1、智能感知管道安全管理 解决方案 全信息光纤传感管道安全预警系全信息光纤传感管道安全预警系统统我国油气管道现我国油气管道现状状据权威机构统计，2018年，我国原油进口量突破4.6亿吨，进口天然 气突破1000亿立方米，成为全球第一大进口国。根据“十三五”规划，到2020年，我国长输油气管道总里程将超过16 万千米。随着我国油气管道建设，跨越省份和区域的管道越来越多，油气管道网络越来越长。长输油气管道路径长，地质条件恶劣，管道经过的区域气候多变，周边 环境复杂；如此庞大的系统每天都遭受到来自管道自身和外界环境诸多 因素的影响，管道泄漏、地质灾害、第三方破坏、管道堵塞、管道沉降 等，这些都成为管道失
2、效的主要原因。长输油气管道安全管理任务繁重，责任重大，面临巨大的挑战，智能管道安全管理是必由之路。智能感知油气管道安全管智能感知油气管道安全管理理智能感知亦称感知智能，指通过各种传感器获取信息的能力。智能感知是手段，其目的是为了智能决策，是在对环境和对象智能 感知的基础上，为达到某种目的，经过记忆、学习、判断、推理等 过程，达到认知环境和对象类别与属性，使基于经验判断和智能处 理的决策成为可能。智能感知油气管道安全管理，是利用智能感知手段，结合油气管道 安全管理的特殊性，在对油气管道地质条件、周围环境和管道本身 特点感知的基础上，采集大量现场数据，对数据进行分析、学习、判断和推理，掌握油气管道
3、的安全属性，结合以往的工作经验，为 管道安全管理提供决策，提高管理效率。油气管道安全信息感知方油气管道安全信息感知方式式感知方式感知方式特特 点点应用应用卫星遥感卫星遥感探测面积广，系统成本和运行成本都很高；数据判读时间长，不能实时监控，时效性较差。国外少量应用人工巡检人工巡检人工巡检直接，成本相对较低，但效率也低；不能适时监测，有数据遗漏，没有预警功能。国内应用较多无人机巡检无人机巡检利用无人机巡检，反应迅速，效率较高；不能实时获取数据，应用受限，没有预警功能。国内外有应用光光 纤纤 传传 感感温度监测温度监测可以实时检测管道泄漏数据，定位准确；但没有预警功能，不能监测第三方破坏。国内外有应
4、用应变监测应变监测检测第三方破坏/管道泄漏/地质灾害/管道沉降等；可以确定事故位置，具有预警功能。国内外有应用声学检测声学检测可以实时监测管线周围震动情况；沿线需安装大量声学传感器，可靠性差，维护困难。国外少量应用压力检测压力检测通过监测管内压力变化确定泄漏，定位精度差。无法检测小泄漏和第三方破坏，没有预警功能。国内外有应用综合评判，光纤传感是目前比较有效的油气管道安全信息的感知方式综合评判，光纤传感是目前比较有效的油气管道安全信息的感知方式。光纤传感光纤传感器器光纤传感器种类繁多，其中应用于管道安全监控领 域的主要采用分布式光纤传感器。光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种基 于光导
5、纤维的新型传感器。它以光作为敏感信息的 载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，将被测对 象的状态转变为可测的光信号探测，它同时具有光 纤及光学测量的特点。*电绝缘性好*非侵入性*灵敏度高*无电磁辐射*易于实现远距离监测分布式光纤传感器分布式光纤传感有多种类分布式光纤传感有多种类型型这里重点介绍干涉法分布式光纤传感器中 的两种：M-Z干涉法和Michelson干涉法。其工作原理是激光器发出连续波，当有外 界扰动时，光纤中的光产生干涉现象，传 感臂中两束光的相位被调制，产生相位差，经过探测器对干涉信号进行解调、分析，排除干扰，实现分布式震动传感，并利用 干涉信号传输时间差定位。新一代干涉型分布式光纤
6、传感器LR系列产系列产品品LR-5LR-50 0LR分布式光纤传感器LR-5LR-50 01 12 2AABB监监控控主主机机引引导导光光缆缆传传感感光光缆缆首首端端模模块块末末端端模模块块4 4 0 0 -5 5 0 0 k k m mS S .S.SE E .S.S我方推出的是一款新一代分布式光纤传感器LR系 列产品，基于改进型M-Z干涉原理，采用全新的 硬件平台和嵌入式系统，克服了第一代同类产品 的缺陷，具有性能优良、探测动态范围大、稳定 性好、可靠性高等特点，其产品性能达到世界先 进水平。LR工作原理示意图传感器类传感器类型型改进型改进型M-ZM-Z分布式光纤传感分布式光纤传感器器激光
7、激光器器连续连续波波需要用三根光纤空间分辨空间分辨率率系统定位精度与传感臂两根光纤的平衡度有一定的关系，与埋设深度 也有关系，在工程应用中只要正确安装传感光缆，定位精度可达到25m 左右左右。有效探测距有效探测距离离系统采用特殊结构和算法，解调后的相干信号信噪比很高，最大有效 探测距离可以达到可以达到50km。测量时测量时间间激光器发射的是连续波，系统采集和处理的是反射波，信号的信噪比 很高，无需进行多次加权积累运算，测量时间非常很短（小于小于10ms10ms），对一个事件的报警时间大约5s5s，时效性好，可实现多目标探测。LRLR分布式光纤传感器主要技术特分布式光纤传感器主要技术特点点传感器
8、类传感器类型型改进型改进型M-ZM-Z分布式光纤传感分布式光纤传感器器误报误报率率信号识别：强度信号识别：强度(干涉干涉)+频率频率+时时间间干涉法解调的是连续波信号，解调后的信号包含有外部震动的全信息 可以直接还原外界扰动信号的强度和频率信息；同时建立了丰富的入 侵事件模型，对外界扰动信号的识别比较准确，误报率非常低误报率非常低。线性线性度度采用两根光纤作为传感臂，受到扰动时光纤内光发生干涉，干涉信号 强度与扰动位置无关，解调后的干涉信号强度不随探测距离的增加而 衰减，系统性能在整个光纤链上基本一致，在整个光纤链上基本一致，线性度很好。频率响频率响应应系统可以对回波直接进行变换得到扰动事件的
9、全频谱，频响范围非频响范围非常常宽，从宽，从10Hz到到500KHz，频谱可以覆盖绝大多数非法入侵事件；同时 系统采用了特殊的信号处理和算法，可以建立丰富的入侵事件模型，有效识别各种入侵事件。，LRLR分布式光纤传感器主要技术特分布式光纤传感器主要技术特点点LR管道安全预警系统基本配置LR系统通过不同的软硬件配置，可沿传感光缆设置多种不同的检测灵敏度系统通过不同的软硬件配置，可沿传感光缆设置多种不同的检测灵敏度。LR长距离管线安全预警系统配置F F rere q q u u e e n n c c y y频频率率低低LoLo w wLo Lo w w 低低(Q Q u u a a si-sta
10、si-sta tictic )准准静静态态S S e e c c u u rityrity监监控控振振幅幅M M a a g g n n ituitu d d e e高高H H igig h hLeLe a a k k a a g g e e泄泄漏漏H H ig ig h h 高高 1 1 0 0 0 0 K K H H z zL L o o w w F F rere q q u u e e n n c c y y H H igig h h M M a a g g n n ituitu d d e e低低频频/高高振振幅幅H H igig h h F F rere q q u u e e n
11、n c c y y L L o o w w M M a a g g n n ituitu d d e e 高高频频/低低振振幅幅其它其它技技术术O O thth e e r r s s TeTe c c h h n n o o lolo g g y yL L o o n n g g R R a a n n g g e e r r P P rere v v e e n n tata tivtiv e eL L o o n n g g R R a a n n g g e e r r P P rere v v e e n n tata tivtiv e eLR分布式光纤传感器频响范围1第三方事件预警
12、*人工挖掘/机械挖掘*管线上重载车辆运动*水平定向钻作业2管道泄漏探测（输油/输气）3灾害监测*管线堵塞定位*洪水/滑坡等地质灾害 4）清管器定位/运动轨迹跟踪5）通信光缆安全监控LR管道安全预警系统功能主要性能指标*传感类型：分布式光纤传感器*系统类型：嵌入式*工作方式：全天候/全实时监控*响应时间：95*虚警概率：98%不明报警：8次（无法查证），误报率2%报警定报警定位位（m m）第第一一 时时段段2018/10/252018/10/252018/11/262018/11/26第第二二 时时段段2018/11/272018/11/272018/12/312018/12/31第第三三 时时
13、段段2019/01/012019/01/012019/01/252019/01/25报报警警 合合计计占占比比现场情现场情况况6850-6850-6880688015015914245192.80%超载卡车经过 管道上方道路5310-5310-536053604-481.65%情况不详8310-8310-83508350-5-51.03%放电桩整改作业8301-8301-83518351-6-61.23%公路硬化作业8510-8510-885088505-51.03%公路硬化作业12960-1300012960-13000-11112.26%人为触碰 传感光缆总总计计486100%数据统计 数
14、据分析与验证事件一数据分析事件一数据分析：2018年11月22日，15:00-15:40期间，监控设备共记录报警5次，报警地点在8301m8351m附近。2018年12月18日，11:30-13:30期间，监控设备共记录报警6次，报警地点在8590m8701m附近。公路硬化作公路硬化作业业经现场查证，报警地点位于一个村庄附 近，管道途经该区域有一条乡村公路。报警日当天，是公路部门在该区段公路 进行公路硬化作业，筑路机械在该区域 施工，监控设备报警并定位。数据分析与验证事件二数据分析事件二数据分析：2018年11月28日，11:00-15:00期间，监控设备共记录报警5次，报警地点在8310m8
15、350m附近。放电桩整改作放电桩整改作业业经现场查验，是管道维护人员组织当地民工进行充电桩整改作业，事 先没有通知我方。当民工在管道周 边进行人工挖掘作业时，监控主机 发出报警并定位。右图显示作业人 员在现场挖掘。数据分析与验证事件三数据分析事件三数据分析：报警范围：5310m5360m（均值5315m）报警次数：8次，总报警比例1.65%报警时间：2天（2019/1/13-1/14）情况分析：报警天数只有两天，报警数量只有8次，报警分布100米范围内，报警时间分布11:30-13:30，报警地理位置附近就是一个村庄，经过现场查验，没什么有价值的线索，以后再也没有发生过报警。初步判断：这8次报
16、警可暂定为偶然事件 数据分析与验证事件四数据分析事件四数据分析：1报警次数：在6850m-6880m附近共记录有效报警451次，占系统全部报警数量92.8%；2报警时间：92天中有报警记录76天基本上都发生在晚上，时间分布18:00 02:00；3）报警规律：每个工作日报警5 8次，节假日无报警；经现场走访和查证，此处有一条公路从 管道上方穿过，管道埋深大约 2米；公 路附近有一家钢厂，几乎每天晚上都有 大型载重卡车到钢厂拉钢材，载重量都 在60吨以上。载重卡车驶过管线上方载重卡车驶过管线上方常规车辆驶过时，监控设备对回波信号进行分析，认为没有威胁不 报警；超重卡车经过时，回波信号明显异常，经
17、过分析后认为是一 个危害事件，发出报警并定位。经过上述分析，最终确定该点是一个新发现的潜在高危害区域潜在高危害区域。如果该区段管道被超重卡车长期碾压，将会出现安全隐患。建议：量化报警数据，定期现场查验，监测管道沉降建议：量化报警数据，定期现场查验，监测管道沉降；一旦一旦发现问题及时采取补救措施，防患于未然发现问题及时采取补救措施，防患于未然。数据分析与验证常规车辆驶过时回波常规车辆驶过时回波超重车辆驶过时回波超重车辆驶过时回波数据分析与验证主要报警位置分布情主要报警位置分布情况况案例二.天然气管线灾害抢险排查 天然气管线灾害抢险监测2018年 1月至6月，陕京四线内蒙古段天然气管道连续出现多次
18、冰 堵。通常情况下，管道堵塞监测和堵点定位是相当困难的。在排查 陕京四线冰堵现象时，启初根据以往经验，采用常规的做法查找堵 点，但是没有成功。接到北京天然气管道公司通知后，我方立即组织人 员携带设备前往现场，并根据管道冰堵后产生的现 象特点，决定采用光纤传感器进行排查工作。输气管道堵塞发声原理在23#阀室安装干涉型分布式光纤传感器LR-50，距离23#阀室向22#阀 室方向观测到2km-6km区域有明显的噪声，中心位置在3.2km至3.8km 区段。初步判断为疑似冰堵区域。从噪声回波图分布情况分析，冰堵 位置不是一个点而是一个区段。初步测试堵点回堵点回波波堵点定堵点定位位现场处置现场机械开现场
19、机械开挖挖蒸汽车加蒸汽车加温温堵点位置确认后，组织机械在距离阀室3500m附近进行开挖，采用蒸 汽车对管道进行加温。经过加温后用系统进行复测，发现回波噪声消失，管道内部压差恢复 正常水平，堵塞基本消失。系统复测随着向管道内持续注醇，常规监测数据显示管压差逐渐降低，同时光 纤传感器监测的噪声幅值也相应地减小。两种监测方法是相互独立的，两组数据的变化规律是吻合的，监测数 据可以相互验证，为抢险决策提供了技术支撑抢险决策提供了技术支撑。频谱分析图频谱分析图回波明显减小回波明显减小管道安全监控系统真实环境管道安全监控系统真实环境下下 报警事件及回报警事件及回波波天然气管道泄漏频谱天然气管道泄漏频谱清管器进入管道瞬间回波清管器进入管道瞬间回波清管器破碎瞬间回波清管器破碎瞬间回波压气站监测数据压气站监测数据天然气管道泄天然气管道泄漏漏清管器运动轨迹监清管器运动轨迹监测测泡沫清洗器泡沫清洗器破碎泡沫清洗器破碎泡沫清洗器机械挖机械挖掘掘干扰噪干扰噪声声不报不报警警干扰噪声来干扰噪声来源源泵泵站站多目标定位多目标定位真实事件报警20172017年年9 9月月2020日日20172017年年8 8月月4 4日日20172017年年8 8月月1313日日20172017年年9 9月月1212日日20172017年年5 5月月1818日日20182018年年1111月月2222日日
