振动光纤技术在油气管道站场周界防范中的应用

许威

(中石化石油工程设计有限公司 北京分公司，北京 102200)

振动光纤技术在油气管道站场周界防范中的应用

许威

(中石化石油工程设计有限公司 北京分公司，北京 102200)

详细介绍了振动光纤系统探测振动的原理，并将微波对射、激光对射、振动电缆、振动光缆几种入侵报警技术的性能进行了对比分析，结合工程应用实例证明了振动光纤入侵报警技术具有误报率低，防雷、防爆、抗电磁干扰、耐腐蚀、不受恶劣环境影响，且安装便捷，适用于各种形式的周界，可实现无死角防御等优点，尤其适用于油气管道站场等易燃、易爆场合。

微分干涉原理 振动光纤 油气管道 站场 误报率 前端无源

随着长输管道的建设，加上近年来的中石油大连石化“7.16事故”等油气安全事故频发，油气管道及站场的安全防护问题越来越受到各级相关部门重视。虽然管道运营单位为保证安全已经采取了布设铁丝网、围栏等措施，但由于有些站场位置偏僻，且站场分布地域广，站内工艺设施容易遭到人为破坏，给国家造成巨大的经济损失，因而简单的物理防护手段已经不能满足安全防护需求[1-4]。

传统的入侵报警系统易受大风、雨雪等环境因素影响，误报率极高；有的前端传感单元需要供电，存在雷击的危险且易受电磁干扰。因此，需要通过技术手段对站场周界进行实时监测，振动光纤很好地解决了上述问题。

1 系统原理

振动光纤入侵报警系统前端设备基于微分干涉原理，如图1所示。

图1 微分干涉型光纤振动传感器原理示意

从宽带光源(SLD)发出的光，依次通过2个光纤耦合器后进入传感光纤，在终端遇到反射镜后原路返回，再按照反射方向依次通过2个光纤耦合器后进入光电探测器D1和D2。在2个光纤耦合器之间的2个连接臂，分别采用延迟光纤和直通光纤的方式形成非平衡马赫 - 曾德尔干涉结构[5]，其中延迟光纤产生的时间延迟为τ。从SLD发出的光，往返传播后，在探测端共形成4条光路，由于SLD的存在，最终只有2条光路能够形成干涉。在传感光纤上没有扰动出现时，2条干涉光路始终等长，无法形成干涉；当有扰动出现时，这2束光在时间差τ内先后经过扰动源，而扰动是对光的相位进行随时间变化的动态调制，因而在探测器D1和D2中就会形成干涉[6]。

2 系统结构

系统前端由通信光缆、传感光缆、防区控制器和光终端组成，全部为无源器件；后端由防区型主机、继电器联动模块、工控机以及软件等组成。传感光缆采集振动信号，防区控制器完成光学干涉；通信光缆将干涉后的光学信号传送至系统后端的防区型主机；防区型主机实现光电转换及数据处理，并将数据信号上传至智能算法分析处理软件，最终输出有效报警。系统结构如图2所示。

3 常用入侵报警技术对比

对当前油气行业常用的几种入侵报警技术性能进行对比，结果见表1所列。

图2 微分干涉型振动光缆系统结构示意

对比项微波报警激光对射振动电缆振动光缆使用寿命/a4～51～23～430误报、漏报率 高,易受风、雨、雪天气影响 较高,对大雾、沙尘等天气敏感 低,电磁辐射强的环境不适用,不受天气影响 较低,不受天气影响,不受电磁辐射影响安装简易型 安装简单 安装要求高,难度大;激光束靶点需精确对准 安装简单 安装简单环境适用性 要求地面平坦、无遮挡物,直线安装 不适用于周界规则的场合 易受电磁干扰,需防雷,适用于各种形状的周界 前端无源,抗电磁干扰,无需防雷适用于各种形状的周界维护难度 需经常性检修,防区控制器易损坏 需经常性检修,探头易老化、易损坏 需经常性检修 免维护综合成本 造价中等 造价最低 造价最高,通常为振动光缆的2～3倍 造价中等,防区数一定的情况下,监控距离越长,每公里造价越低

从表1可以看出，各类报警系统各有优缺点。振动光缆由于前端无源，无需防雷、维护方便、建设成本低等方面优势突出，因而更适用于油气管道站场易燃、易爆场所。

4 工程应用实例

文中以某天然气管道站场为例，该站场形状不规则。站场采用实体围墙加铁丝网的方式，围墙全长1 350 m，共分为6个防区，大门口1个防区采用激光对射探测器，其他5个防区采用振动光缆入侵探测。

入侵报警主机集成振动光纤报警信号和大门口激光对射报警信号，同时联动视频监控系统。

4.1 传感光缆选择及施工

传感光缆选用GYTA53铠装光缆，本身硬度较硬，严格按标准施工，光缆本身能够有效抑制大风条件下产生的噪声，且能有效抗误报；同时能够提供较好的振动灵敏度，性价比较高。光缆铺设于铁丝网围栏上时，采用正弦波型敷设方式，该种敷设方式可探测到攀爬、翻越、剪网、梯子辅助翻越等入侵方式。通过采用该方式，可增大围栏的感应面积，从而有效地探测到较弱的入侵信号。

由于围栏角落和支柱比较坚固，比铁丝网组织更难传递震动，因而这些部位必须增加传感光缆对其进行保护。

4.2 大门的防护

大门口是入侵报警系统防护的难点，由于该站场采用的是电动伸缩大门，大门开关频繁，若采用振动光缆则安装不便，因而大门处选用双光束激光对射式入侵报警设备，并根据站场的作息时间通过软件对大门分时布防和撤防，解决了大门布防的难题。激光对射报警信号通过数据总线引入入侵报警主机。

4.3 无源防区控制器的安装

无源防区控制器选择地埋安装方式。采用防水抗老化地埋箱预埋，然后将无源防区控制器放置到地埋箱中，熔接好光缆后再防水密封，便于后期维护。地埋箱深度位于地表下1 m左右。

4.4 应用效果

测试该系统应用效果时，人为地在该站场加入了一些干扰，如大雨、大风天气、动物闯入等，系统均未报警，可见振动光缆系统能较好地区分人为入侵和其他入侵，测试系统误报率为零，测试结果见表2所列。

表2 基于振动光纤技术的周界入侵报警系统使用效果统计

5 结束语

振动光纤入侵报警系统利用光缆作为传感器，通过防区型主机实现光电转换及数据处理，并将数据信号上传至智能算法分析处理软件，对入侵事件的信号特征进行智能分析与模式识别，以减少系统的误报率。同时前端的无源设计，相对其他入侵技术更适合在油气站场等防爆场所应用。据了解，振动光纤入侵报警系统在中石油塔里木油田大量应用，至今应用效果良好。随着天然气管道数字化、智能化的推进，振动光纤入侵报警技术因其独有的优势将在油气管道站场得到更广泛的应用。

[1] 司辉，李香文，董晓琪，等.振动光纤技术在天然气站场周界

安防中的应用[J].天然气工业，2013(10)： 116-121.

[2] 闫奇众.光纤传感周界入侵防范系统技术现状及市场前景浅析[J].烽火科技，2012(01)： 17-21.

[3] 刘波，杨亦飞，牛文成，等.光纤围栏技术特点及研究现状[J].光子技术，2004(04)： 208-213.

[4] 刘利.光纤光栅周界入侵报警系统在石油罐区周界安防中的应用[J].石油化工安全环保技术，2012，28(06)： 32-35.

[5] 李善田，朱咏梅.基于马赫 - 增德尔干涉仪的光纤周界防范装置设计[J].工业控制计算机，2009(08)： 36-38.

[6] 许海燕，艾鑫，吴红艳.微分干涉型光纤振动系统识别技术研究[J].光学仪器，2014(08)： 305-310.

[7] 刘铁川，徐业蓬.无线技术在浮顶储罐一二次密封层间油气监测中的应用.石油化工自动化，2015，51(01)： 56-58.

[8] 尤立华.油气管道自动化站控系统维护与管理.石油化工自动化，2015，51(05)： 67-69.

Application of Vibration Fiber Technology to Perimeter Security at Oil and Gas Pipeline Station

Xu Wei

(Beijing branch, Sinopec Petroleum Engineering Corporation, Beijing, 102200, China)

The principle of vibrating optical fiber system is introduced in detail. The performance of several intrusion alarm technologies including microwave radio, laser beam, vibration cable and vibration FOC is compared. The application example proves the vibration fiber intrusion alarm technology has advantages of low false alarm rate, lightning surge protection, anti-electromagnetic interference, anti-corrosion, anti-harsh environment, easy installation. It is suitable for all kinds of perimeter with advantage of no dead angle realization. It is especially applicable for flammable and explosive situations, such as oil and gas piping stations and so on.

differential interference principle; optical fiber vibration sensing; oil and gas pipeline station; false alarm rate; front-end passive

许威(1986—)，2009年毕业于山东大学信息科学学院通信专业，获学士学位，就职于中石化石油工程设计有限公司，从事通信专业设计工作，任工程师。

TP274+.51

B

1007-7324(2017)03-0047-03

稿件收到日期： 2016-12-09，修改稿收到日期： 2017-03-06。