光纤预警

2024-11-07

光纤预警（共7篇）

光纤预警篇1

0 引言

我国现有油气管道5万多公里,在管道上打孔盗油、盗气事件十分频繁,对国家和人民生命财产造成了巨大损失,因此研制管道预警系统迫在眉睫。目前有多种检测油气管道泄漏的传感技术[1,2,3],但这些技术均在管道遭到破坏后才能报警,不能实现真正的预警。光纤传感系统灵敏度高、耐高温、耐压、耐拉,受恶劣地形与气候的影响较小,因而分布式光纤传感技术最适用于油气管道的安全预警系统。盗油事件必然产生振动,分布式光纤传感技术通过检测振动信号可以在管道未遭破坏前就发出预警。此外,石油公司已经在输油管道沿线敷设通信光纤,如同步使用光纤传感系统可以降低施工成本。

目前有多种光纤传感技术可分布式地检测振动信号。其中较为成熟的光时域反射(OTDR)技术是通过检测从光纤各部分散射回来的后向散射光的光强,检测外界振动信号并对其定位[4,5]。但采用OTDR技术检测时,光纤必须被破坏或强烈弯折才能作出有效报警,而且OTDR传感系统的造价过高,因此限制了它的应用。2000年澳大利亚FFT公司报道了一种分布式光相位传感系统,该系统可以实时地采集20 km传感距离内的各类振动信号并对其定位,但该系统不能对振动信号进行分类,因而不能解决误报率高的问题。2002年Hotate等人提出δ相干函数法对振动等物理量进行分布式检测[6],但这种检测方案需要采用保偏光纤,因此系统造价很高,目前还没研制出实用的传感系统。2003年,胡志新等人介绍了基于Sagnac干涉仪原理的传感系统[7],实验结果表明,该系统检测的准确度受多种因素影响,稳定性不能令人满意。2005年Juarez等人通过检测光纤中不同位置的后向散射光在光电探测器处产生干涉的光相位(ϕ-OTDR)变化,在2 km范围内对振动信号进行分布式检测[8],并将不同时刻得到的ϕ-OTDR曲线相减,对振动信号定位。但这种检测方案对光源的要求很高,而且仅能对信号进行定位,不能分析振动信号的频谱特性,同样不能解决误报率高的问题。

本文设计了一种基于Mach-Zehnder(M-Z)干涉原理的新型分布式油气管道光纤预警系统,可在管道与光纤均未遭破坏的情况下,对破坏事件的振动信号进行高灵敏度检测并预警。通过信号频谱分析,能够有效降低误报率,在50 km距离上,对破坏事件的定位相对误差为2%,误报率小于5%。

1 系统原理

1.1 振动信号检测原理

新型分布式光纤预警系统结构如图1所示,分布式光纤传感器沿油气管道敷设,实时检测管道沿线振动信号并将其调制为相位信号,M-Z干涉仪将相位信号转化为强度信号,信号处理系统分析信号频谱后作出判断和预警。

分布式光纤传感器是基于M-Z干涉原理,其光路如图2所示。图中实线箭头表示在干涉仪中光源发出的光的传播;S1和S2为外部振动影响产生的信号;虚线箭头表示两路光波干涉后形成的携带振动信息的干涉信号。光源发出的光经过耦合器C1后分为两路,分别按图中所示的顺时针和逆时针方向传播,各自形成一个M-Z光纤干涉仪,耦合器C2、C4之间的部分为两个干涉臂。两路光波分别在耦合器C2、C4处形成干涉信号,其光强为:

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式中I1,I2分别为两个干涉臂中的相干光强,ϕ(t)为两个干涉信号间的相位差,λ为波长,Δl(t)为两个相干光之间的光程差。

假设图2中A点处发生盗油事件产生的振动使光纤干涉臂产生机械振动,两干涉臂振动情况不同,所以振动改变两干涉臂的光程差Δl(t),使干涉仪输出的干涉信号光强I(t)发生改变,通过测量干涉信号光强的变化就可以检测振动信号,从而对盗油盗气事件进行预警。由于分布式光纤干涉仪具有极高的灵敏度,因此在偷盗者还未破坏油管和光纤时,其偷盗活动产生的振动已经被感知。

1.2 分布式定位原理

新型分布式光纤预警系统除了能检测出振动信号外,还能准确地对振动点定位。图2中左右两条虚线B1和B2之间的距离L=50 km,右边虚线B2为定位基准(其位置是已知的),若计算出A点到定位基准之间的距离L2,即可完成对振动信号的定位。假设两路干涉信号分别沿逆时针和顺时针传播到达光电探测器PDA和PDB所用时间为t1和t2(为便于讨论设t2≥t1),则t1和t2可分别表示为:t1=l1n/c,t2=l2n/c。其中l1,l2分别为振动信号在光纤中逆时针和顺时针方向传播的距离,l2≥l1;n为光纤折射率;c为真空中的光速。t2和t1的差值Δt为:

Δt=t2-t1=(l2-l1)n/c=2L2n/c (3)

L2=(c/2n)Δt (4)

因此只要计算出定位参量Δt,就可以实现定位。

1.3 振动信号的频谱分析

除了盗油、盗气事件,正常的施工、作业、交通运输都会引起振动。如何有效地识别振动类型,减小误报率,是分布式光纤预警系统的关键技术之一。任何形式的振动都可以表示为不同频率、振幅的简谐振动的线性叠加。为不失一般性并且便于分析,本文以简谐振动作为研究对象。图3定性而夸张地给出了传感系统振动原理的模型。图中实线传感臂代表其振动平衡位置,虚线代表传感臂振动时达到的最大振动位置,A为光纤干涉臂振动时的最大振幅。当光纤干涉臂振动时,实际振幅A要远小于支点间的光纤长度2l。由于干涉仪传感臂比较长(如本系统的传感臂长50 km),在其安装过程中,因光缆弯曲或缠绕,或光缆自身的重量及其内部摩擦力等原因,支点随振源而自然形成,任何外部的振动都可以近似地视为发生在两个支点的中部,或者说外部振动引起传感臂振动所呈现的两个自然支点可视为近似对称地分布于振源的两侧,因此图3a)中虚线框内的振动可以简化为图3b)。图中设定t时刻光纤振幅为y(t),α为光纤振幅为y(t)时与水平位置的夹角,2l为振动前支点间的光纤长度,2l′(t)为t时刻两支点间的光纤长度,F为光纤振动的支点。

由上节分析可知,系统输出光强经过光电转换后输出的电压信号可表示为:

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式中undefined。由图3b)可知,光程差Δl(t)可近似地表达为:

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式中n为光纤折射率。将式(6)代入式(2),可得到:

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光电信号的角频率为:

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由于l≫A,因此式(8)可简化为:

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对于任何形式的振动,都可以用不同频率、振幅的简谐振动线性叠加的形式表示:

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为了便于分析,文中只对其中具有某一振动频率νi、振幅Ai的简谐振动进行分析。简谐振动可表达为:

yi(t)=Aicos 2πνit (11)

为书写简洁方便,去掉式(11)中的角标改写为:

y(t)=Acos 2πνt (12)

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将式(12)和式(13)代入式(9),得到:

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式中ν′=2ν。由上面的分析可知,光电信号在t时刻的角频率ω(t)由波长λ和支点与振源间光纤长度l、外部振动频率ν和振幅A诸因素决定。也就是说,外部振动的参数(频率ν和振幅A)包含在光电信号频谱的变化内,通过对频谱变化模式的有效识别,就可以对振动类型作出判断,减小误报率。

2 系统实验

新型分布式光纤油气管道预警系统样机如图4所示,其由光电信号转换模块、信号处理模块、信号识别模块、显示模块等构成。本次实验场地为中石油通信公司实验基地,土质为黄色软沙土。在实验现场,三芯光缆被埋于地下2 m处,连成监测距离为55 km的光纤传感器。整个实验分为两步:第一步由预警系统检测振源产生的振动并对其定位,检验系统的分布式检测能力;第二步预警系统对各类振动信号进行分类、识别,检验系统的预警准确率。

2.1 振动信号的检测与定位

用铁锹铲土制造振动,用示波器显示传感系统输出波形。当有振动信号时,输出信号的强度会发生剧烈的振荡,如图5所示。实验得到的预警系统响应时间和报警的相关数据列于表1和表2中。

在10 km和30 km处分别制造振动,对光电信号用采样率为20 Mb的器件采样转化为数字信号。计算PDA、PDB接收到信号的时间差,进行定位。理论上,两路信号具有完全相同的波形,只是初相位不同。因此,为提高定位精度,可以对两路信号取相关,由相关系数确定时间差。图6是振动源在10 km处时得到的波形,可以由图6a)直接看出两路信号出现第一个极值(分别为图中A、B点)的时间差约为0.1 ms;图6b)是由相关算法计算得到的相关系数曲线,其中波形出现最大值时对应的时间偏移量就是定位参量Δt。计算得到的两路信号到达光电转换器的时间差为0.102 ms,定位距离为10.2 km,表明实验和计算结果相吻合,实验结果的绝对误差为200 m,相对误差为2%。图7是振动源在30 km处时得到的波形,可以计算得到的两路信号到达光电转换器的时间差为0.298 ms,定位距离为29.8 km,绝对误差为200 m,相对误差为2%。

本预警系统如采用采样频率更高的器件,可以进一步降低定位误差。但只要定位误差控制在目视范围内(约500 m)就可以了,因此200 m的误差是工程上可以接受的。

2.2 振动信号的识别和分类

在振动频谱分析的基础上,编制识别程序对振动频谱模式进行识别,确定振动类型。通常振动类型可以分为打夯、电钻和镐刨三类,自动识别软件主要区分这三种类型。两种振动类型共存的识别率如表3所示;三种振动类型共存的识别率如表4所示。可见三种振动类型共存的识别率比两种振动类型共存的稍微低一些。这是由于三种振动类型共存的信号频谱更复杂,因此需要更多的振动源样本。在两次实验中,不同种振动类型共存的识别率是不同的,如电钻和打夯共存时的识别率是100%,而电钻和大型机械共存时的识别率最低。这是由于不同振动类型之间的频谱相似度不同,频谱相似度接近的较难区分。在上面研究的基础上,编制了预警程序,其流程如图8所示。

3 结论

本文介绍了一种新型油气管道光纤预警系统,本系统基于M-Z干涉原理,检测盗油气事件产生的微小振动,并对其分类、识别、定位。本预警系统可以在油气管道还未受到破坏前就发出预警信号,大大减少盗油气事件造成的损失。现场实验表明,本系统的监测距离大于50 km,相对定位误差为2%,系统误报率小于5%,正确报警率为93.57%,平均响应时间为68.3 ms(根据现场实验数据计算得出)。本系统不仅可以用于管道预警,在安防、国防、采矿业、地质、海洋等领域也有广泛的应用前景。

参考文献

[1]周琰,靳世久,张昀超,等.分布式光纤管道泄漏检测和定位技术[J].石油学报,2006,27(2):121-124.

[2]周诗岽,吴志敏,吴明.输油管道泄漏检测技术综述[J].石油工程建设,2003,29(3):6-10.

[3]靳世久,王立宁,李健,等.原油管道漏点定位技术[J].石油学报,1998,19(3):93-97.

[4]刘迪仁.长距离分布式布里渊散射光纤传感技术研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[5]宋牟平.微波电光调制的布里渊散射分布式光纤传感技术[J].光学学报,2004,24(8):1111-1114.

[6]HE Z,HOTATE K.Distributed fiber-optic stress-location measurement by arbitrary shaping of opticalcoherence function[J].J Lightwave Technology,2002,20(9):1715-1723.

[7]胡志新,张桂莲,何巨,等.利用分布式光纤传感技术检测天然气管道泄漏[J].传感器技术,2003,22(10):48-49.

[8]JUAREZ J C,TAYLOR H F.Distributed fiber opticintrusion sensor system[J].J Lightwave Technology,2005,23(6):2081-2087.

分布式光纤测温预警系统的应用篇2

随着光纤测温技术的发展, 已经能够用光纤测温技术实现温度、电流、电压、磁场等物理量监测。光纤测温技术采用的探测光纤具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、耐高压高温和抗电磁干扰的特点, 系统安全可靠, 在长距离测试中具有高灵敏度。

分布式光纤测温预警系统不仅具有普通光纤传感器的优点, 还具有对光纤沿线各点温度的分布式传感能力, 光纤既是传输信息的导体, 又是分布测量的传感器。它能够连续自动测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离最大在10km范围, 空间定位精度达到1m的数量级, 特别适用于需要大范围多点测量的场所。

分布式光纤测温预警系统为港口输煤系统中皮带机的安全生产提供了一系列集可视化、智能化、无人化于一体的数字化在线检测方案。

一、系统简介

1. 分布式光纤测温预警系统原理

光纤测温的机理是依据后向拉曼 (Raman) 散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用, 发生散射。拉曼散射是由于光纤分子的热振动, 产生一个比光源波长长的光, 称斯托克斯 (Stokes) 光, 和一个比光源波长短的光, 称为反斯托克斯 (Anti-Stokes) 光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯 (Anti-Stokes) 光强发生变化, Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示, 利用这一原理可以实现对光纤沿线温度场的分布式测量 (图1) 。

2. 分布式光纤测温预警系统组成

分布式光纤测温预警系统由测温主机和探测光缆两部分组成。

(1) 主机。

(1) 整条光纤既传输信号又感应被测量。

(2) 在长距离内能得到高精度的温度数据。

(3) 测温速度快且精度高, 可用图表形象、直观地呈现数据。

(4) 兼容性强。开放式通信结构, 可与第三方网络 (以太网、OPC、SCADA等) 可靠方便的连接, 具有灵活的远程控制和数据输入、输出功能。

(5) 内置PC。专门开发的应用软件通过易于理解的直观图表向操作人员提供数据。

(6) 警报设置齐全。智能警报类型和配置可以根据每个项目量身定制, 向操作人员发出当前或者潜在过热部位及其它不良事件的警告。

主机技术参数见表1。

(2) 探测光缆。

BY-SCJKBH1探测光缆是一种多模光缆, 光纤表层采用可触变的芳纶纤维加以保护, 外护套为高性能的阻燃PVC材料, 光纤被很好地密封以保证不受外界环境的影响, 同时光缆具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性, 可以在恶劣的环境中长期使用。光纤类型及参数见表2。可根据用户要求定制探测光缆 (图2) 。

二、技术特点

(1) 连续分布式的进行温度在线监测, 没有盲区, 没有漏测点。

(2) 根据温度变化, 及时、准确地进行预警。在还没有发生燃烧的情况下, 准确监测出温度异常位置。

(3) 光缆不怕粉尘, 又可防雷。现场采用特殊光缆既是传输信号的载体又可以测量环境温度。

(4) 固定保护夹具、钢管经久耐用。

(5) 精度高、数据传输及读取速度快, 自适应性能好。

(6) 系统软件操作简单, 结合现场实际情况进行界面设计。软件可以对光缆进行无限的区域划分, 并可以对不同的区域设置不同的报警规则, 如定温报警、快速升温报警等。

(7) 安装维护简单、方便。

三、在营口港输煤系统中皮带机的应用

1. 输煤系统皮带监测

能够了解输煤皮带系统的安全情况, 及时应对危险, 不发生火灾或爆炸事故, 降低自燃或事故而造成的损失。

输煤系统皮带监测内容:监测皮带机电机减速机、滚筒和托辊的温度变化;对比分析不同位置探测光缆安装的温度变化特性;分析、判断报警温度的设置, 通过监测皮带机电机减速机、滚筒和托辊的温度变化, 判断设备运行状态, 进行安全监测, 利于及早发现安全隐患, 合理安排检修工作, 避免皮带打滑磨损造成火灾事故发生。

2. 实施方案

(1) 系统组成 (图3) 。

营口港二公司煤炭码头采用1台10km的DTS主机对10条计2150m皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承温度进行实时在线监测;敷设了1#变电所和4#变电所测温系统温度数据传输的专用网络。DTS主机将实时采集的温度数据传送至中央控制室, 值机员可通过监控终端实时查看皮带机电机减速机端、滚筒及托辊轴承运行温度情况, 依据温度数据判断皮带机相关设备的工作状态, 为皮带机安全监测提供科学的管理手段。

(1) 由1#变电所出来的四通道分别是:第一路 (图3中紫色表示) 探测光缆对BX1-2、BX1-1皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。第二路 (图3中蓝色表示) 探测光缆对BX2-2、BX2-1皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。第三路 (图3中红色表示) 探测光缆对BX1-3、BX1-4、BX1-5皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。第四路 (图3中青色表示) 探测光缆分别对BX2-3、BX2-4、BX2-5的皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。

(2) 通信光缆通过1#变电所到4#变电所沿途皮带机的电缆桥架敷设, 如图3中黑色虚线所示。

(2) 检测方案。

(1) 皮带机滚筒温度检测。

用夹具将探测光缆固定在皮带机滚筒轴端盖上, 对皮带机滚筒进行温度监测, 一旦皮带打滑滚筒表面温度上升, 热量传递到皮带机滚筒端盖处, 系统即可监测到温升, 准确发出预警信号, 避免发生皮带机火灾事故 (图4) 。

(2) 承载托辊温度检测。

将探测光缆用工装夹具固定于承载托辊轴两个夹角处, 对托辊进行实时温度监测。一旦托辊不转或皮带出现打滑, 托辊表面温度上升, 热量传到托滚轴后系统监测到温升, 当达到设定报警温度值时系统告警。皮带机托辊支架光缆走线及固定示意图见图5, 皮带机桁架槽钢光缆走线及固定示意图见图6。

(3) 系统功能。

(1) 图形数据实时显示。

实时连续显示线路上的温度分布曲线、各点温度随时间变化曲线。可以设置系统软件在控制计算机的屏幕上以曲线方式显示整条皮带机系统各点的温度分布, 也可以设置显示整条皮带机长度与滚筒的相对位置分布图, 显示被测点位置和对应测点的实时温度值, 用户可以设置过热报警温度, 将接收的数据以曲线方式显示, 曲线可随意放大显示 (图7) 。

(2) 控制数据自动存储。

系统可以自动存储温度数据, 用户可以选择查询显示特定测温点的温度历史变化情况, 也可以选择查询显示在任意历史时刻保存的温度分布情况, 以便对设备的运行状况进行监视, 有利于对设备的维护和检修。

(3) 数据即时报表显示。

存储的温度数据以数据库的形式存储, 并可以用EXCEL表格形式显示出来, 并同时显示当前图形。此时可选择将数据或图形打印。

出现报警信号时自动切换到报警总画面, 并显示故障区域最高温度。

(4) 报警方式多种多样。

分布式光纤测温系统应具有连续测温功能, 能检测皮带机沿线温度变化情况, 报警数据可在软件中设置, 每个区域应能设置多种报警类型:最高温度报警、差温报警、温度上升速率报警、局部过热点报警、光纤破坏报警、装置异常等报警, 不同的区域能独立报警。报警方式除主控机屏幕显示基本要求外, 具有报警输出节点。

(5) 分区测量贴合实际。

能对测量区域在长度上进行分区, 对某些区域进行局部重点监测。对不同的应用环境设定不同的报警温度和报警级别, 更贴合实际应用。

四、结语

随着港口吞吐量的上升, 研发集可视化、智能化、无人化于一身的数字化港口储运及装卸设备状态在线监测技术已经刻不容缓。先进的分布式光纤测温技术将为港口的生产安全提供更多领域的技术支持和保障, 因此, 全面发展分布式测温技术在港口各个领域的应用意义重大。

摘要：介绍了分布式光纤测温预警系统的技术原理及在营口港二公司煤炭码头皮带机的应用。通过监测皮带机电机减速机、滚筒和托辊的温度变化, 判断设备运行状态, 进行安全监测, 及早发现安全隐患, 合理安排检修工作, 避免安全事故发生。

关键词：分布光纤测温预警系统,皮带机,电机,托辊,应用

参考文献

[1]江毅.高级光纤传感技术[M].科学出版社.

[2]方祖捷.光纤传感基础[M].科学出版社.

光纤预警篇3

由管道科技研究中心自主研制的管道光纤安全预警系统在津华线正式投入试运行, 其中一套系统的监测距离达到123 km, 如此长监测距离在国内外尚属首例。近日, 这套系统成功发现并报警两起管廊带第三方施工事件, 为长输管道安全防护提供了有力的科技保障。

管道光纤安全预警技术作为一种可全天候监测第三方威胁事件的潜力技术受到国内外管道运营公司的高度关注。科技中心自主研发的光纤安全预警系统是一套新型管道安全预警系统, 利用与管道同沟敷设的通信光缆中冗余的1芯光纤, 构成分布式光纤振动传感器, 获取管道沿途的振动信号。通过振动信号的分类识别, 可有效确定管道沿线发生的事件并进行识别和定位。

这套系统可监测到管道沿线5 m以内的人工挖掘和50 m以内的机械挖掘, 并自动进行事件识别和定位, 系统监测距离最长可达123 km, 已在港枣线、长庆油田等多条管道进行工业应用, 技术指标达到国际领先水平。

光纤预警篇4

管道光纤预警系统是针对通信光缆外界破坏而设计的, 在通信管道光缆上方作为分布式土壤振动检测传感器, 长距离连续实时监测通信管道光缆沿线的土壤振动情况, 利用独有的破坏事件专家数据库和神经网络分析技术, 对可能危害通信管道光缆安全的动土事件或场站设施的入侵事件等进行预警, 并准确定位, 利用通信系统组网, 对通信管道光缆进行长距离无逢实时监测。管道光纤预警系统具有事前预警的能力、定位准、精度高, 可及时发现对通信管道光缆上具有威胁的光缆挖掘、通信破坏和油管道的泄漏等意外事件。

二、管道光纤预警系统介绍

1、系统原理

管道光纤预警系统是利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中的光纤作为分布式传感器, 长距离连续实时监测光缆、油气管道沿线的土壤振动情况, 包括在通信光缆管道附近、施工、人为破坏油气管道、打孔盗油等, 来分析判断可能威胁通信管道光缆安全的破坏事件, 及时报警, 起到安全预警的作用, 并能够这些事件进行精确地分析和定位, 确定事件的性质, 通过GIS显示事件发生地的具体位置和性质。

2、系统组成

管道光纤预警系统由预警单元、预警管理终端和区域监控中心和光纤传感系统组成。预警单元式管道光纤预警系统的基础设备单元, 由光源模块、光电模块、处理模块、监控模块、管理模块、数传模块、通信模块、电源模块等八个主要模块组成, 各模块装备在标准机框内, 整体安装在通信管道场站、阀室等设施的控制室内, 完成传感信号的分析、事件的识别以及将处理数据上传到预警管理终端。

预警管理终端由预警管理终端服务器、操作维护终端、监听终端等主要部分组成, 同时配备短信模块、车载导航系统、GIS地理信息系统、监控大屏幕等辅助管理设备, 接收预警单元运行数据和预警信息, 分析处理后显示告警信息, 并将数据上传到区域监控中心。当警情发生时, 预警管理终端产生声、光现场报警, 在电子GIS电子地图上显示警情位置及事件识别信息, 同时通过短信模块将警情信息发送到相关负责人员手机上。

区域监控中心是预警系统的管理中心, 监控预警区域的安全情况, 由DMC服务器、操作维护终端组成, DMC安装在场站或者运行维护中心内, 可以同步显示预警管理终端的报警信息, 以及实时查询、监听各个预警管理终端及预警单元的工作情况。

三、管道光纤预警系统的特点及技术指标

四、应用实例

大港油田埕港管道工程应用了光纤预警系统。该工程包括49公里输油管道和52公里输气管道, 管道起点为赵东平台, 末点分别为大港原油储运库和天然气处理站。光纤预警系统项目只应用于埕海1-1人工岛至大港原油储运库的油气管道, 长度约为41公里。埕港管道光纤预警系统2011年10月前完成了安装和设备的单机调试, 进行3个多月的系统测试, 待基本稳定后进入试运行阶段。在试运期间光缆多次被挖断, 光纤预警系统均及时、准确地实现了报警。

参考文献

[1]周琰;靳世久;张昀超;孙立瑛;;分布式光纤管道泄漏检测和定位技术[J];石油学报;2006年02期

[2]崔谦;油气管道泄漏检测方法的研究及应用[D];天津大学;2005年

光纤预警篇5

石油输油管线地处野外、环境条件复杂,油品泄漏和输油沿线的盗油事件一直是困扰企业的难题。因此,研究先进的石油管道防泄漏和防盗油方法,开发实用的监测仪器,对保证输油管道的安全运行具有积极意义。

目前,输油管线泄漏的常规检测方法有负压波法、漏噪声探测法、热红外成像法、压力梯度法、应力波检测法等[1,2]。这些方法都是在泄漏发生时或发生后进行检测,不能预报警,而且都存在着定位准确度低、距离短、成本高等缺点。因此,本文提出一种利用光时域反射(OTDR)技术和分布式光纤传感技术实现对长距离输油管线安全实时监测预报警系统。

2 测量原理

2.1 分布式光纤传感技术原理

分布式光纤传感技术是利用光纤对沿光纤分布的被测量进行连续测量,同时获取被测量的空间分布状态及其随时间变化的传感器技术。它主要有反射法、波长扫描法和干涉法。反射法是利用光在光纤传输过程中产生的后向散射效应进行测量的方法;波长扫描法是利用保偏光纤在外部扰动作用时发生模式耦合效应进行测量的方法;干涉法是利用干涉装置对干涉光路中光波的相位进行解调从而得到被测量信息的方法。其中,反射法根据时间域和频率域又分为光时域反射法和光频域反射法[1,2,3]。光时域反射法相对于光频域反射法应用较广。

光时域反射技术是实现分布式光纤传感的关键技术[2]。其基本原理是光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射,后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长而按一定规律衰减,在光速不变的情况下距离与时间成正比。因此,根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间,就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强。用光时域反射技术,可以确定光纤处的损耗、光纤故障点的位置,对测量点进行定位,又称光纤激光雷达[3,4]。

光纤中光的后向散射包括瑞利散射、喇曼散射和布里渊散射三种形式[5]。其中,瑞利散射的强度相对较大,当外界物理场在某处扰动光纤时,此处的后向瑞利散射光强会明显下降,基于此性质,可以通过测量瑞利散射光强的变化来检测光纤是否受到扰动。喇曼散射在频域上又分为Stokes光和反Stokes光。反Stokes光对温度敏感,因而喇曼散射具有温度效应,即光纤所处的空间各点的温度场调制了光纤中的背向喇曼散射的强度,基于这一性质,可以通过测量喇曼散射光信号变化来检测外界的温度变化。

2.2 喇曼散射测温原理

喇曼散射的温度效应是通过反Stokes光调制光纤中由脉冲激发产生的自发反Stokes散射光功率,经解调后得到空间温度场分布信息。传统的方法是用光纤的Stokes光OTDR曲线解调反Stokes光的OTDR曲线[5,6]。本文提出用光纤的瑞利散射OTDR曲线来解调喇曼散射OTDR曲线的方法。

假设光脉冲在入射端耦合进光纤的光功率为P0,沿长度为L光纤轴线上任一点Z,设该点距入射端的距离为x,那么该点的背向散射的反Stokes光功率和瑞利光功率分别为[5]:

Pa=KaSP0Ra(T)exp[-∫ $_{0}^{Ζ}$ (a0(x)+aa(x))dx] (1)

Pr=KrSP0exp[-∫ $_{0}^{Ζ}$ a0(x)dx] (2)

式中:Pa,Pr——反Stokes光功率和瑞利光功率;Ka,Kr——与光纤反Stokes和瑞利散射截面有关的系数;S——光纤的背向散射系数;a0(x),aa(x)——入射光和反Stokes光的传输损耗系数;Ra(T)——与光纤喇曼散射相关的分子能级的分布居数[5]。

反Stokes喇曼散射与瑞利散射光功率的比值为:

$\begin{array}{l} Ν (Τ) = \frac{Ρ_{a} (Τ)}{Ρ_{r} (Τ)} \\ = \frac{Κ_{a}}{Κ_{r}} \cdot R_{a} (Τ) \cdot \exp {- [a_{a} (x) - a_{0} (x)] \cdot L} (3) \end{array}$

在实际测量中,用已知的起始温度T=T0时的式(3)来确定光纤上各点的温度[5],即:

$\frac{Ν (Τ)}{Ν (Τ_{0})} = \frac{\exp (h c Δ v / k Τ_{0}) - 1}{\exp (h c Δ v / k Τ) - 1} (4)$

式中:N(T),N0(T)——在温度为T和T0时反Stokes喇曼散射与瑞利散射光功率的比值;Δv——喇曼光子频率;h——普朗克常数;c——光速;k——波尔兹曼常数。

在实际测量中,反Stokes喇曼散射光与瑞利散射光功率是通过其在光电转换电路产生的电平信号Vas和Vr来体现的,即实际测量的电信号:

Vas=PaRas (5)

Vr=PrRr (6)

式中:Rr,Ras——反Stokes光功率和瑞利光电转换装置的电特性参量。

则由式(3)、式(4)可得:

$\begin{array}{l} Ν (Τ) = \frac{V_{a s} (Τ)}{V_{r} (Τ)} ‚ Ν (Τ_{0}) = \frac{V_{a s} (Τ_{0})}{V_{r} (Τ_{0})} \\ \frac{Ν (Τ)}{Ν (Τ_{0})} = \frac{V (Τ)}{V (Τ_{0})} = \frac{R_{a s} (Τ) R_{r} (Τ_{0})}{R_{r} (Τ) R_{a s} (Τ_{0})} \cdot \frac{\exp (h c Δ v / k Τ_{0}) - 1}{\exp (h c Δ v / k Τ) - 1} (7) \end{array}$

式中:Vas(T),Vas(T0)和Vr(T),Vr(T0)——在温度为T和T0时实际测量的反Stokes散射光与瑞利散射光的电信号;Rr(T),Rr(T0)和Ras(T),Ras(T0)——在温度为T和T0时两光电转换装置的电特性参量。

式(7)中的光功率比值相应的电信号比值可由实验测得,起始温度已知,可由式(7)确定光纤上各点的温度。在输油管道上某点Z出现泄漏时,由于管线中的油品温度大大高于管外环境温度,由此原理可以判断管线是否发生泄漏。

2.3 瑞利散射光检测泄漏原理

光纤的弯曲和抖动将导致模间的能量耦合发生变化,原有在纤芯中的传输模,一部分会变成辐射模损失,一部分变为泄漏模损失。当输油管道发生泄漏时,泄漏出的液体或气体会对光纤施加作用力,使光纤发生弯曲和抖动,导致辐射模增大或减小,损耗发生变化。当输油管道附近有机械施工或人为盗油破坏时,也会对光纤施加作用力,损耗也会发生变化。

设沿光纤轴线上任一点Z,该点距入射端的距离为x,那么该点的光功率为[3,5]:

Pz(x)=P0exp[-∫ $_{0}^{Ζ}$ a0(x)dx] (8)

式中:P0——在入射端耦合进光纤的光功率;a0(x)——前向衰减系数。若光在Z点被散射,那么该点的背向散射光返回到入射端时的光功率为:

Pr(x)=KrS(x)Pz(x)exp[-∫ $_{0}^{Ζ}$ ab(x)dx] (9)

将式(8)代入式(9)可得:

Pr(x)=KrS(x)P0exp[-∫ $_{0}^{Ζ}$ (a0(x)+ab(x))dx] (10)

式中:Kr——耦合器损耗乘积因子,Kr≈0.5;S(x)——光纤在Z点的背向散射系数,具有方向性;ab(x)——光纤背向衰减系数。

当Z点有管线泄漏或其它事件产生的力作用于光纤时,会使一部分传输模变为辐射模,形成新的损耗,因此S(x)会随时间发生变化,记为S(x,t)。在入射端接收到的来自于Z点的背向散射光的功率也会发生变化,即:

Pr(x,t)=KrS(x,t)P0exp[-∫ $_{0}^{Ζ}$ (a0(x)+ab(x))dx] (11)

光脉冲在光纤中向前传播时,不断产生背向散射光,在入射端通过测量背向散射光随时间的变化,可以获得光纤上不同位置处的损耗特征。

2.4 泄漏定位原理

用光时域反射技术进行定位。根据从发射光脉冲到背向散射光被反射回来所用的时间,以及光在光纤中传输的速度,可得计算距离的公式[5,6]:

$L = \frac{c t}{2 n} (12)$

式中:L——光纤长度;c——光在真空中的速度;n——光纤纤芯的折射率;t——信号从发射到返回(双程)的时间。

根据式(12),在t时刻测量得到的是离光纤入射端距离为L处的损耗。可确定光纤故障点及断点的位置,对测量点定位。

3 测量系统的构成

根据OTDR技术运用喇曼散射和瑞利散射原理设计了一套长距离输油管道在线监测系统,系统构成如图1所示。系统由光源模块、光纤传感头和信号采集处理模块三部分组成。光源模块包括脉冲光源、1×2双向光纤耦合器、分光器。双向耦合器一端与光纤激光器相连,另一端与传感光纤相连;背向散射光与分光器相连,分光器由两个不同中心波长的滤光器组成,分别允许反Stokes喇曼光和瑞利光通过。光纤传感头采用单模光纤作为系统的传感和传输光纤,构成线型光纤传感探头,将传感光纤沿着输油管道上方埋设。信号采集和处理模块分为硬件和软件两部分。硬件部分由光电转换模块、高速数据采集模块和计算机构成[7]。光电转换模块由带尾纤的雪崩二极管(APD)以及高增益、宽带、低噪声的放大器和滤波器组成。高速数据采集模块由A/D,DSP,CPLD和FIFO组成。在A/D与DSP之间加入高速FIFO进行数据缓冲,由CPLD根据激光脉冲的同步信号将每个测量点的A/D采样数据依次写入FIFO。软件由数据采集和处理程序、保存和管理数据的数据库管理系统、数据分析和报警显示三部分构成。

4 实验与结果分析

利用所设计的监测系统在长度为5 km的传感光纤上进行以下实验室模拟检测。

(1)外界扰动压力的测量实验。

在距光纤入射端1 700 m处施加压力,在入射端测量,得到瑞利后向散射光沿光纤长度的光强分布曲线,如图2所示。从图中可以看出,瑞利散射随着时间和空间的变化而不断衰减,获取的信号里有大量的噪声,但是从曲线上仍能看出在1 680 m左右有一突变衰减,即由于该处受到外界扰动压力的作用所致。计算定位为1 685 m与实际位置仅差约15 m,相对误差0.89%。图3为图2经过信号处理后的形状。基本与原曲线相同,据此可以确定扰动点的位置。从而在管道刚遭到外界干扰时,就能产生干扰信号,实现预报警。

(2)对外界温度变化的测量实验。

a.温度标定。

将光纤前部200 m长光纤绕组和标准石英晶振测温计放在双层杜瓦结构的恒温箱内(如图1所示),恒温箱温度稳定性小于0.1 ℃,根据式(7)对分布光纤传感系统进行逐点温度定标。图4为温度标定拟合曲线,线性度γ达到0.996。图5为T=25 ℃时测得的200 m传感光纤温度分布曲线(称为基线),测量时温度值是在规定的测量时间内进行多次(现设定为10次)测量,取平均值与标准温度计的指示值进行比较,求出偏差而得到。T=25 ℃时的最大偏差为+1.8 ℃。

b.对扰动温度的测量。

分别在距光纤入射端1 400 m处和2 700 m处对光纤加热,由25 ℃加热到60 ℃和50 ℃并在入射端测量,得到解调后的温度信号曲线,如图6所示。经系统计算得:温度测量值分别为55.6 ℃和45.5 ℃;定位距离分别为1 392 m和2 712 m;温度偏差分别为4.4 ℃和4.5 ℃;定位偏差分别为8 m和12 m。当输油管道某处原油发生泄漏时,由于其温度高于环境温度,通过测温而判定是否发生泄漏,并对泄漏点定位。

5 结论

本文提出的利用OTDR技术的分布式光纤传感器管道安全实时监测系统是集计算机技术、光电技术于一体,利用光纤的物理特性,实现对管道泄漏、人为破坏管道等事件进行在线监测。经检测,分布光纤监测系统已达到的主要技术指标有:光纤长度5 km(可延长),测温范围0～90 ℃(可扩展),温度测量偏差小于5 ℃,对扰动外力和温度的定位偏差小于15 m,而负压波法检测泄漏的定位精度为1 000 m。它的优点是可以实现远距离分布式监测;测试速度快,定位精度高;既可以测量静态特性,也可以测量动态特性;能够对管道安全预报警;由于使用了光纤和光信号,可以在危险环境下使用,抗干扰能力强;既可以用于远距离石油、天然气输送管道的实时监测,也可以用于城市供热、供气主干网的实时监测。

参考文献

[1]王占山,张化光,冯建,等.长距离流体输送管道泄漏检测与定位技术的现状与展望[J].化工自动化及仪表,2003,30(5):5-10.

[2]王延年,赵玉龙,朱笠,等.分布式光纤传感器在管道泄漏监测中的应用[J].郑州大学学报:理学版,2006,35(2):36-37.

[3]周琰,靳世久,张昀超,等.分布式光纤管道泄漏检测和定位技术[J].石油学报,2006,27(2):121-124.

[4]王通,阎祥安,李伟华,等.基于激励响应的输油管道泄漏检测技术研究[J].化工自动化及仪表,2006,33(1):59-63.

[5]张在宣,王剑锋,刘红林,等.30 km远程分布光纤喇曼温度传感器系统的实验研究[J].中国激光,2004,31(5):613-616.

[6]王通,阎祥安,李伟华.基于谐波分析的输油管道泄漏检测机理研究[J].化工自动化及仪表,2005,32(1):51-54.

光纤预警篇6

地铁由于具有运量大、速度快、安全、准时、无污染等一系列优点, 对促进城市郊区发展, 促进城市由单中心向多中心发展具有非常重要的意义。然而地铁设施是投资巨大、设备系统复杂、人员密集的公共场所, 一旦发生火灾, 轻则引起交通秩序和社会秩序的混乱, 重则造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失, 更严重者还会产生不利的政治影响。我国98年版国家标准《火灾自动报警系统设计规范》 (GB50116-98) 将地铁隧道定为一级保护对象, 显示了对地铁火灾安全的高度重视。

由于现有的火灾报警系统 (FAS) 设备存在总线长度有限、回路容量不够、线性感温元件保护范围小、不能定位报警点等技术困难, 目前已经运营和在建的地铁隧道都没有安装温度传感元件。鉴于地铁火灾安全的重要性, 为了有效地保护人民生命和国家财产安全, 研究一种适合在地铁隧道安装运行的, 能及时地反映地铁火灾发生的位置、灾情的区域大小、火势的大小、火势的蔓延方向、延误漂流方向等的火灾自动监测系统, 将给救灾指挥部门实时提供动态数据, 可利于救灾工作有条不紊的开展, 尽可能减少人员伤亡、社会公共财产损失。

温度是触发火灾报警系统运作的重要物理量之一。传统温度测量多用热敏电阻、光学高温计等温度传感器。但对于具有强电磁干扰的地铁隧道环境, 传统以电信号为工作基础的温度传感器通常在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限制。而光纤的抗电磁干扰能力、组网方便及其固有的大信号传输带宽等优点, 使得光纤温度传感器突破了电温度传感器的限制, 为地铁隧道等存在强电磁场干扰的环境提供了非常有效的温度测量方法。

分布式光纤温度测量技术, 其应用是十分广泛的, 不仅仅在常规的温度测量上, 通过适当的转换模型, 该技术还可以用在水利设施的渗漏监测、地下管道的泄漏监测, 以及动力电缆的温度监测等。

1地铁火灾的主要原因和特点分析

地铁火灾的发生具有必然性也具有偶然性。必然性的火灾, 来自设备的老化、绝缘的损坏等等, 这可通过对周边设备进行实时监测, 做到早期预报, 防患于未然。偶然性的火灾大多数出自于意外的、人为的情况, 在目前国际形势复杂多变、工作压力过大等的情况下, 少部分人会做出报复社会的过激行为, 这给地铁营运带来突发性不安全的因素。

1.1 电缆火灾

电缆是地铁机车运行的动力来源, 也是地铁隧道设备系统的重要组成部分。由于电缆易燃, 着火后危害大, 电缆的防火历来为供电部门所重视。据有关资料统计, 1975～1985 年间, 因电缆着火延燃造成的重大事故发生60起, 造成直接和间接损失达50多亿元。事故分析表明, 引起电缆火灾的直接原因往往是电缆接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大, 从而电缆接头过热导致火灾发生。但是, 电缆接头的制作质量的好坏, 只能在运行中才较易发现, 运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。对于电气设备绝缘老化引起的火灾, 从电缆接头过热到事故发生有一个过程, 其特点是火势产生比较慢, 烟雾及热量排放少, 但很可能造成部分供电设备断电, 照明设施失灵, 机车停止运行和通信网络瘫痪的情况。因此, 通过对电缆在线过热监测完全可以防止和杜绝此类事故的发生。

1.2 隧道火灾

隧道消防安全是目前消防研究的热点领域之一, 已取得了许多研究成果, 但仍有大量问题需要进一步研究。隧道火灾过程是一种三维非定常包含多相流体流动、传热传质和化学反应及其相互作用的十分复杂的物理化学过程。由于隧道空间小, 近似处于密闭状态, 不可能自然排烟, 同时燃烧产生的热量不易散发, 热量聚集, 内部温度上升快, 可能较早出现轰燃。日本消防研究所进行的模型隧道火灾试验结果表明, 隧道内燃料的燃烧速度是敞开空间的3倍, 隧道内的温度最高可达到1000 ℃。因此烟雾大, 温度高是隧道火灾的主要特点。

鉴于火灾本身的复杂性以及隧道火灾的特殊性, 建立隧道火灾的准确模型是指导人员疏散和减灾救灾的关键, 但这仍需通过加强开展火灾试验获取更多真实数据资料。国外的研究机构已经在废弃的隧道内开展了大量全尺寸试验:研究通风对火灾的影响和通风时火灾热释放速率的变化。这些已经完成的研究为隧道内人员的疏散和火灾的扑救提供宝贵的理论依据, 但在具体隧道环境的火灾模拟中又应该具体问题具体分析。而依靠采用先进的测量技术测量分析火灾动态特性, 如火羽流区的特性, 不但能及时反映火灾现场情况, 也可为验证数值计算的准确性提供详实的试验资料。

2地铁隧道火灾预警系统的要求

地铁隧道是复杂的地下管道网络设施, 一旦发生火灾时, 需要考虑的因数很多。不但要考虑火灾原因是人为纵火还是电力设备老化发热, 还要考虑是隧道区间着火还是运行的列车着火, 甚至区间隧道发生火灾的位置都必须纳入考虑的范围。如果采用线型感温电缆对隧道进行火灾探测, 则存在以下几个不可克服的缺点, 严重的制约了其在地铁隧道中的应用。

(1) 抗电磁干扰能力差, 误报、误动极高。地铁在隧道跑的是电力牵引的机车, 使隧道的电磁低频干扰很强, 容易引起感温电缆误报火警。

(2) 对火灾现场无法定位, 也无法探知灾害的区域范围。

(3) 不能反映火情、火势发展和烟雾蔓延的跟踪情况, 指挥中心无法获得现场的确切信息。

(4) 不能实时监测, 只有灾害出现后才报警。

(5) 只有火灾报警的开关量, 系统不能精确的反映现场温度。

(6) 一次性使用, 维护特别困难, 成本很高。

2.1 分布式光纤测温技术

温度的异常变化往往是故障或事故的直接表征和前期预兆, 如温度升高可能是运行中的设备存在局部过热、接触不良、局部放电、通风不畅、热水管道漏水、设备短路、火灾等, 温度下降可能是输汽管道漏汽、冷凝器系统故障等。通过对温度的实时在线监测, 结合温度变化量的特征和具体监测对象的特点, 综合分析、诊断和确定引起温度异常的“病根”, 可以将事故隐患消除在萌芽状态。传统点式光纤温度传感器只能测试一小部分区域内的温度状态, 而对于某些大型网络结构场合, 则需要对温度场的空间分布状态进行准确测量和实时监控。如果使用多个点式温度传感器阵列进行测试, 那么其监测任务的执行显然是不经济的。

1985年, J. P. Dankin等人首次成功地实现了采用喇曼散射的分布式测温技术。该技术很快由最初的固体激光器、光电倍增管模式过渡到半导体激光器和 APD (雪崩光电二极管) 方案, YORK 公司首先推出了其商品化的产品, 随后, 日本的藤仓公司、住友电器, 英国的 KENT 大学等机构纷纷推出了自己的成果, 分布式光纤温度测量技术迅速成为一个研究热点, 成为当今世界上最先进的高科技光电子产品之一。中国是目前世界上仅有少数几个掌握其技术和能够生产其产品的国家之一。

2.2 分布式光纤测温火灾预警系统在地铁隧道中的应用

分布式光纤测温火灾预警系统可完全满足火灾情况下的各种需求, 其优点如下:

(1) 全面、连续、实时地检测隧道的实时在线温度检测, 图形界面反映每隔一米的温度信息, 如正常温度、异常温度、火灾温度。

(2) 定位功能, 对火灾、异常温度进行精确定位, 并对灾害区域大小进行定量检测。

(3) 多级报警功能, 如一级预报警、二级预报警、三预报警、温度变化率报警等功能。

(4) 具有对火情的大小 (温度高低和灾害区域) , 火势的蔓延方向和速度, 烟雾漂流的方向和速度进行实时检测和快速分析, 及时准确地给救灾指挥部门提高灾害现场依据, 以便救灾工作的快速、正确进行。

(5) 感温光纤具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射、抗震动、阻燃、防爆、绝缘强度高, 能在高温、高湿、污秽严重、活塞风流动大等各种有毒有害的恶劣环境中长期正常工作。

(6) 光纤测温主机具有和FAS系统联动的很强功能, 将火灾区域的信号准确提供给FAS系统, 以便FAS系统准确联动消防设备。

(7) 系统具有开放式、网络化、单元化以及组网方便等优点, 极易实现信息化管理。

3系统设计

近几年来, 国内外一些电厂、化工厂等工业企业和一些公路隧道等已经采用分布式光纤测温火灾预警系统监视火灾灾情并取得了较好的效果。由于公路隧道、电厂等项目一般建筑规模小、简单, 隧道内设备少、风速低, 所以分布式光纤测温火灾预警系统在此的应用也是简单的、小规模的。通常是直接将感温光纤安装于隧道顶部, 设备设置数量少 (仅需单台或几台主机) 且火灾监控要求不高 (大多无需联网或联动设备控制等) 。

分布式光纤测温火灾预警系统是一个智能性的长距离温度探测系统, 该系统检测到的区间火灾信号要能够及时准确地送到FAS系统, FAS系统与相关设备联动, 组成地铁隧道火灾自动报警。根据这一需求, 车站级火灾自动报警系统设计方案示意图如图1。

4结论

地铁隧道环境具有强电磁干扰和网络巨大、隧道相互交错的特点。传统以电信号为工作基础的温度传感器通常在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限制。而光纤的电绝缘性, 几何易变性及其固有的大的信号传输带宽等优点, 使得光纤温度传感器突破了电温度传感器的限制, 从而为地铁隧道等存在强电磁场干扰环境下的温度测量提供了非常有效的手段。

分布式光纤温度传感器的工作原理是喇曼散射的温度效应, 该技术的理论和实验技术基本上已经成熟。国内外不少研究所和厂家都开发了自主的分布式光纤测温系统并成功应用在电力、化工企业和水坝、油库等特殊环境中。如能将分布式光纤温度测量技术应用到地铁隧道火灾预警系统, 则能有效监测地铁隧道温度变化, 为一旦发生的地铁隧道火灾救灾指挥提供强有力的参考作用。

参考文献

[1]邹建.分布式光纤温度测量系统关键技术研究[D].重庆:重庆大学, 2005, (7) .

[2]洪利娟, 刘传聚.隧道火灾研究现状综述[J].地下空间与工程学报, 2005, 1 (1) :149-155.

光纤预警篇7

我国现有的预测矿井火灾的方法主要有红外探测法、氡气探测法和磁探测法等, 但这些探测技术仍存在着一定的不足, 还无法满足当前预测矿井采空区遗煤自燃的需要[3]。而分布式光纤测温技术则集传感和传导技术于一体, 可以实现远距离对温度场的实时监测, 并且能够用于易燃易爆、强电磁干扰等[3]恶劣环境, 特别适用于采空区等具有特殊环境温度场的监测及火灾预警。

1 分布式光纤测温原理

分布式光纤测温系统的机理是利用后向拉曼 (Raman) 散射的温度效应, 即利用光纤中传输的高功率激光脉冲与光纤分子相互作用产生拉曼散射光谱信号。拉曼散射是由分子热运动引起的, 所以拉曼散射光可以携带散射点的温度信息。反斯托克斯光 (Anti-Stockes) 的幅度强烈依赖于温度, 通过解调带有温度信息的反斯托克斯光, 可以探测到温度的变化, 用光的时域反射 (OTDR) 技术可以实现分布式的光纤温度传感。

1.1 瑞利 (Rayleigh) 散射光解调原理

利用瑞利散射光对反斯托克斯散射光进行调节, 可以得到所监测区域的温度场信息。利用瑞利散射光功率曲线的解调方法是:首先测出整段传感光纤在任意温度T时的反斯托克斯光功率曲线和瑞利散射光功率曲线[4,5], 即:

再将2条曲线进行比较可得:

同理, 可得在温度T=T0时反斯托克斯光功率曲线和瑞利散射光功率曲线的比值, 即:

将式 (3) 、式 (4) 作比可得:

从而, 由式 (5) 可解算出温度分布曲线, 即:

式中, PR (T) , PAS (T) 为瑞利散射光和反斯托克斯散射光的光功率;c为光在真空中的传播速率;n为光纤有效折射率;E0为激光脉冲入射光纤时初始能量;h为Plonk常数;κ为Boltzmann常数;Δy为光纤的拉曼频移量;ΓR、ΓAS为瑞利光和反斯托克斯光的散射系数;α0、αAS为瑞利光和反斯托克斯光的损耗系数;L为光纤上监测起始点到监测点之间的距离;T0、T为已知参考温度和监测处的绝对温度[5]。

采用瑞利散射光进行解调, 既有效消除光源的不稳定性和在传输过程中的光耦合损耗以及光纤在连接、弯曲和传输等中的损耗所带来的影响, 又提高了系统对监测温度的灵敏性。

1.2 光时域反射 (OTDR) 技术

采用光的时域反射技术可以实现分布式光纤测温点空间监测, 即向光纤中注入激光脉冲, 利用反射信号和入射脉冲之间的时间差进行空间定位:

其中, τ为从发出激光脉冲到接收到反射信号之间的时间差。

2 分布式光纤测温系统结构及功能特点

2.1 系统结构

分布式光纤测温系统主要由系统主机、测温光纤、计算机处理软件3部分构成。系统工作原理如图1所示, 二极管半导体脉冲激光器发出一定功率的激光脉冲被耦合进测温光纤, 先进入置于恒温槽中的基准定标光纤, 然后再进入感温光纤;激光在光纤中同Si O2分子发生散射后, 将后向拉曼散射光耦合至滤波器滤出带有温度信息的反斯托克斯光和瑞利散射光;温度信号对散射光谱信号中的反斯托克斯散射光强度进行调制, 反斯托克斯散射光携带散射区的温度信息, 将滤出的瑞利散射光作为比较通道, 反斯托克斯散射光作为光信号通道[5,6]。这两个通道的散射光分别经过APD进行光电转换后, 再由信号放大器放大信号, 并组建以DSP为核心的嵌入式处理单元, 对传感器输出信号进行实时采集[3]。将采集的温度数据传送到计算机并存储到系统数据库中进行数据处理, 通过组态软件展示温度空间分布并且以图形或表格形式显示出各测温点的温度值和变化状态, 并预测温度变化趋势。当某一监测点的温度超过系统设定的报警阈值时, 系统将启动报警装置, 并通过计算机网络实现远程数据共享。

2.2 系统功能特点

(1) 实现了本质安全。光纤既是温度传感器, 又是信号传导介质, 既避免了短路引起的火灾, 又避免了放电引起的瓦斯爆炸。

(2) 实现了信息共享。在系统内部构建的光纤通信网可通过局域网络接口与企业的MIS系统或其他网络系统连接实现通信, 从而实现信息共享。

(3) 可靠性高。不受强电磁场的干扰, 测量精度高;铠装光纤具有良好的力学性能, 且防水、绝缘、耐化学腐蚀, 可保证监测和传输的灵敏和高效[7,8,9]。

(4) 性价比高。光纤质量小, 容易安装施工。系统寿命长而且具有自检、自标定和自校正等功能, 成本低。当需要在光纤铺设沿线增加监测区段时, 系统易于实现扩展。

(5) 简单易用。软件操作界面简单易用, 可随时通过数据库查询历史数据、打印报表, 为分析事故发展趋势提供温度场实时变化监测依据。

(6) 实现了实时监测。铺设光纤即可完成光纤沿线所有点的温度监测, 将实时监测温度数据存入系统数据库中并自动保存, 能够实时准确地监测采空区温度场分布[10,11]。

3 分布式光纤测温系统的安装铺设

铺设的感温光纤应能保证火灾隐患区域都在有效的监测范围之内, 且有利于火源位置的准确定位;感温光纤的铺设应随着工作面的推进而不断调整, 以便能对采空区进行实时连续监测。在实际应用中, 为避免采空区顶板和巷壁垮塌对测温光纤的损坏, 采用铠装光纤, 并采用多通道冗余技术, 在采空区内实现多条感温光纤铺设[12]。

在回采前预先铺设测温光纤, 形成回采全程采空区实时监测。光纤铺设如图2所示。在煤矿采区回采开切眼处即开始铺设光纤, 采用波分复用技术可在1根光纤上串联18个传感器。由于分布式光纤的测温传输距离可达40 km, 因此, 完全可以从地面控制微机室经回风副井筒、回风巷至采区工作面开切眼铺设多模光纤。由于光纤长度的增加, 损耗也会增加, 为确保测量精度, 应对光纤测温系统进行定期校正, 以确保系统的测量精度。在采空区沿着工作面的推进方向根据工作面的宽度以每间隔15m采用“W”型布置测温光纤, 以增大光纤监测范围。

随着工作面的推进, 只需移动预留光纤至采空区就能进行实时监测, 而无需重新铺设感温光纤, 该技术能够对采空区温度进行网点式监测, 而且提高了监测的有效范围和准确度。

4实际应用

某煤矿综采工作面采用U型通风, 采区走向长710 m, 倾向长183 m, 一般煤厚3.5~4.0 m, 平均厚3.9 m, 一次采全高。贯穿该采区的落差为2.4 m的34F38断层对回采进度的影响较大。

利用光纤测温主机实时监测铺设在采空区内的各沿光纤测温通道的温度场信息, 并解析出相应的温度场信息数据, 再通过以太网端口或光纤端口将温度场信息传输到监控计算机系统数据库。采空区遗煤在自然发火的各个阶段内温度的变化速率是不同的, 当所测升温速率达到用户要求设定的预定值或监测到采空区温度达到预设的报警温度时, 系统就会自动报警, 并在计算机控制终端显示出报警点在采空区的具体位置。

将该项新的布置方式应用于该采空区, 通过实时监测发现, 回采323 m时, 距工作面106 m处的采空区温度上升速率明显加快, 温度最高达到45.6℃。通过采空区气体取样, 用气相色谱仪分析CO浓度已经达到121×10-6。这主要是由于此时在过断层, 影响到了推进速度。针对这种情况, 采取向采空区先注氮、后注浆的防灭火措施, 确保了过断层期间的安全生产工作。

5 结语

本文提出了在采空区铺设光纤测温系统的改进方式, 该方法简单易行, 不必重新增加光纤。将分布式光纤测温系统应用于煤矿采空区遗煤自燃监测, 能够沿程进行远程实时监测并准确定位。如果将该报警系统和采空区防灭火系统进行联网, 就可以组建成安全高效的采空区遗煤自燃防灭火预测预警系统, 从而真正做到防患于未然, 对保障煤矿安全生产具有广阔的应用前景和深远的社会意义。

摘要：根据采空区自然发火的特点, 介绍了基于拉曼散射的分布式光纤测温原理及系统的构成, 在实际现场采用沿工作面走向“W”形布置多条光纤的新技术, 现场应用表明:该技术能够对采空区温度进行网点式监测, 提高了监测的有效范围和准确度。

关键词：分布式光纤,测温,煤矿,采空区,火灾

参考文献

[1]闫刘强, 潘峰.耿村煤矿二3-13160工作面采空区防灭火技术[J].煤矿安全, 2012, 43 (10) :71-73.

[2]迟恩波.我国煤矿安全生产的保障:矿井火灾的防治[J].中国高新技术企业, 2008 (18) :99.

[3]于庆.分布式光纤测温技术在煤矿中的应用[J].工矿自动化, 2012 (4) :5-8

[4]张在宣, 张步新, 陈阳, 等.光纤背向激光自发喇曼散射的温度效应研究[J].光子学报, 1996, 25 (3) :273-278

[5]郑晓亮, 郭兆坤, 谢鸿志, 等.基于分布式光纤传感技术的冻结温度场监测系统[J].煤炭科学技术, 2009, 37 (1) :18-21.

[6]郑晓亮, 胡业林.基于分布式光纤测温技术的井下电缆温度监测系统设计[J].煤炭工程, 2009 (9) :19-21.

[7]袁志金.分布式光纤测温过热预警技术在煤矿供电中的应用[J].煤矿机械, 2012, 33 (5) :216-218.

[8]张在宣, 王剑锋, 刘红林, 等.30 km远程分布光纤拉曼温度传感器系统的实验研究[J].中国激光, 2004, 31 (5) :613-616.

[9]陈军, 李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新技术[J].电力系统及其自动化学报, 2005 (3) :47-49.