天然氣管道泄漏監測系統的必要性

21世紀以來(lái)，隨著(zhù)中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，天然氣消費需求迅猛增加，油氣管道建設速度不斷加快。截至2019年底，中國天然氣長(cháng)輸管道總里程已達7.26×10⁴km，已形成“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、主干互聯(lián)、局域成網(wǎng)”的供氣格局。根據相關(guān)規劃，2025年中國油氣管網(wǎng)總里程將超過(guò)24×10⁴km。管道輸送是天然氣運輸最常用的方式，具有安全可靠、能耗低、無(wú)污染且基本不受氣候影響的優(yōu)勢。長(cháng)輸天然氣管道經(jīng)常穿越河流、山地、采空區等地形復雜的地區，管道極易遭受第三方損壞導致管道泄漏。如果不能及時(shí)發(fā)現管道裸露或泄漏并采取相應措施，必將對管道運營(yíng)單位造成一定的經(jīng)濟損失，嚴重時(shí)可能會(huì )造成人員傷亡等重大事故。及時(shí)準確地發(fā)現天然氣管道裸露或泄漏，對保障管道安全運行和沿線(xiàn)人民生命財產(chǎn)安全具有重大意義。

將長(cháng)距離天然氣輸送管道泄漏監測技術(shù)分為兩類(lèi)：

①基于磁通、渦流、攝像等的管內檢測法；

②基于管道壓力、溫度、流量、聲音及振動(dòng)物理參數的外部檢測法。利用光纖溫度傳感系統檢測天然氣管道泄漏的思路了分布式光纖拉曼散射測溫系統，基于管道泄漏時(shí)的溫度變化捕捉實(shí)現了對輸氣管道泄漏的監測?；赗-OTDR的分布式光纖溫度監測方法用于管道安全監測。

分布式光纖傳感技術(shù)在地下管道監測中的應用進(jìn)行，布里淵散射光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：雙端測量且動(dòng)態(tài)范圍大，測試耗時(shí)短且精度高，可測絕對溫度和應變，空間分辨率可達0.1 m，測試距離長(cháng)（可達25 km）?；贐OTDA光纖測溫技術(shù)進(jìn)行分布式光纖天然氣管道泄漏監測研究，并在天然氣管道進(jìn)行了現場(chǎng)驗證。

“分布式傳感”是指將光纖作為線(xiàn)性傳感器提供光纖全程的測量信息，以激光脈沖沿光纖傳播產(chǎn)生的反向散射光分析結果為基礎，進(jìn)而使用單一的光纖取代成千上萬(wàn)個(gè)單點(diǎn)傳感器，可節省大量安裝、校準、維護成本。光在光纖材料中傳播時(shí)會(huì )發(fā)生布里淵散射，布里淵散射是光波和聲波（光纖材料分子布朗運動(dòng)產(chǎn)生）在光纖中傳播時(shí)相互作用產(chǎn)生的散射，散射光的頻率相對于入射光有布里淵頻移。通過(guò)測定脈沖光的背向布里淵散射光的頻移可實(shí)現溫度、應變測量?；诓祭餃Y散射原理的溫度、應變測量技術(shù)主要有兩類(lèi)：基于光時(shí)域反射（BOTDR）的分布式光纖傳感技術(shù)和基于光時(shí)域分析（BOTDA）的分布式光纖傳感技術(shù)。為增強信號強度，BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)采用兩個(gè)相向傳輸的光來(lái)增強布里淵散射，從而使得測量得到的溫度和應變精度更高，測量距離也更大。

天然氣管道泄漏時(shí)，氣體溢出后體積膨脹，根據Joule-Thomson效應，管道泄漏點(diǎn)周?chē)木植繙囟葧?huì )迅速下降，管道周?chē)耐林袝?huì )形成溫度梯度。當泄漏點(diǎn)附近的地層中溫度發(fā)生改變后，鋪設在管道附近的光纖可以實(shí)時(shí)監測到這種變化，傳輸至監測系統后可以判斷泄漏點(diǎn)的位置。設計不同因素的試驗即可建立不同泄漏工況、泄漏量與溫度降低的對應關(guān)系，為長(cháng)距離天然氣管道泄漏提供更多有價(jià)值的反饋數據。

基于BOTDA的分布式光纖對溫度敏感，光纖局部溫度升高或降低均會(huì )引起布里淵頻移，并且溫度變量與布里淵頻移量呈線(xiàn)性關(guān)系。

當激光脈沖以某一角度打入光纖時(shí)會(huì )產(chǎn)生散射現象，可計算激光脈沖在光纖內傳播的時(shí)間，從而對溫度變化點(diǎn)進(jìn)行定位：

天然氣管道工程干線(xiàn)線(xiàn)路全長(cháng)約715 km，管徑1 422 mm，設計壓力12 MPa，設計輸量380×10⁸ m³/a；支線(xiàn)起點(diǎn)為干線(xiàn)長(cháng)嶺分輸站，終點(diǎn)為長(cháng)春分輸清管站，全長(cháng)109 km，管徑1 016 mm，設計壓力10 MPa，設計輸量114×10⁸ m³/a。按設計文件，此次監測的管道分為兩段，在三級地區的高后果區，干線(xiàn)的監測范圍為從HC25閥室起點(diǎn)往下游10 km，支線(xiàn)的監測范圍為從輸站起點(diǎn)往下游35 km。

測溫監測系統由2臺光纖測溫主機、1臺服務(wù)器（含顯示器）、1臺交換機、信號處理及分析軟件等組成），2臺光纖測溫主機分別布置在閥室和分輸站，服務(wù)器和交換機布置在分輸站。利用已同溝敷設的通信光纜中2芯光纖組成測量回路，實(shí)時(shí)感應光纖周?chē)臏囟茸兓鬏斨凉饫w測溫主機；光纖測溫主機接收、處理管道沿線(xiàn)光信號直接進(jìn)行解調，并將解調后的數據上傳至服務(wù)器，經(jīng)信號處理及分析軟件解算后，如果溫度超過(guò)報警閾值，則顯示溫度報警及位置。

測溫監測系統于11月4日開(kāi)始安裝調試，結合工程建設期焊口坐標數據和通信光纜施工數據，扣除所有光纜井盤(pán)纜長(cháng)度和光纜進(jìn)站長(cháng)度，將光纜里程與管道里程對齊，確保誤差最小

通過(guò)現場(chǎng)驗證，基于BOTDA分布式光纖測溫技術(shù)和Joule-Thomson效應的天然氣管道泄漏測溫監測系統，可以快速準確監測管道沿線(xiàn)的溫度變化，并能夠快速準確定位，具有較高的推廣應用價(jià)值。