長輸熱網光纖監測系統工程應用

劉 璐， 王 斌， 陳 濤

(北京市煤氣熱力工程設計院有限公司，北京100032)

1 概述

集中供熱已成為解決我國中型、大型、特大型城市供熱的主要方式，與國外相比，我國集中供熱雖然發展較晚，但近年來發展迅速，且具有供熱管徑大、輸送距離長的特點。目前，我國熱網的敷設方式主要以直埋為主，然而由于材料老化、環境腐蝕、極端荷載等因素的交互作用，直埋供熱管道結構狀態退化現象不可避免，甚至出現管道泄漏的安全事故[1]。管道泄漏不但造成經濟損失，而且對人民生活和公共安全產生嚴重影響。

分布式光纖可實現長距離結構溫度、振動、聲音、應變的監測。分布式光纖振動傳感技術原理為周界振動會導致光纖受壓，引發光纖折射率變化，并進而導致光相位改變。在光纖各參量保持恒定的情況下，相位差的改變與外界壓力成正相關。壓力的調制作用能夠通過傳感光纖的光相位差來體現，通過監測光相位變化便可實現光纖分布式振動測量[2]。于海洋等人[3]提出采用布里淵光纖傳感器可有效監測供熱管道工作鋼管外壁前期銹蝕情況，監測范圍大，可滿足實際工程需求。岳福義[4]對分布式光纖在線檢漏系統的技術原理、方案設計等內容進行了介紹。本文結合工程實例，對長輸熱網光纖監測系統的實際應用進行介紹。

2 光纖監測系統

光纖監測系統可實現長輸供熱管道泄漏監測、熱力井蓋防盜及供熱管道防挖掘等功能，主要包括監測子系統、風光互補發電站、監控中心。監測子系統包括：分布式光纖感溫測漏系統、光纖井蓋防盜系統、分布式光纖測振系統(主要用于實現防挖掘報警功能)，這3個子系統分別設置測溫主機、振動監控主機和光纖測振儀，并在監控中心對測溫主機、振動監控主機和光纖測振儀分別配置1臺工控機，用于測量參數的顯示、儲存、調用等，數據通過光纜傳輸。風光互補發電站主要為供熱管道隧道內空氣質量監測裝置提供電源。監控中心用于實現數據顯示與監測、故障預警與定位等功能。

3 工程應用

3.1 項目概況

某長輸熱網主干線及分支線長度約28.7 km，主干線供熱管道規格為DN 800～1 400 mm，敷設方式主要采用直埋敷設，部分管段采用隧道敷設，設計供、回水溫度為130、70 ℃。熱源為熱電廠。

3.2 監測子系統

① 光纜布置

實施光纖監測的主干線長度為17.95 km，供回水管道均綁扎2根光纜，分別布置在側壁和管底，互為備用。供回水管道光纜的布置見圖1，圖1未能反映布置在管底的光纜。

選用6芯光纜，其中2根為多模光纖，4根為單模光纖。多模光纖中的1根用于感測供熱管道外壁面溫度，另外1根用于感測管溝土壤溫度，這兩根光纖均屬于分布式光纖感溫測漏系統。單模光纖中的1根用于光纖井蓋防盜系統，1根用于分布式光纖測振系統，其余2根分別作為通信及備用。

圖1 供回水管道光纜的布置

② 分布式光纖感溫測漏系統

分布式光纖感溫測漏系統采用的測溫主機(布置在監控中心)測量長度為20 km，測溫主機為8通道，其中2個通道分配給供水管道，2個通道分配給回水管道，另外4個通道作為備用。通過光纜將溫度信號傳回測溫主機。

③ 光纖井蓋防盜系統

為實現熱力井蓋防盜，設置光纖井蓋防盜系統。在每個熱力井蓋內安裝彈簧開關，將光纜引至井蓋下固定。井蓋開關引起彈簧開關的振動，光纖感知振動，并將振動信號傳回至振動監控主機(布置在監控中心)。

④ 分布式光纖測振系統

分布式光纖測振系統由光纖、光纖測振儀等組成，實時感應外界振動信號，實現防挖掘功能。安裝在監控中心的光纖測振儀通過光纖采集沿線管道的振動信號。

3.3 風光互補發電站

風光互補發電站主要為熱力管道隧道內空氣質量監測裝置供電，以確保巡檢及維修人員的生命安全。風光互補發電站由太陽能發電裝置(光伏組件)、風力發電機組成，光伏組件和風力發電機分別經過控制器為蓄電池組進行充電，負載通過直流配電箱連接到控制器上，最終采用蓄電池對外供電。

主干線沿線共配置6座風光互補發電站，每座風光互補發電站均配置4塊單塊發電能力為165 W的多晶硅光伏組件，1臺發電能力為300 W的風力發電機，2塊12 V、250 A·h蓄電池。風光互補發電站外觀見圖2。拍攝時，風光互補發電站尚未安裝光伏組件。

圖2 風光互補發電站外觀

3.4 監控中心

監控中心主要實現主干線相關數據的集中監控、分析及指導運行、故障診斷，各類數據可在大屏幕上進行顯示。

系統軟件簡單易用，有良好的人機操作界面，以電子地圖方式直觀顯示供熱管道的具體位置及名稱，能夠準確定位故障點，指導檢修工作。具有自檢、標定和校正功能，可判斷光纖故障點，便于維護。建立供熱管道的歷史數據檔案，能根據歷史數據預測分析供熱管道在不同環境條件下的溫度變化規律，有利于積累經驗，為事故趨勢分析提供依據。具有數據查詢、備份、報表打印功能。

對長輸熱網供回水管道外壁面溫度實施連續在線監測，實現低溫或高溫的早期預警，可根據需要設置、調整報警閾值。具有局域網絡標準化通信接口，可接入企業其他業務系統，實現信息共享。系統支持遠端監控和管理。

定位軟件可實現對光纜線路進行坐標點標定(每500 m標定1次)，并對站場、閥室、管道和光纜標示樁、行政村、廠區、公路和鐵路與傳感光纜線路交叉點、管道穿越點及拐點、光纜線路拐點、接頭標樁、人(手)孔設置標定點，對有可能危害供熱管道安全的區域或臨時施工點增加臨時標定點。定位軟件可與可與地理信息系統(GIS)進行對接，管道發生泄漏位置可直接顯示并實現準確定位。

4 結語

由于長輸供熱管道敷設位置偏遠，因此主干線的泄漏監測、熱力井蓋防盜以及熱力管道防挖掘成為供熱單位的重點工作。長輸熱網光纖監測系統除以上功能外，還具備熱力隧道內空氣質量監測、熱網故障定位、歷史數據分析等功能，對保證長輸熱網安全運行起到保障作用。