摘要：介紹了深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程光纜管道安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：天然氣高壓輸配系統(tǒng)；預(yù)警系統(tǒng)；光纜

??? 深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)是西氣動(dòng)輸二線的配套工程，是我市的重點(diǎn)工程，對(duì)我司的持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。該系統(tǒng)將在深圳敷設(shè)約150km，口徑為813mm(支線為518mm)運(yùn)行壓力為4.0MPa的燃?xì)夤艿?，年輸氣?0億m³。

?? ?深圳市正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期，動(dòng)土建設(shè)工程眾多，施工單位對(duì)燃?xì)夤艿廊狈ψ銐虻陌踩J(rèn)識(shí)，經(jīng)常野蠻施工，管道受第三方破壞發(fā)生事故的危險(xiǎn)性極高。由于天然氣高壓管道管徑大、壓力高，工程全線均在城市人口稠密地區(qū)敷設(shè)，一旦發(fā)生事故，后果不堪想象，據(jù)相關(guān)測(cè)算，如發(fā)生爆管事故，影響范圍可達(dá)1500m。目前我市燃?xì)夤艿李A(yù)防外界破壞的保護(hù)方式有以下兩種，其一是在管道上方埋設(shè)警示保護(hù)板，設(shè)置警示樁；其二是安排巡線檢查人員定期沿管線巡檢。這兩種方式都是被動(dòng)的、不連續(xù)的安全保護(hù)措施。怎樣采用科技手段對(duì)高壓管道實(shí)行有效的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，時(shí)刻掌握管道周?chē)欠翊嬖诎踩[患，在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)、并制止破壞一直是我公司重點(diǎn)關(guān)注的課題。

??? 管道光纜預(yù)警系統(tǒng)是利用隨天然氣管道鋪設(shè)的光纜對(duì)周?chē)寥赖恼饎?dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)軟件分析得出震動(dòng)源的特性得知周?chē)h(huán)境是否存在危險(xiǎn)的情況，提煉出有威脅的信號(hào)并發(fā)出報(bào)警信息，提醒值班人員及時(shí)安排人員前往震動(dòng)地段核實(shí)，邊被動(dòng)發(fā)現(xiàn)為主動(dòng)發(fā)現(xiàn)，將危險(xiǎn)“屏蔽”在事故發(fā)生以前。

???(1) 光纜預(yù)警原理介紹

???光纜預(yù)警系統(tǒng)是利用光纜中光纖在受到震動(dòng)后將按震動(dòng)源的震動(dòng)頻率產(chǎn)生周期性細(xì)微的物理形變，形變導(dǎo)致內(nèi)部通過(guò)的連續(xù)激光頻率產(chǎn)生變化(即應(yīng)力頻移攝動(dòng))，將承載震動(dòng)信息的激光經(jīng)過(guò)反射/透射膜等光電設(shè)備就可還原震源音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件分析得出震動(dòng)源的特性和位置，通過(guò)軟件過(guò)濾出具有威脅性的震動(dòng)源從而發(fā)出預(yù)警信息。

??? ① 光纖震動(dòng)感應(yīng)原理

??? 利用光纜中3根單模光纖，其中兩根作為分布式傳感器使用，用于拾取震動(dòng)信號(hào)，第根作為傳輸光纖用于傳輸承載干涉信號(hào)的激光(如圖1)。

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???光發(fā)射器發(fā)出的激光通過(guò)激光分配模塊(即光耦合器)分成兩束，一束光從激光相干模塊(光干涉儀)左端入射，在干涉儀右端會(huì)合并通過(guò)傳輸光纖傳回，形成一路干涉信號(hào)，另一束激光通過(guò)傳輸光纖從干涉儀右端輸入，在干涉儀左端會(huì)合并形成第二路干涉信號(hào)，從而組成一個(gè)雙向傳輸結(jié)構(gòu)的干涉儀。兩路干涉信號(hào)通過(guò)光接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在經(jīng)過(guò)信號(hào)解調(diào)就可得到震動(dòng)點(diǎn)的音頻信號(hào)。分析這些震動(dòng)信號(hào)的特征，使用模式識(shí)別等方法從中提取出對(duì)管道有威脅的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)管道的安全預(yù)警。

??? ② 震源位置的確定方法

??? 設(shè)激光收發(fā)模塊間的距離長(zhǎng)度為L(zhǎng)₀，兩路信號(hào)的時(shí)延差為△t，光纖中光速為v(v=c/n，c為真空中的光速，n為光纖纖芯折射率)，則從震動(dòng)點(diǎn)位置到干涉儀右端的距離L為：

???L=1/2△t=c_t/2n

式中t——時(shí)延時(shí)間。

??? 因此，可得到雙向傳輸干涉儀兩路干涉信號(hào)的時(shí)延差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的精確定位。

??? (2)管道光纜安全預(yù)警系統(tǒng)智能分析軟件

光纜安全預(yù)警系統(tǒng)之所以能夠準(zhǔn)確區(qū)分各類信號(hào)，得益于系統(tǒng)具有強(qiáng)大自學(xué)習(xí)功能的智能分析軟件。系統(tǒng)安裝后先進(jìn)入自學(xué)習(xí)階段，依據(jù)人工判斷事件的原則，根據(jù)人工干預(yù)信號(hào)的方式形成自動(dòng)模式識(shí)別，之后會(huì)自動(dòng)分辨。系統(tǒng)對(duì)常見(jiàn)的震動(dòng)事件，如鐵路穿越點(diǎn)火車(chē)經(jīng)過(guò)對(duì)地面的震動(dòng)信號(hào)做為常規(guī)信號(hào)提示，對(duì)非常規(guī)信號(hào)如打孔、挖掘則發(fā)出報(bào)警。對(duì)于在人工學(xué)習(xí)中沒(méi)有碰到的信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，之后依據(jù)人工處理的原則，系統(tǒng)會(huì)在再次遇到該類信號(hào)時(shí)依據(jù)上次原則作出相應(yīng)的判斷。

??? (3) 光纜預(yù)警系統(tǒng)特點(diǎn)

??? ① 偵測(cè)距離長(zhǎng)、范圍寬、定位準(zhǔn)確。每套光纖傳感器可監(jiān)測(cè)40～60km距離，可采用多套組合使用，系統(tǒng)可長(zhǎng)距離的進(jìn)行全程檢測(cè)，總長(zhǎng)度幾乎不受限制。該系可對(duì)光纜沿線以光纜為中心周?chē)睆?～6m以內(nèi)的范圍進(jìn)行，偵測(cè)，定位精度為±100至±200m。

??? ② 施工簡(jiǎn)單，安裝方便。該系統(tǒng)使用3根光纖即可實(shí)現(xiàn)功能。光分配器和光干涉器體積小，可直接安裝于任何位置，還可采取直接地埋形式，不會(huì)影響偵測(cè)效果。在通訊的同時(shí)便可執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)，不影響通訊。主控器為一臺(tái)工控機(jī)，可安裝于自控機(jī)房機(jī)柜之內(nèi)。

??? ③ 獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。智能化的分析系統(tǒng)可獨(dú)立分析每段監(jiān)測(cè)部分的管道周?chē)h(huán)境狀況，可以提示將要發(fā)生的潛在威脅，報(bào)告震源確切位置。每套偵測(cè)設(shè)備可獨(dú)立運(yùn)行，任何一套出現(xiàn)故障不會(huì)干擾其他設(shè)備。

??? ④ 高的靈敏度和強(qiáng)的抗干擾能力。該系統(tǒng)不受管道所處環(huán)境和氣候影響，不管是鋪設(shè)在喧鬧的城市或工業(yè)區(qū)地下，還是靜謐的荒野地下，也不受電磁波等外界干擾。

??? ⑤ 使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便。該系統(tǒng)中最重要的是管道沿線的分布式傳感光纖，光纖不氧化、生銹，柔韌度高，抗腐蝕，使用壽命可達(dá)幾十年之久。光纜的使用壽命在20年以上，所以，該套系統(tǒng)最長(zhǎng)使用壽命與光纜相同。

??? ⑥ 系統(tǒng)接入性好，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)。該系統(tǒng)由一部控制電腦、一部激光發(fā)射器和一部光纖振動(dòng)傳感器及光纖組成，可與其它安保技術(shù)設(shè)備如視頻傳播系統(tǒng)、聲音報(bào)警器等配置兼容，遭受破壞的光纖只需焊接便可恢復(fù)工作?？煞奖愕膶?bào)警信息接入SACAD系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)上的統(tǒng)一檢測(cè)管理和報(bào)警定位。

??? ⑦ 具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)功能。該系統(tǒng)能夠?qū)κ煜さ母黝愋盘?hào)進(jìn)行分析判斷，過(guò)濾出報(bào)警信號(hào)，還能夠?qū)σ郧拔窗l(fā)生的信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)。首次在人為干預(yù)的情況下可自動(dòng)記錄住新信號(hào)是否需要發(fā)出報(bào)警，在接下來(lái)后期發(fā)現(xiàn)同類信號(hào)時(shí)自控采取相同的處理方法。

??? ⑧ 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)介質(zhì)是光纖，利用激光作為信號(hào)載體進(jìn)行信號(hào)識(shí)取與分析，所以實(shí)時(shí)性強(qiáng)。光纖預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，所以具有極高的穩(wěn)定性與可靠性。

??? (4) 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用

??? 由于優(yōu)點(diǎn)顯著，光纜安全預(yù)警系統(tǒng)已逐漸得到了國(guó)內(nèi)外管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)的重視。美國(guó)紐約天然氣公司幾年前就應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)來(lái)維護(hù)管道安全；中國(guó)石化塘燕線燕山至涿州段約27km；近幾年我國(guó)中石油天然氣管道通信電力工程總公司投入大量的資金和人力研究該項(xiàng)技術(shù)，目前已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段并在部分長(zhǎng)輸管道實(shí)施，如西氣東輸蘇浙滬段實(shí)施了300km，阿獨(dú)線實(shí)施了246km等。

??? 深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)采取隨燃?xì)夤艿劳瑴戏笤O(shè)光纜的方式采集管道沿線場(chǎng)站閥室的監(jiān)控信號(hào)，這給我們應(yīng)用光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)提供了便利條件。我們可以利用光纜中富余的光纖作為管道安全預(yù)警系統(tǒng)的分布式傳感器，實(shí)時(shí)偵測(cè)各種入侵信號(hào)，以此來(lái)預(yù)防第三方破壞事件的發(fā)生，時(shí)刻保護(hù)燃?xì)夤艿赖倪\(yùn)營(yíng)安全。

???(1) 方案設(shè)計(jì)

???深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)管道路由分布如圖2。

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