光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)定位優(yōu)化換算方法及輔助定位校準(zhǔn)系統(tǒng)

邱華偉，李廣山，胡春峰，王帥，邱曉霞，邱秀娟

光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)定位優(yōu)化換算方法及輔助定位校準(zhǔn)系統(tǒng)

邱華偉，李廣山，胡春峰，王帥，邱曉霞，邱秀娟

（唐山興邦管道工程設(shè)備有限公司，河北 唐山 064106）

通過定位精度計算方法能夠有效提高光纖監(jiān)測系統(tǒng)的實際監(jiān)測精度，為光纖監(jiān)測系統(tǒng)的維穩(wěn)運行提供相應(yīng)理論支持，光纖輔助定位校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠有效提高光纖監(jiān)測系統(tǒng)在施工過程中的安裝精度，為光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)精準(zhǔn)定位泄漏源頭提供可靠技術(shù)支持。

供熱管網(wǎng)；管道運行監(jiān)測系統(tǒng)；光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)；泄漏監(jiān)測

1 前言

管道運輸作為一種安全、方便的運輸方式已在現(xiàn)代社會中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在長距離輸送油氣、供水、供熱等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位，為人們的生產(chǎn)、生活帶來了極大的便利。但是，管道運輸方式會受各種不良因素（包括管道老化、管道鋪設(shè)地的地質(zhì)條件等）的影響，極易出現(xiàn)管道泄漏現(xiàn)象，為了解決這一問題，保證管道的正常運行，高效精密的管道監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展進步中。

管道泄漏監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展是管道運輸工程中的一個重要環(huán)節(jié)，因為管道泄漏會帶來許多嚴(yán)重的不良影響，包括能源浪費和環(huán)境污染，甚至造成重大的經(jīng)濟損失。

2 國內(nèi)管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)實施運行現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對于保溫管道泄漏監(jiān)測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)在頒布或?qū)嵤┗蛟诰幍龋侵袊鴩鴥?nèi)熱力管網(wǎng)大部分都屬于老舊管網(wǎng)，二次開挖維護管網(wǎng)安全運行經(jīng)費開銷巨大，不容易實現(xiàn)管網(wǎng)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的安裝。因此管道泄漏監(jiān)測設(shè)備主要應(yīng)用于新管網(wǎng)的配套安裝與實施當(dāng)中，但受限于管道泄漏監(jiān)測設(shè)備技術(shù)不完善，很多新建管道泄漏監(jiān)測設(shè)備在實際運行監(jiān)測管網(wǎng)過程中困難重重，因管道泄漏監(jiān)測設(shè)備技術(shù)不成熟或監(jiān)測設(shè)備報警不準(zhǔn)確，為用戶帶來的問題比比皆是，但管網(wǎng)運行實際上是一個長久的過程，管道泄漏所造成的經(jīng)濟損失以及社會影響往往是巨大的，長遠來看，適合中國國情的成熟可靠的管道泄漏監(jiān)測設(shè)備是市場的迫切需要，也是提升中國熱力管網(wǎng)綜合裝備技術(shù)的需要。

3 供熱管網(wǎng)安全運行監(jiān)測系統(tǒng)的選擇

目前國內(nèi)監(jiān)測保溫管道泄漏的裝置種類繁多，如熱能探測管道泄漏裝置、聲吶探測管道泄漏裝置、振動探測管道泄漏裝置等，這類管道泄漏監(jiān)測局限性較高，實時在線監(jiān)測這方面功能不夠完善，多適合在特定的條件下使用。

目前，市場上實時管道泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩種：①報警線預(yù)制在保溫層里面，通過檢測報警線阻值變化來實時在線監(jiān)測管道泄漏情況的產(chǎn)品，但這種產(chǎn)品對補口工藝要求很高，產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力弱，雨雪天氣無法有效保證補口處報警線對接質(zhì)量，影響施工進度，因此市場推廣度也不高；②外置于保溫管道外壁的光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，測溫光纖通過測量管道泄漏時四周溫度的變化而進行報警提示，同時光纖鋪設(shè)普遍適用于各種工況環(huán)境，光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測范圍廣，監(jiān)測靈敏度高，溫度分辨率高，隨管道鋪設(shè)安裝方便等優(yōu)點，是適用于中國國情下的管道泄漏監(jiān)測產(chǎn)品。

4 光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)簡介

4.1 技術(shù)優(yōu)勢

本系統(tǒng)采用全光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)供熱管網(wǎng)的泄漏監(jiān)測及定位、井室的水位及瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測和管網(wǎng)關(guān)鍵位置處的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。對比于傳統(tǒng)的檢測方法，光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)有遠程傳輸、多參數(shù)、大容量、實時在線、抗干擾、本質(zhì)安全等優(yōu)點。

對于供熱管網(wǎng)泄漏監(jiān)測來說，一根光纖可測量超過 15 km的供熱管道外表面的溫度分布，并給出溫度數(shù)據(jù)對應(yīng)的空間位置，一臺同時具備多通道測量的分布式光纖溫度傳感主機能夠測量多條管線組成的管網(wǎng)的溫度，在光纖敷設(shè)范圍內(nèi)的管道發(fā)生泄漏時，能夠根據(jù)光纜感受的溫度、溫升以及溫度擴散范圍、速度等參數(shù)及時準(zhǔn)確定位管道泄漏的位置和趨勢。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

分布式光纖主要功能系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

5 光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)實施方案

光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩個部分：①測溫光纖主機，主要對光纖反饋回來的光反射信號進行收集、分析、處理，再通過一定程序的運算方法得到相應(yīng)光纖位置的溫度；②隨保溫管道鋪設(shè)的光纖監(jiān)測線，主要鋪設(shè)于管道水平面以下，多以捆扎帶進行固定，同時光纖監(jiān)測線的數(shù)量也可根據(jù)實際情況進行調(diào)整，原則上監(jiān)測光纖線環(huán)繞外護管鋪設(shè)越密集，光纖監(jiān)測效果越好。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

光纖監(jiān)測線在緊貼保溫管道外壁安裝過程中，由于本身材質(zhì)影響，不可避免會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，進而造成光纖監(jiān)測線的實際位置與管道位置不能達到一一對應(yīng)的問題，如果管道發(fā)生泄漏，光纖監(jiān)測線并不能準(zhǔn)確反映泄漏的位置，這樣也會浪費管道維修人員的時間、精力。為此，研發(fā)了一種光纖定位精度優(yōu)化的運算方法。

6 光纖定位精度優(yōu)化的運算方法

對一種光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)定位精度優(yōu)化計算的方法進行如下具體介紹。

由于光纖長距離綁縛在管道外護管外側(cè)管壁上，光纖會有一定的松弛度，如圖2所示，所以管道起點A到終點B的光纖長度與管道長度不完全一致，大于的長度。那么起點A到C點泄漏點的光纖感溫點的長度，也大于起點A到C管道泄漏點的距離的長度。

圖2 管道泄漏點位置距離

管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)要把顯示給用戶的管道泄漏點C的位置由光纖線映射給管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，使用公式=×/，泄漏點光纖的位置距離轉(zhuǎn)化為管道泄漏點位置距離。

在管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)光纖線安裝過程中，需要掌握管網(wǎng)的設(shè)計規(guī)劃圖紙以及管道距離分布圖，另外需要記錄在光纖鋪設(shè)過程中對應(yīng)管段光纖線的實際使用距離。

整條管道總長與光纖線總長之間的相關(guān)系數(shù)=管道總長/對應(yīng)光纖總長。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)把顯示給用戶的管道泄漏點的位置由光纖線映射給管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，使用公式=×/，泄漏點光纖線的監(jiān)測位置轉(zhuǎn)化為管道泄漏點的實際位置。

管道泄漏位置經(jīng)過軟件計算導(dǎo)出，然后通過軟件平臺，在客戶端顯示具體泄漏位置。

7 光纖管道泄漏監(jiān)測輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)

針對光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，在光纖敷設(shè)施工中由于施工誤差及光纖本身應(yīng)力影響光纖的敷設(shè)長度不能準(zhǔn)確對應(yīng)實際管網(wǎng)位置這一問題，提供了一種輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)。

光纖管道泄漏監(jiān)測輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)由傳感器、便攜式電源、加熱單元、定位模塊、4G網(wǎng)絡(luò)模塊、云端服務(wù)器等組成，所述光纖管道泄漏監(jiān)測輔助定位校準(zhǔn)統(tǒng)（以下簡稱“輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)”）通過云服務(wù)器實施可遠程控制與光纖管道泄漏系統(tǒng)組成聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

在施工過程中將輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)通過捆扎帶夾緊在待測定光纖的上，輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)中的定位模塊對當(dāng)前管線位置進行定位校準(zhǔn)工作，并將采集的定位信息發(fā)送至云端服務(wù)器；云端服務(wù)器接收到定位信息后，光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)開始掃描整根光纖，并持續(xù)記錄整根光纖溫度、距離變化曲線圖；光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)掃描的同時，輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)加熱單元開始進行加熱升溫，當(dāng)溫度升高至一定溫度時，加熱單元保持預(yù)設(shè)溫度恒定發(fā)熱；傳感器進行溫度采集讀取后，將溫度信息通過4G網(wǎng)絡(luò)模塊上傳至云端服務(wù)器；云端服務(wù)器將接收到的光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)溫度曲線與輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)位置及溫度信息通過分析單元進行數(shù)據(jù)處理；云端服務(wù)器上的校準(zhǔn)分析單元進行多組數(shù)據(jù)分析對比，與輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)上傳的GPS定位信號匹配綁定，在地圖上自動標(biāo)點實際管道溫度、位置信息。

一種用于管道測溫光纜敷設(shè)施工測溫定位校準(zhǔn)系統(tǒng)具有操作簡便、測量精度高、受地域影響小、升溫快等特點，是一種與光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)相匹配較理想的輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)。隨著管道測溫光纖的敷設(shè)具有廣闊的市場前景。輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)與光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)運行原理如圖3所示。

綜上，通過光纖管道泄漏監(jiān)測輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)以及光纖定位精度優(yōu)化換算方法兩大技術(shù)層面上的支持，使得光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中擁有更為可靠的技術(shù)支撐，彌補了光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的不足，使得光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的功能更加精準(zhǔn)化、實用化。同時助力光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在中國供熱管網(wǎng)監(jiān)測領(lǐng)域的市場推廣，為中國熱力管網(wǎng)的綜合質(zhì)量提供可靠技術(shù)支持。

圖3 輔助校準(zhǔn)系統(tǒng)與光纖管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)運行原理示意圖

［1］周抗冰，賈麗華，孫蕾，等.CJJ/T 254—2016 城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

［2］城市建設(shè)研究院，北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司，中國市政工程華北設(shè)計研究院，等.CJJ/T 81—2013城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

TU995.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.002

2095－6835（2020）18－0004－02

邱華偉（1979—），男，專科，高級工程師，唐山興邦管道工程設(shè)備有限公司董事長，研究方向為設(shè)備工程。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕