煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙林，王紀(jì)強，侯墨語

(山東省科學(xué)院激光研究所 山東省光纖傳感技術(shù)重點實驗室，山東 濟南　250014)

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煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙林，王紀(jì)強，侯墨語

(山東省科學(xué)院激光研究所 山東省光纖傳感技術(shù)重點實驗室，山東 濟南250014)

針對煤礦井下管道運行情況監(jiān)測采用人工巡查法存在的耗費人力、物力及突發(fā)狀況下難以發(fā)現(xiàn)泄漏點的問題，基于光纖傳感技術(shù)及負(fù)壓波信號檢測與定位原理設(shè)計了一種煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，介紹了光纖壓力傳感器增敏結(jié)構(gòu)、負(fù)壓波下降沿信號精確獲取技術(shù)等系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并對系統(tǒng)進行了長期運行試驗和可靠性試驗。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，能有效識別閥門開閉、泵啟停等正常工況變化，并能對突發(fā)的管道泄漏進行定位，定位誤差小于1%。

煤礦管道；泄漏監(jiān)測；泄漏點定位；光纖傳感；負(fù)壓波

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1024.019.html

0　引言

煤礦井下自然環(huán)境惡劣，井下供水、通風(fēng)及瓦斯抽放管道長期遭受淋水侵蝕、巷道變形等因素的影響，管道泄漏或壓力不足情況時有發(fā)生，不僅浪費了寶貴資源，也給煤礦企業(yè)造成了巨大經(jīng)濟損失。

目前普遍采用人工巡查方法檢查井下管道運行情況，不僅耗費大量的人力、物力，而且在發(fā)生突發(fā)事故時難以及時發(fā)現(xiàn)泄漏點，造成大規(guī)模資源浪費。近幾年出現(xiàn)了電子式管道泄漏檢測系統(tǒng)，但由于煤礦井下瓦斯聚集嚴(yán)重，該系統(tǒng)用于井下存在嚴(yán)重安全隱患，所以未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用[1-2]。

本文基于光纖傳感技術(shù)的本質(zhì)安全、可靠性高、復(fù)用性強、傳輸距離遠(yuǎn)等特點[3-5]，設(shè)計了一種煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測井下供水、瓦斯抽放管道的溫度、壓力、流量，實時反映管道壓力變化情況，對管道泄漏等異常情況進行報警并進行泄漏點定位，能最大限度地縮短因壓力不足對采掘工作面造成的影響[6]。

1　管道泄漏監(jiān)測及定位原理

管道發(fā)生泄漏時，管道內(nèi)外壓差變大，流體迅速流失，導(dǎo)致泄漏點處局部液體密度減小，壓力瞬間降低[7-8]。管道中的流體由于流動連續(xù)性，不會立刻改變流速，引起泄漏點上、下游區(qū)域內(nèi)的流體向泄漏區(qū)域迅速填充，導(dǎo)致泄漏點相鄰區(qū)域流體密度減小、壓力降低，這種壓力下降的趨勢逐漸向管道兩端擴散，形成負(fù)壓波[9]。因此，可在管道兩端分別安裝光纖壓力傳感器，實時監(jiān)測管道負(fù)壓波信號。對于不同的泄漏點，負(fù)壓波到達(dá)管道兩端光纖壓力傳感器的時間差也不同。根據(jù)管道長度、負(fù)壓波傳播速度及時間差，即可實現(xiàn)管道泄漏點定位[10]。

管道泄漏監(jiān)測及定位原理如圖1所示。

圖1　管道泄漏監(jiān)測及定位原理

設(shè)光纖壓力傳感器A，B之間的管道長度為L，泄漏點為C，泄漏點C產(chǎn)生的負(fù)壓波信號傳到光纖壓力傳感器A的時間為tA，傳到光纖壓力傳感器B的時間為tB，則負(fù)壓波信號全程傳播時間為

(1)

理想狀況下，設(shè)負(fù)壓波在流體介質(zhì)中的傳播速度為v，則有tL=L/v，tA=LAC/v，tB=LCB/v，其中LAC，LCB分別為泄漏點C到光纖壓力傳感器A，B的距離。

泄漏點C產(chǎn)生的負(fù)壓波信號到達(dá)光纖壓力傳感器A，B的時間差為

(2)

由式(1)、式(2)得

(3)

由此可得泄漏點C與光纖壓力傳感器A的距離為

(4)

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)由1臺工控機和若干遠(yuǎn)端傳感器采集終端組成，具體包括光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖激光瓦斯傳感器、光纖流量傳感器、單模光纖、耦合器、多芯光纜、光纖光柵解調(diào)儀、光纖瓦斯解調(diào)儀、工控機等，如圖2所示。光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖流量傳感器通過單模光纖連接耦合器，耦合器通過多芯光纜連接光纖光柵解調(diào)儀。光纖激光瓦斯傳感器通過多芯光纜直接連接瓦斯解調(diào)儀，光纖光柵解調(diào)儀、光纖瓦斯解調(diào)儀通過網(wǎng)口與RS485接口連接工控機。工控機對檢測信號進行解析處理，實時監(jiān)測管道內(nèi)部溫度、壓力、瓦斯?jié)舛取⒘髁考柏?fù)壓波信號，通過對管道運行狀態(tài)進行實時多參數(shù)綜合分析，實現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測及管道運行狀態(tài)綜合評估。

圖2　煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)組成

3　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1光纖壓力傳感器增敏結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用高靈敏度、快速響應(yīng)光纖壓力傳感器，通過研發(fā)光纖壓力傳感器動態(tài)模型，選取優(yōu)良的彈性力學(xué)材料，優(yōu)化膜片直徑與厚度比值，仿真分析感應(yīng)膜片表面應(yīng)變分布規(guī)律及感應(yīng)靈敏度，提高了傳感器響應(yīng)頻帶及固有頻率；設(shè)計了動態(tài)標(biāo)校系統(tǒng)，對光纖壓力傳感器進行瞬態(tài)標(biāo)校，并通過實驗分析、測試傳感器的快速響應(yīng)性能，計算響應(yīng)誤差。

光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。光纖光柵(FBG)的一端粘貼在螺絲固定的基片上，另一端粘貼在與連桿焊接在一起的粘貼平臺上。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化時，在膜片左右形成壓差，膜片會發(fā)生位移，同時帶動連桿動作，導(dǎo)致FBG拉伸或收縮，光柵中心波長λB發(fā)生偏移，通過檢測λB的變化即可得到壓力值。

圖3　光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)

3.2負(fù)壓波下降沿信號精確獲取技術(shù)

管道實際運行過程中，受各種干擾因素的影響，負(fù)壓波信號強度較弱且特征不明顯，負(fù)壓波下降沿識別困難。煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的采樣頻率為20 Hz，若因負(fù)壓波下降沿不清晰造成突變點捕獲誤差6個特征點，會導(dǎo)致Δt采樣誤差為300 ms，進而造成150～180 m的定位誤差。

系統(tǒng)采用無相移濾波降噪方法處理泄漏發(fā)生時負(fù)壓波下降沿拐點的幅值與相位信息，去除泄漏負(fù)壓波高頻噪聲信號影響，保留負(fù)壓波有效低頻信號，獲取清晰、穩(wěn)定的負(fù)壓波下降沿信息[11]；同時根據(jù)泄漏點上下游光纖壓力傳感器捕捉的負(fù)壓波信號幅值衰減規(guī)律，確定泄漏診斷過程中上下游光纖壓力傳感器負(fù)壓波拐點評判標(biāo)準(zhǔn)，精確定位有效信號特征點。系統(tǒng)實際運行中，對管道兩端光纖壓力傳感器監(jiān)測的負(fù)壓波信號進行濾波降噪處理后的結(jié)果如圖4所示。

圖4　經(jīng)濾波降噪處理后的負(fù)壓波信號

4　系統(tǒng)測試

在某公司排水管道及瓦斯抽放管道對煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)進行測試。排水管道全長11.6 km，管道內(nèi)徑100 mm，排水量為80 m3/h；瓦斯抽放管道全長5.8 km，內(nèi)徑100 mm。

4.1長期運行試驗

圖5為瓦斯抽放管道遠(yuǎn)端直管溫度長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，可看出管道內(nèi)溫度在15 ℃左右波動，波動范圍約為10 ℃，每次波動最高溫度在每天中午時間段，最低溫度在每天早晨時間段，與日間正常溫度變化相符。

圖6為供水管道累計流量長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，管道基準(zhǔn)累計流量為230 m3。T2時間段因系統(tǒng)關(guān)閉，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)；在T3時間段，系統(tǒng)工控機電源損壞，系統(tǒng)停止工作，數(shù)據(jù)庫沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)；在T1，T4時間段，供水管道水泵開啟，供水管道內(nèi)有水流通過光纖流量傳感器，使得供水管道累計流量呈階梯狀上升。

圖5　瓦斯抽放管道溫度長期監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6　供水管道累計流量長期監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2可靠性試驗

在管道正常工況下，分別對管道系統(tǒng)進行停啟泵、開關(guān)閥門操作，每次停泵時間為3～4 min，以檢驗系統(tǒng)對管道正常工況變化的有效識別能力，試驗結(jié)果見表1。可看出系統(tǒng)能夠有效識別管道運輸過程中停啟泵、開關(guān)閥門等正常操作，實驗過程中未出現(xiàn)泄漏誤報等異常情況。

表1　系統(tǒng)對管道正常工況變化的識別試驗結(jié)果

為了進一步測試系統(tǒng)監(jiān)測管道泄漏的可靠性及泄漏點定位能力，通過開關(guān)安裝在管道上的4個閥門模擬管道泄漏過程。試驗結(jié)果見表2。可看出系統(tǒng)能對管道突發(fā)的泄漏事故進行有效判斷，并能對泄漏點進行定位，定位誤差小于1%，滿足實際應(yīng)用要求。另外，在4次試驗中，系統(tǒng)均在管道發(fā)生泄漏后10 s內(nèi)報警。

5　結(jié)語

將光纖傳感技術(shù)引入煤礦井下管道監(jiān)測領(lǐng)域，開發(fā)了一種煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)誤報率低，定位精度高，運行穩(wěn)定可靠，能夠根據(jù)管道實際工況有效監(jiān)測泄漏事故的發(fā)生。另外，該系統(tǒng)本質(zhì)安全，無需供電，適用于煤礦惡劣環(huán)境下的管道泄漏監(jiān)測及整體性能評估。

表2　系統(tǒng)對管道泄漏的監(jiān)測及泄漏點定位試驗結(jié)果

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于煤礦供水及瓦斯抽放管道泄漏監(jiān)測，為后期整個管道的狀態(tài)評估提供了長期、大量、全面、可靠的數(shù)據(jù)。目前該系統(tǒng)存在的問題是單純采用負(fù)壓波信號，只能監(jiān)測突發(fā)性的管道泄漏事件，對于因管道腐蝕等引起的管道長期緩慢泄漏，系統(tǒng)監(jiān)測效果不理想。下一步將研究多參數(shù)、多種泄漏監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。

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Design of pipeline leakage monitoring system for coal mine

ZHAO Lin,WANG Jiqiang,HOU Moyu

(Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology of Shandong Province,Laser Research Institute of Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014,China)

For problems existed in manual inspection method of pipeline running monitoring in coal mine underground such as laborious consumption,time consumption,difficult leak point detection under sudden conditions and so on,a pipeline leak monitoring system for coal mine was designed which was based on optical fiber sensing technology and negative pressure wave signal detection and location principle.Structure of the system was introduced as well as key technologies including enhancement sensitivity structure of fiber pressure sensor and accurate acquisition technology of negative pressure wave falling edge signal.Long-time running test and reliability test of the system were taken out.The test results show that the system can identify normal operation status of valve and pump,and locate pipeline leakage point under sudden condition with location error of less than 1%,which has stable and reliable operation.

coal mine pipeline; leakage monitoring; leakage point location; fiver sensing; negative pressure wave

1671-251X(2016)10-0012-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.003

趙林，王紀(jì)強，侯墨語.煤礦管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(10)：12-15.

2016-02-26；

2016-08-05；責(zé)任編輯：李明。

山東省自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化重大專項資助項目(2014ZZCX03405)。

趙林(1981-)，男，山東淄博人，助理研究員，碩士，主要從事光纖傳感及管道監(jiān)測技術(shù)的研究工作，E-mail：linzhao1225@126.com。

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A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-30 10:24