì)溫度和應(yīng)變，空間分辨率可達(dá)0.1 m，測(cè)試距離長(zhǎng)（可達(dá)25 km）。基于BOTDA光纖測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行分布式光纖天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)研究，并在天然氣管道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

“分布式傳感”是指將光纖作為線性傳感器提供光纖全程的測(cè)量信息，以激光脈沖沿光纖傳播產(chǎn)生的反向散射光分析結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)而使用單一的光纖取代成千上萬個(gè)單點(diǎn)傳感器，可節(jié)省大量安裝、校準(zhǔn)、維護(hù)成本。光在光纖材料中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生布里淵散射，布里淵散射是光波和聲波（光纖材料分子布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生）在光纖中傳播時(shí)相互作用產(chǎn)生的散射，散射光的頻率相對(duì)于入射光有布里淵頻移。通過測(cè)定脈沖光的背向布里淵散射光的頻移可實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變測(cè)量。基于布里淵散射原理的溫度、應(yīng)變測(cè)量技術(shù)主要有兩類：基于光時(shí)域反射（BOTDR）的分布式光纖傳感技術(shù)和基于光時(shí)域分析（BOTDA）的分布式光纖傳感技術(shù)。為增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)采用兩個(gè)相向傳輸?shù)墓鈦碓鰪?qiáng)布里淵散射，從而使得測(cè)量得到的溫度和應(yīng)變精度更高，測(cè)量距離也更大。

天然氣管道泄漏時(shí)，氣體溢出后體積膨脹，根據(jù)Joule-Thomson效應(yīng)，管道泄漏點(diǎn)周圍的局部溫度會(huì)迅速下降，管道周圍的土中會(huì)形成溫度梯度。當(dāng)泄漏點(diǎn)附近的地層中溫度發(fā)生改變后，鋪設(shè)在管道附近的光纖可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到這種變化，傳輸至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后可以判斷泄漏點(diǎn)的位置。設(shè)計(jì)不同因素的試驗(yàn)即可建立不同泄漏工況、泄漏量與溫度降低的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為長(zhǎng)距離天然氣管道泄漏提供更多有價(jià)值的反饋數(shù)據(jù)。

基于BOTDA的分布式光纖對(duì)溫度敏感，光纖局部溫度升高或降低均會(huì)引起布里淵頻移，并且溫度變量與布里淵頻移量呈線性關(guān)系。

當(dāng)激光脈沖以某一角度打入光纖時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，可計(jì)算激光脈沖在光纖內(nèi)傳播的時(shí)間，從而對(duì)溫度變化點(diǎn)進(jìn)行定位：

天然氣管道工程干線線路全長(zhǎng)約715 km，管徑1 422 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，設(shè)計(jì)輸量380×10⁸ m³/a；支線起點(diǎn)為干線長(zhǎng)嶺分輸站，終點(diǎn)為長(zhǎng)春分輸清管站，全長(zhǎng)109 km，管徑1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，設(shè)計(jì)輸量114×10⁸ m³/a。按設(shè)計(jì)文件，此次監(jiān)測(cè)的管道分為兩段，在三級(jí)地區(qū)的高后果區(qū)，干線的監(jiān)測(cè)范圍為從HC25閥室起點(diǎn)往下游10 km，支線的監(jiān)測(cè)范圍為從輸站起點(diǎn)往下游35 km。

測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由2臺(tái)光纖測(cè)溫主機(jī)、1臺(tái)服務(wù)器（含顯示器）、1臺(tái)交換機(jī)、信號(hào)處理及分析軟件等組成），2臺(tái)光纖測(cè)溫主機(jī)分別布置在閥室和分輸站，服務(wù)器和交換機(jī)布置在分輸站。利用已同溝敷設(shè)的通信光纜中2芯光纖組成測(cè)量回路，實(shí)時(shí)感應(yīng)光纖周圍的溫度變化并傳輸至光纖測(cè)溫主機(jī)；光纖測(cè)溫主機(jī)接收、處理管道沿線光信號(hào)直接進(jìn)行解調(diào)，并將解調(diào)后的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，經(jīng)信號(hào)處理及分析軟件解算后，如果溫度超過報(bào)警閾值，則顯示溫度報(bào)警及位置。

測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于11月4日開始安裝調(diào)試，結(jié)合工程建設(shè)期焊口坐標(biāo)數(shù)據(jù)和通信光纜施工數(shù)據(jù)，扣除所有光纜井盤纜長(zhǎng)度和光纜進(jìn)站長(zhǎng)度，將光纜里程與管道里程對(duì)齊，確保誤差最小

通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，基于BOTDA分布式光纖測(cè)溫技術(shù)和Joule-Thomson效應(yīng)的天然氣管道泄漏測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)管道沿線的溫度變化，并能夠快速準(zhǔn)確定位，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。