分布式光纖泄漏檢測與安全預警系統在天然氣管道中的應用

李波

(中石化石油工程設計有限公司 成都分公司,四川 成都 610091)

高含硫天然氣管道輸送的天然氣中硫化氫和二氧化碳含量較高,致使管道存在氫致開裂、硫化物應力開裂、電化學腐蝕等風險[1-2]。隨著近年高含硫氣田的規模性開發,高含硫天然氣管道成為風險集中的地方,一旦發生管道泄漏,會對周邊環境以及人員安全帶來極大的威脅。因此,對高含硫天然氣管道運行進行實時監控預警以減少潛在威脅,全面及時地發現泄漏并迅速實現定位,選擇合適的泄漏檢測與安全預警系統尤為重要。

1 泄漏檢測常用方法

根據工作原理的不同,常用的管道泄漏檢測方法有負壓波法、質量或體積平衡法、聲波法、光纖法等。

1.1 負壓波法

如果管道的某個位置發生了泄漏,便會在管道內外形成一定的壓差,管道內部流體會迅速流出,在泄漏點位置引起壓力突降。泄漏點周圍的氣體在壓差的作用下會向泄漏點流動,形成一個以泄漏點為中心的壓力波動,即負壓波。負壓波以一定的速度向泄漏點的兩端傳播,利用安裝在管道兩端的壓力傳感器檢測壓力波動的信號,根據兩端傳感器接收到負壓波的時間差就可以定位泄漏點。

負壓波法的優點是可以迅速檢測出大的泄漏點,缺點是對于比較小的泄漏點效果不佳。負壓波法在液體管道應用較多,由于氣體的可壓縮性,所以在氣體管道上的應用受到限制。

1.2 質量或體積平衡法

根據質量或體積平衡原理,管道內介質在進出口處的流量相等,如果流量不相等說明發生了泄漏,該檢測方法即質量或體積平衡法。

在應用質量或體積平衡法進行泄漏檢測時,由于管存容積隨時間變化的不確定度范圍難以估計,且檢測的精確度依賴于現場儀表的測量精度,所以難以達到預期效果。該方法無法直接進行泄漏點的定位,需要與壓力波法等配合使用,判斷及識別泄漏則需要比對分析大量數據,所以該方法響應時間較長。

1.3 聲波法

管道被破壞或是發生泄漏時將產生次聲波信號,且沿著流體向上游和下游傳播,安裝在管道兩端的聲波傳感器不斷地將接收到的信號傳送到現場數據采集處理器判斷是否發生泄漏并定位。

聲波法的優點是可實現泄漏事件識別、泄漏點定位等功能。該方法的缺點在于聲波探測器安裝在管道兩端,泄漏產生的聲波信號經長距離傳播衰減嚴重,容易被背景噪聲淹沒,小的泄漏信號可能淹沒在背景噪音中無法識別。

1.4 光纖法

通過光源發射一連串的脈沖光信號到傳感光纖內,脈沖光會在傳感光纖中產生背向散射光,而外界物理量的變化能夠影響背向散射光的特性。根據光散射理論,當光在光纖中傳輸時,主要產生三種散射,即瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射,通過對這些散射信號進行解調可以還原出外部振動、溫度和聲音等特征,其定位基本原理是基于光的時域反射理論。

近年來,隨著分布式光纖傳感技術逐步成熟,可利用管道伴行光纜,在不另外加載傳感器的同時,進行管道泄漏及第三方入侵行為連續不間斷監測。提醒操作人員快速處理,減少事故發生,進一步提高管道的抗風險能力。

由以上分析可知,負壓波法不適用于氣體輸送管道;質量或體積平衡法檢測靈敏度低,響應時間長,也不適用氣體輸送管道[3];光纖法和聲波法適用于氣體輸送管道,且都在高含硫天然氣管道上有成功應用[4],但聲波法噪聲影響大,且沒有預警功能,綜合各項指標對比,光纖法更具優勢。

2 光纖泄漏檢測方法探討

2.1 光纖泄漏檢測方法比較

基于瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射原理的管道光纖泄漏檢測技術目前有: 分布式光纖溫度傳感檢測技術(DTS)、分布式光纖溫度和應力變化傳感檢測技術(DTSS)、分布式光纖振動傳感檢測技術(DVS)和分布式光纖聲波傳感檢測技術(DAS)。

2.1.1DTS技術特性

DTS技術基于拉曼散射效應,根據管道中輸送的物質泄漏會引起周圍環境溫度的變化,利用分布式光纖溫度傳感器連續測量沿管道的溫度分布,當管道的溫度變化超過一定的范圍,就可以判斷發生了泄漏。該技術主要通過一定時間的數據累積來測定溫度,能實時反映溫度的變化趨勢,誤報率較低。但是對小的溫度變化趨勢不夠敏感,不適合高瞬態事件捕捉,監測物理量較為單一,對振動、應力不敏感。

光纖與管道的間距及泄漏點的方位將直接影響檢測效果。最理想的布置是在管道的上下左右方向各敷設1條光纜,或者沿著管道纏繞1圈光纜,這樣不論管道的哪個方位出現泄漏,都會有較好的檢測效果和較快的響應時間,但敷設4條光纜成本高,實施難度大。另外,高含硫天然氣管道多數設置了防腐保溫層,同溝敷設的光纜還穿硅芯管保護,防腐保溫層和硅芯管均影響光纖對溫度的敏感性,要實現泄漏檢測比較困難。而且DTS技術只能用于事后泄漏檢測,無法進行預報警,如不在同一側泄漏,感溫光纜要有較長的時間延遲才能報警,而高含硫天然氣管道泄漏要求準確和迅速報警以防止事故擴大,所以該技術無法滿足高含硫天然氣管道的泄漏檢測。

2.1.2DTSS技術特性

DTSS技術基于布里淵散射效應,對溫度、應力敏感,能探測出沿著光纖不同位置的溫度和應力變化,可以同時監測溫度和應力變化。

但該技術檢測地質災害引起的應力變化時,光纜宜緊貼管壁敷設,光纜穿硅芯管會影響溫度和應力變化檢測,同DTS技術類似,用于高含硫天然氣管道存在局限性。該技術一般用于大壩結構、橋梁鐵路結構、架空電纜、海底電纜等的溫度和應力監測,油氣管道泄漏監測應用較少。

2.1.3DVS技術特性

DVS技術基于瑞利散射效應,主要利用后向瑞利散射的脈沖干涉圖樣定性表征光纖沿線振動信息。也有基于其他原理的探測方式,均是基于對振動的探測。

該技術能實現第三方入侵預警,但采樣頻率及數據處理量較少,適用于單點追蹤,不能很好地監測同時發生的多事件,存在誤報和漏報的情況。而且管道泄漏產生的振動較小,難以捕捉信號,不適用于管道泄漏監測,一般用于管道預警。

2.1.4DAS技術特性

DAS技術是在DVS技術的基礎上進一步發展起來的,都是采用瑞利散射效應,重點關注高瞬態事件的捕捉以及對事件特征的分析。通過解調瑞利光波的相位信息,利用差分相位與聲波的線性關系,定量化重建外界聲音信息。其采樣速率及信噪比較高,能完整還原出聲音信號的波形,通過模式識別判斷事件類型。

該技術能實現第三方入侵報警和泄漏檢測報警及定位,同時還可以實現聲音還原,由操作員輔助進行事件判別。該技術的應用,大幅提升了第三方入侵的探測性能,不但能探測出入侵事件,而且還能探測出事件類型,適用于高含硫天然氣管道的泄漏檢測。

2.2 DAS檢測原理

基于光纖內部后向瑞利散射反映待測物理量變化情況的DAS技術,根據外界聲波變化和散射信號的相位變化,在配合恰當的信號解調和信號識別算法的條件下,能夠對外界聲場包括頻率、相位、振幅等的完整信息實時重建[5]。

工程應用中,基于DAS的分布式光纖泄漏檢測與安全預警系統采用單芯普通單模通信光纜作為傳感器,利用光纖對聲波的敏感特性,當外界擾動作用于傳感光纖上時,由于彈光效應,光纖的折射率、長度將產生微小變化,從而導致光纖內傳輸信號相位的變化,使得光強發生變化。儀器端分析返回的信號,獲得外界作用的頻率和振幅。將光纜細分以米為單位的小段,每1個測量點都是相互獨立的,能夠探測到光纖上同時發生的若干振動事件。DAS檢測原理如圖1所示。

圖1 DAS檢測原理示意

3 應用實例

某高含硫天然氣氣田,集輸管道長度超100 km,管道同溝敷設直埋16芯或32芯的光纜。氣田所在地區均為丘陵多山地帶,自然災害高發,易發生洪災、滑坡等災害。管道途經地區人口稠密區域較多,人員活動頻繁。為了管道的安全運行,設置了1套基于DAS技術的分布式光纖泄漏檢測與安全預警系統。

3.1 分布式光纖泄漏檢測與安全預警系統結構

該系統由傳感光纜、監控主機、管理系統、監控終端組成,如圖2所示。其中傳感光纜使用管道同溝敷設通信光纜中的單芯普通光纖。設置多套監控主機安裝于管道沿線集氣站,每套主機管理不同的區域,采集管道光纖返回的聲波信號并進行信號轉換與處理,同時將信號傳送至管理系統;管理系統接收、處理監控主機上傳的數據和預警信息;監控終端接收、處理和顯示監控主機或管理系統上傳的數據和預警信息,監控終端可以是臺式電腦或手持終端等。

圖2 分光纖泄漏檢測與安全預警系統結構示意

3.2 光纖修復

該系統對于光纖要求單通道損耗不得高于12 dB,埋地光纜由于使用時間較長,整體損耗較高,多處光纜存在斷纖、單個損耗點超過1 dB的情況,針對該情況需要開挖管道,找到光纜破損點進行重新熔接,采用DAS技術精確定位光纖損耗處使管道整體開挖轉變為單點開挖,有效減少了光纖修復的時間。

3.3 光纖定位標定

管道沿線同溝敷設的光纜由于本身材質、施工因素等影響,造成光纖監測線的實際位置與管道位置不能達到一一對應,不能準確反映泄漏或預警的位置。要把顯示給用戶的管道預警點的位置由光纜映射給該系統,需要光纖的定位標定。

對于新建項目可以在施工過程中利用輔助校準系統對管線位置定位校準[6],但是對于已建管道則需要通過探測器沿管線現場采集,記錄對應管段光纖線的實際使用距離,將泄漏點光纖線的監測位置轉化為管道泄漏點的實際位置。

3.4 現場測試

現場測試主要進行模擬氣體泄漏試驗,同時輔以人工挖掘、機械挖掘試驗,檢驗該系統的定位精度、響應時間、報警事件自動識別等性能。其中,人工挖掘、機械挖掘等不涉及泄漏的測試容易實現和驗證,下面只對泄漏測試進行說明。

試驗地點隨機選擇高含硫天然氣管道不同樁號段,試驗對象為模擬管道泄漏的4根無縫鋼管。為全方位模擬真實氣體泄漏,4根漏氣管道分別位于輸氣管道的4個方向,泄漏孔徑分別為2 mm,5 mm形狀不規則的開孔或節流閥,距離試驗管道本體約30 cm。氣源為氮氣瓶組,壓力為12 MPa,出口設置調壓閥。4個方向進行的多組泄漏點測試,應用DAS技術均能及時檢測到氣體泄漏并準確定位。管道內壓力越大,測試效果越好。

3.5 模式識別

該系統中關鍵的一步是對信號進行模式識別,能夠在復雜的環境條件下對威脅管道安全的事件進行快速和準確的捕捉,對事發點進行及時報警和定位。模式識別的過程主要是信號的獲取、信號特征的提取、特征庫的建設以及分類決策。建立標準特征庫是指通過信號的樣本進行一個學習的過程,分類決策是指在建立標準庫之后,對輸入的信號進行分類和判斷的過程[7]。

該系統信號的獲取通過不同事件的振動頻率、相位和能量特征,實時分析全段光纖振動信號的能量譜分布。結合頻率、時間、空間等方法獲取信號的特征以區分當前發生的行為,如機械挖掘的信號能量特征在時間上體現為間斷的能量沖擊信號,其能量空間分布范圍較大,而且機械振動多為低頻振動,且頻率集中在100 Hz以下。人工挖掘雖然也是間斷信號,但其能量較小,沖擊信號的時間間隔比機械挖掘要小。氣體泄漏信號能量特征在時間上體現為連續的能量沖擊信號,其能量空間分布范圍比較集中而且中心位置點穩定不變,且頻率集中在1 kHz以下。

根據聲波信號的特性,可分為脈沖靜止、脈沖勻速、脈沖加速、持續靜止、持續勻速、持續加速、脈沖+持續靜止、脈沖+持續勻速、脈沖+靜止加速信號九大類,天然氣管道防護事件主要有脈沖靜止、脈沖+持續靜止、持續靜止三種類型。人工挖掘是一種典型的脈沖靜止事件,機械挖掘是一種典型的脈沖+持續靜止事件,氣體泄漏是一種典型的持續靜止信號。

對于未識別的疑似事件,如果在一段時間內多次出現,需采集足夠多的樣本并進行分析,可定義為一種新的模式。根據該系統的事件識別功能升級后還增加了水流沖擊、管線開挖、人工鋤地、管道周邊施工、挖掘機入場、機械耕地、機械收割、發電機振動等模式,同時還實現了批處理作業實時監控和清管器跟蹤的功能。

4 應用效果

該系統反應靈敏,針對模擬管道4個方向的氣體泄漏,可準確迅速地采集到泄漏信號并報警。對于人工挖掘和機械挖掘等外力入侵信號,該系統能夠準確識別并報警,各項指標均達到或超過了預期的目標。

該系統應用一段時間后,統計分析表明: 及時制止了管道上方多處挖掘機違章施工,杜絕了外力入侵對輸氣管道造成的不安全因素;在雨季提供了雨水沖刷點定位,準確預報垮塌、管道沖開多個風險點,經過風險點整改減少了山體滑坡、擠壓對管道造成的危害,減少了雨天巡線人員的風險;還提供了管道清管通球定位服務,在多次服務過程中記錄球體異常停頓位置、能量、速度等信息,為客戶提供管道潛在風險點數據,可與管道腐蝕監測、歷史焊接數據綜合分析,確認風險點是否實際存在問題。

5 結束語

通過該系統的應用,實現了高含硫天然氣管道全面、實時的安全防護,提高了問題發現的及時性和處置效率,對高含硫氣田的長周期安全運行意義重大。同時,可以在高含硫氣田“集中監控智能化”的模式下[8],進一步探索將人工巡檢轉變為自動巡檢,減少巡檢車輛和巡檢人員,提高管控水平、助推管網運行管理模式的轉變,提高勞動生產率和經濟效益。