分布式光纤泄漏检测与安全预警系统在天然气管道中的应用

李波

(中石化石油工程设计有限公司 成都分公司,四川 成都 610091)

高含硫天然气管道输送的天然气中硫化氢和二氧化碳含量较高,致使管道存在氢致开裂、硫化物应力开裂、电化学腐蚀等风险[1-2]。随着近年高含硫气田的规模性开发,高含硫天然气管道成为风险集中的地方,一旦发生管道泄漏,会对周边环境以及人员安全带来极大的威胁。因此,对高含硫天然气管道运行进行实时监控预警以减少潜在威胁,全面及时地发现泄漏并迅速实现定位,选择合适的泄漏检测与安全预警系统尤为重要。

1 泄漏检测常用方法

根据工作原理的不同,常用的管道泄漏检测方法有负压波法、质量或体积平衡法、声波法、光纤法等。

1.1 负压波法

如果管道的某个位置发生了泄漏,便会在管道内外形成一定的压差,管道内部流体会迅速流出,在泄漏点位置引起压力突降。泄漏点周围的气体在压差的作用下会向泄漏点流动,形成一个以泄漏点为中心的压力波动,即负压波。负压波以一定的速度向泄漏点的两端传播,利用安装在管道两端的压力传感器检测压力波动的信号,根据两端传感器接收到负压波的时间差就可以定位泄漏点。

负压波法的优点是可以迅速检测出大的泄漏点,缺点是对于比较小的泄漏点效果不佳。负压波法在液体管道应用较多,由于气体的可压缩性,所以在气体管道上的应用受到限制。

1.2 质量或体积平衡法

根据质量或体积平衡原理,管道内介质在进出口处的流量相等,如果流量不相等说明发生了泄漏,该检测方法即质量或体积平衡法。

在应用质量或体积平衡法进行泄漏检测时,由于管存容积随时间变化的不确定度范围难以估计,且检测的精确度依赖于现场仪表的测量精度,所以难以达到预期效果。该方法无法直接进行泄漏点的定位,需要与压力波法等配合使用,判断及识别泄漏则需要比对分析大量数据,所以该方法响应时间较长。

1.3 声波法

管道被破坏或是发生泄漏时将产生次声波信号,且沿着流体向上游和下游传播,安装在管道两端的声波传感器不断地将接收到的信号传送到现场数据采集处理器判断是否发生泄漏并定位。

声波法的优点是可实现泄漏事件识别、泄漏点定位等功能。该方法的缺点在于声波探测器安装在管道两端,泄漏产生的声波信号经长距离传播衰减严重,容易被背景噪声淹没,小的泄漏信号可能淹没在背景噪音中无法识别。

1.4 光纤法

通过光源发射一连串的脉冲光信号到传感光纤内,脉冲光会在传感光纤中产生背向散射光,而外界物理量的变化能够影响背向散射光的特性。根据光散射理论,当光在光纤中传输时,主要产生三种散射,即瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射,通过对这些散射信号进行解调可以还原出外部振动、温度和声音等特征,其定位基本原理是基于光的时域反射理论。

近年来,随着分布式光纤传感技术逐步成熟,可利用管道伴行光缆,在不另外加载传感器的同时,进行管道泄漏及第三方入侵行为连续不间断监测。提醒操作人员快速处理,减少事故发生,进一步提高管道的抗风险能力。

由以上分析可知,负压波法不适用于气体输送管道;质量或体积平衡法检测灵敏度低,响应时间长,也不适用气体输送管道[3];光纤法和声波法适用于气体输送管道,且都在高含硫天然气管道上有成功应用[4],但声波法噪声影响大,且没有预警功能,综合各项指标对比,光纤法更具优势。

2 光纤泄漏检测方法探讨

2.1 光纤泄漏检测方法比较

基于瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射原理的管道光纤泄漏检测技术目前有: 分布式光纤温度传感检测技术(DTS)、分布式光纤温度和应力变化传感检测技术(DTSS)、分布式光纤振动传感检测技术(DVS)和分布式光纤声波传感检测技术(DAS)。

2.1.1DTS技术特性

DTS技术基于拉曼散射效应,根据管道中输送的物质泄漏会引起周围环境温度的变化,利用分布式光纤温度传感器连续测量沿管道的温度分布,当管道的温度变化超过一定的范围,就可以判断发生了泄漏。该技术主要通过一定时间的数据累积来测定温度,能实时反映温度的变化趋势,误报率较低。但是对小的温度变化趋势不够敏感,不适合高瞬态事件捕捉,监测物理量较为单一,对振动、应力不敏感。

光纤与管道的间距及泄漏点的方位将直接影响检测效果。最理想的布置是在管道的上下左右方向各敷设1条光缆,或者沿着管道缠绕1圈光缆,这样不论管道的哪个方位出现泄漏,都会有较好的检测效果和较快的响应时间,但敷设4条光缆成本高,实施难度大。另外,高含硫天然气管道多数设置了防腐保温层,同沟敷设的光缆还穿硅芯管保护,防腐保温层和硅芯管均影响光纤对温度的敏感性,要实现泄漏检测比较困难。而且DTS技术只能用于事后泄漏检测,无法进行预报警,如不在同一侧泄漏,感温光缆要有较长的时间延迟才能报警,而高含硫天然气管道泄漏要求准确和迅速报警以防止事故扩大,所以该技术无法满足高含硫天然气管道的泄漏检测。

2.1.2DTSS技术特性

DTSS技术基于布里渊散射效应,对温度、应力敏感,能探测出沿着光纤不同位置的温度和应力变化,可以同时监测温度和应力变化。

但该技术检测地质灾害引起的应力变化时,光缆宜紧贴管壁敷设,光缆穿硅芯管会影响温度和应力变化检测,同DTS技术类似,用于高含硫天然气管道存在局限性。该技术一般用于大坝结构、桥梁铁路结构、架空电缆、海底电缆等的温度和应力监测,油气管道泄漏监测应用较少。

2.1.3DVS技术特性

DVS技术基于瑞利散射效应,主要利用后向瑞利散射的脉冲干涉图样定性表征光纤沿线振动信息。也有基于其他原理的探测方式,均是基于对振动的探测。

该技术能实现第三方入侵预警,但采样频率及数据处理量较少,适用于单点追踪,不能很好地监测同时发生的多事件,存在误报和漏报的情况。而且管道泄漏产生的振动较小,难以捕捉信号,不适用于管道泄漏监测,一般用于管道预警。

2.1.4DAS技术特性

DAS技术是在DVS技术的基础上进一步发展起来的,都是采用瑞利散射效应,重点关注高瞬态事件的捕捉以及对事件特征的分析。通过解调瑞利光波的相位信息,利用差分相位与声波的线性关系,定量化重建外界声音信息。其采样速率及信噪比较高,能完整还原出声音信号的波形,通过模式识别判断事件类型。

该技术能实现第三方入侵报警和泄漏检测报警及定位,同时还可以实现声音还原,由操作员辅助进行事件判别。该技术的应用,大幅提升了第三方入侵的探测性能,不但能探测出入侵事件,而且还能探测出事件类型,适用于高含硫天然气管道的泄漏检测。

2.2 DAS检测原理

基于光纤内部后向瑞利散射反映待测物理量变化情况的DAS技术,根据外界声波变化和散射信号的相位变化,在配合恰当的信号解调和信号识别算法的条件下,能够对外界声场包括频率、相位、振幅等的完整信息实时重建[5]。

工程应用中,基于DAS的分布式光纤泄漏检测与安全预警系统采用单芯普通单模通信光缆作为传感器,利用光纤对声波的敏感特性,当外界扰动作用于传感光纤上时,由于弹光效应,光纤的折射率、长度将产生微小变化,从而导致光纤内传输信号相位的变化,使得光强发生变化。仪器端分析返回的信号,获得外界作用的频率和振幅。将光缆细分以米为单位的小段,每1个测量点都是相互独立的,能够探测到光纤上同时发生的若干振动事件。DAS检测原理如图1所示。

图1 DAS检测原理示意

3 应用实例

某高含硫天然气气田,集输管道长度超100 km,管道同沟敷设直埋16芯或32芯的光缆。气田所在地区均为丘陵多山地带,自然灾害高发,易发生洪灾、滑坡等灾害。管道途经地区人口稠密区域较多,人员活动频繁。为了管道的安全运行,设置了1套基于DAS技术的分布式光纤泄漏检测与安全预警系统。

3.1 分布式光纤泄漏检测与安全预警系统结构

该系统由传感光缆、监控主机、管理系统、监控终端组成,如图2所示。其中传感光缆使用管道同沟敷设通信光缆中的单芯普通光纤。设置多套监控主机安装于管道沿线集气站,每套主机管理不同的区域,采集管道光纤返回的声波信号并进行信号转换与处理,同时将信号传送至管理系统;管理系统接收、处理监控主机上传的数据和预警信息;监控终端接收、处理和显示监控主机或管理系统上传的数据和预警信息,监控终端可以是台式电脑或手持终端等。

图2 分光纤泄漏检测与安全预警系统结构示意

3.2 光纤修复

该系统对于光纤要求单通道损耗不得高于12 dB,埋地光缆由于使用时间较长,整体损耗较高,多处光缆存在断纤、单个损耗点超过1 dB的情况,针对该情况需要开挖管道,找到光缆破损点进行重新熔接,采用DAS技术精确定位光纤损耗处使管道整体开挖转变为单点开挖,有效减少了光纤修复的时间。

3.3 光纤定位标定

管道沿线同沟敷设的光缆由于本身材质、施工因素等影响,造成光纤监测线的实际位置与管道位置不能达到一一对应,不能准确反映泄漏或预警的位置。要把显示给用户的管道预警点的位置由光缆映射给该系统,需要光纤的定位标定。

对于新建项目可以在施工过程中利用辅助校准系统对管线位置定位校准[6],但是对于已建管道则需要通过探测器沿管线现场采集,记录对应管段光纤线的实际使用距离,将泄漏点光纤线的监测位置转化为管道泄漏点的实际位置。

3.4 现场测试

现场测试主要进行模拟气体泄漏试验,同时辅以人工挖掘、机械挖掘试验,检验该系统的定位精度、响应时间、报警事件自动识别等性能。其中,人工挖掘、机械挖掘等不涉及泄漏的测试容易实现和验证,下面只对泄漏测试进行说明。

试验地点随机选择高含硫天然气管道不同桩号段,试验对象为模拟管道泄漏的4根无缝钢管。为全方位模拟真实气体泄漏,4根漏气管道分别位于输气管道的4个方向,泄漏孔径分别为2 mm,5 mm形状不规则的开孔或节流阀,距离试验管道本体约30 cm。气源为氮气瓶组,压力为12 MPa,出口设置调压阀。4个方向进行的多组泄漏点测试,应用DAS技术均能及时检测到气体泄漏并准确定位。管道内压力越大,测试效果越好。

3.5 模式识别

该系统中关键的一步是对信号进行模式识别,能够在复杂的环境条件下对威胁管道安全的事件进行快速和准确的捕捉,对事发点进行及时报警和定位。模式识别的过程主要是信号的获取、信号特征的提取、特征库的建设以及分类决策。建立标准特征库是指通过信号的样本进行一个学习的过程,分类决策是指在建立标准库之后,对输入的信号进行分类和判断的过程[7]。

该系统信号的获取通过不同事件的振动频率、相位和能量特征,实时分析全段光纤振动信号的能量谱分布。结合频率、时间、空间等方法获取信号的特征以区分当前发生的行为,如机械挖掘的信号能量特征在时间上体现为间断的能量冲击信号,其能量空间分布范围较大,而且机械振动多为低频振动,且频率集中在100 Hz以下。人工挖掘虽然也是间断信号,但其能量较小,冲击信号的时间间隔比机械挖掘要小。气体泄漏信号能量特征在时间上体现为连续的能量冲击信号,其能量空间分布范围比较集中而且中心位置点稳定不变,且频率集中在1 kHz以下。

根据声波信号的特性,可分为脉冲静止、脉冲匀速、脉冲加速、持续静止、持续匀速、持续加速、脉冲+持续静止、脉冲+持续匀速、脉冲+静止加速信号九大类,天然气管道防护事件主要有脉冲静止、脉冲+持续静止、持续静止三种类型。人工挖掘是一种典型的脉冲静止事件,机械挖掘是一种典型的脉冲+持续静止事件,气体泄漏是一种典型的持续静止信号。

对于未识别的疑似事件,如果在一段时间内多次出现,需采集足够多的样本并进行分析,可定义为一种新的模式。根据该系统的事件识别功能升级后还增加了水流冲击、管线开挖、人工锄地、管道周边施工、挖掘机入场、机械耕地、机械收割、发电机振动等模式,同时还实现了批处理作业实时监控和清管器跟踪的功能。

4 应用效果

该系统反应灵敏,针对模拟管道4个方向的气体泄漏,可准确迅速地采集到泄漏信号并报警。对于人工挖掘和机械挖掘等外力入侵信号,该系统能够准确识别并报警,各项指标均达到或超过了预期的目标。

该系统应用一段时间后,统计分析表明: 及时制止了管道上方多处挖掘机违章施工,杜绝了外力入侵对输气管道造成的不安全因素;在雨季提供了雨水冲刷点定位,准确预报垮塌、管道冲开多个风险点,经过风险点整改减少了山体滑坡、挤压对管道造成的危害,减少了雨天巡线人员的风险;还提供了管道清管通球定位服务,在多次服务过程中记录球体异常停顿位置、能量、速度等信息,为客户提供管道潜在风险点数据,可与管道腐蚀监测、历史焊接数据综合分析,确认风险点是否实际存在问题。

5 结束语

通过该系统的应用,实现了高含硫天然气管道全面、实时的安全防护,提高了问题发现的及时性和处置效率,对高含硫气田的长周期安全运行意义重大。同时,可以在高含硫气田“集中监控智能化”的模式下[8],进一步探索将人工巡检转变为自动巡检,减少巡检车辆和巡检人员,提高管控水平、助推管网运行管理模式的转变,提高劳动生产率和经济效益。