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警系統(tǒng)應用方案。

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

??? 深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)是西氣動輸二線的配套工程，是我市的重點工程，對我司的持續(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)運行壓力為4.0MPa的燃氣管道，年輸氣量40億m³。

?? ?深圳市正處于經(jīng)濟高速發(fā)展的時期，動土建設(shè)工程眾多，施工單位對燃氣管道缺乏足夠的安全認識，經(jīng)常野蠻施工，管道受第三方破壞發(fā)生事故的危險性極高。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)測算，如發(fā)生爆管事故，影響范圍可達1500m。目前我市燃氣管道預防外界破壞的保護方式有以下兩種，其一是在管道上方埋設(shè)警示保護板，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的、不連續(xù)的安全保護措施。怎樣采用科技手段對高壓管道實行有效的監(jiān)測和保護，時刻掌握管道周圍是否存在安全隱患，在最短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)、并制止破壞一直是我公司重點關(guān)注的課題。

??? 管道光纜預警系統(tǒng)是利用隨天然氣管道鋪設(shè)的光纜對周圍土壤的震動信號進行監(jiān)測，通過軟件分析得出震動源的特性得知周圍環(huán)境是否存在危險的情況，提煉出有威脅的信號并發(fā)出報警信息，提醒值班人員及時安排人員前往震動地段核實，邊被動發(fā)現(xiàn)為主動發(fā)現(xiàn)，將危險“屏蔽”在事故發(fā)生以前。

???(1) 光纜預警原理介紹

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

??? ① 光纖震動感應原理

??? 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，用于拾取震動信號，第根作為傳輸光纖用于傳輸承載干涉信號的激光(如圖1)。

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???光發(fā)射器發(fā)出的激光通過激光分配模塊(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，在干涉儀右端會合并通過傳輸光纖傳回，形成一路干涉信號，另一束激光通過傳輸光纖從干涉儀右端輸入，在干涉儀左端會合并形成第二路干涉信號，從而組成一個雙向傳輸結(jié)構(gòu)的干涉儀。兩路干涉信號通過光接收器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，在經(jīng)過信號解調(diào)就可得到震動點的音頻信號。分析這些震動信號的特征，使用模式識別等方法從中提取出對管道有威脅的信號，從而實現(xiàn)管道的安全預警。

??? ② 震源位置的確定方法

??? 設(shè)激光收發(fā)模塊間的距離長度為L₀，兩路信號的時延差為△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)，則從震動點位置到干涉儀右端的距離L為：

???L=1/2△t=c_t/2n

式中t——時延時間。

??? 因此，可得到雙向傳輸干涉儀兩路干涉信號的時延差，從而實現(xiàn)對振動信號的精確定位。

??? (2)管道光纜安全預警系統(tǒng)智能分析軟件

光纜安全預警系統(tǒng)之所以能夠準確區(qū)分各類信號，得益于系統(tǒng)具有強大自學習功能的智能分析軟件。系統(tǒng)安裝后先進入自學習階段，依據(jù)人工判斷事件的原則，根據(jù)人工干預信號的方式形成自動模式識別，之后會自動分辨。系統(tǒng)對常見的震動事件，如鐵路穿越點火車經(jīng)過對地面的震動信號做為常規(guī)信號提示，對非常規(guī)信號如打孔、挖掘則發(fā)出報警。對于在人工學習中沒有碰到的信號，系統(tǒng)會發(fā)出報警，之后依據(jù)人工處理的原則，系統(tǒng)會在再次遇到該類信號時依據(jù)上次原則作出相應的判斷。

??? (3) 光纜預警系統(tǒng)特點

??? ① 偵測距離長、范圍寬、定位準確。每套光纖傳感器可監(jiān)測40～60km距離，可采用多套組合使用，系統(tǒng)可長距離的進行全程檢測，總長度幾乎不受限制。該系可對光纜沿線以光纜為中心周圍直徑4～6m以內(nèi)的范圍進行，偵測，定位精度為±100至±200m。

??? ② 施工簡單，安裝方便。該系統(tǒng)使用3根光纖即可實現(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，不會影響偵測效果。在通訊的同時便可執(zhí)行監(jiān)測任務，不影響通訊。主控器為一臺工控機，可安裝于自控機房機柜之內(nèi)。

??? ③ 獨立運行，互不干擾。智能化的分析系統(tǒng)可獨立分析每段監(jiān)測部分的管道周圍環(huán)境狀況，可以提示將要發(fā)生的潛在威脅，報告震源確切位置。每套偵測設(shè)備可獨立運行，任何一套出現(xiàn)故障不會干擾其他設(shè)備。

??? ④ 高的靈敏度和強的抗干擾能力。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，維護方便。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)最長使用壽命與光纜相同。

??? ⑥ 系統(tǒng)接入性好，可實現(xiàn)報警聯(lián)動。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)、聲音報警器等配置兼容，遭受破壞的光纖只需焊接便可恢復工作?？煞奖愕膶缶畔⒔尤隨ACAD系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)監(jiān)控平臺上的統(tǒng)一檢測管理和報警定位。

??? ⑦ 具有強大的自學習功能。該系統(tǒng)能夠?qū)κ煜さ母黝愋盘栠M行分析判斷，過濾出報警信號，還能夠?qū)σ郧拔窗l(fā)生的信號進行學習。首次在人為干預的情況下可自動記錄住新信號是否需要發(fā)出報警，在接下來后期發(fā)現(xiàn)同類信號時自控采取相同的處理方法。

??? ⑧ 系統(tǒng)實時性強、可靠性高、穩(wěn)定性好。因為監(jiān)測介質(zhì)是光纖，利用激光作為信號載體進行信號識取與分析，所以實時性強。光纖預警系統(tǒng)設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，所以具有極高的穩(wěn)定性與可靠性。

??? (4) 國內(nèi)外應用

??? 由于優(yōu)點顯著，光纜安全預警系統(tǒng)已逐漸得到了國內(nèi)外管道運營企業(yè)的重視。美國紐約天然氣公司幾年前就應用該項技術(shù)來維護管道安全；中國石化塘燕線燕山至涿州段約27km；近幾年我國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技術(shù)，目前已經(jīng)達到實用階段并在部分長輸管道實施，如西氣東輸蘇浙滬段實施了300km，阿獨線實施了246km等。

??? 深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)采取隨燃氣管道同溝敷設(shè)光纜的方式采集管道沿線場站閥室的監(jiān)控信號，這給我們應用光纖管道安全預警系統(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警系統(tǒng)的分布式傳感器，實時偵測各種入侵信號，以此來預防第三方破壞事件的發(fā)生，時刻保護燃氣管道的運營安全。

???(1) 方案設(shè)計

???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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