物联网感知-基于分布式光纤传感的石油石化管道综合监测

【1】石油石化管道综合监测意义

石油石化管道是天然气、石油、城市供暧、煤气等重要系统不可缺少的物质输送设施。对国民经济发展和能源物资交通运输具有非常重要的意义。同时管道设施投资巨大、在空间上有一定的隐蔽性，如果由于人为或自然原因受到破坏，易燃易爆物质的外泄将带来极大的安全隐患，如果由此引发火灾或者爆炸事故，会带来经济损失，甚至造成重大的人员伤亡和社会秩序的混乱。

石油、天然气管道具有输送连续、效率高、输送量大、成本低等诸多优点，是连续地输送大量石油、天然气最快捷、安全和经济可靠的运输方式。油气管道系统往往布设距离较长，且常处于城市或野外复杂的自然环境中，地质活动以及人为的施工活动等都可能造成管道的损坏，对油气管道的安全监测，不仅是有益于管道的经济运行，亦有助于对环境的保护，有利于实现石油、天然气生产及运输工业的可持续发展。如果能对整条油气管道进行周边环境实时监测，就可及时发现可能威胁到管道安全运行的环境变动和人为活动，通过对受到振动干扰的管道位置进行定位，就能够查找到引发管线环境振动的源头，为相关部门及时预警并排除管道安全隐患提供依据；对油气管道的泄漏监测，则能及时发现定位管道已损坏的泄漏点，有利于管道部门快速及时的进行线路抢修和故障排除，减少经济和居民人身安全损失。

分布式光纤传感的石油石化管道综合监测系统，可直接利用油气管道系统的通讯光纤作为探测和传输介质，实时监测长距离油气管道的振动和温度分布信息来预警可能的管道破坏和泄漏情况，其中，振动监测作为管道破坏的事前、事中预警手段，温度监测则起到泄漏事故实际发生的定位报警作用，应变监测可以预警地质灾害、管道结构变化。该系统能及时发现油气管道受破坏和泄漏点并精确定位，为油气管道系统的泄露监测提供高效率、高准确率的解决监测方案，保障管道的

安全运行。

【2】基于分布式光纤传感的石油石化管道综合在线监测原理

石油石化管道在线监测系统将光纤振动监测系统与光纤温度应变监测系统相结合，仅用油气管道中的通讯光缆或光电复合缆中的一根光纤就可实现长达几十公里的油气管道外力侵害事件预警和管道泄漏定位报警。

温度监测：

原油在用管道输送过程中，需要加热来降低原油的粘度，以提高输送效率、降低成本，这就需要将管内原油加热到一定的温度，如果原油发生泄漏，外泄的原油将引起漏点附近油管保温层外表面及周围环境的温度上升。通过基于通讯光缆的分布式光纤测温技术，对油气管道进行在线温度分布监测，就能够通过管道温度异常点的探测，准确发现管道的泄漏，并进行及时的报警和定位。如果天然气管道发生泄漏，高压气体的体积膨胀将引起漏点附近温度的下降，分布式光纤测温系统同样可通过温度异常点的探测，发现并定位天然气管道的泄漏情况。对于各类输油管道，加热到合适的输油温度也是一项有效的节能降耗措施，但由于外界环境迥异，若不能准确地确定管道在不同地域条件、不同季节的温度场变化情况，只能依赖经验确定输油温度，这将导致输油温度偏高，造成能源的浪费。此外，管输作业中，不可避免的遭遇自然灾害、管道维修等紧急情况，原油被迫停输；在停输阶段，管内原油温度降低，粘度上升，当油温降至某温度时，会给管道的再启动带来极大困难，甚至于造成凝管事故，为避免此类情况发生，需要准确获知停输温降规律和安全停输时间。利用分布式光纤测温技术监测输油管道的温度场分布，以此作为调节合适输油温度的依据，避免无谓的浪费，达到节能降耗的目的。

在油气管道介质泄漏受压情况下，液态和气态物质导致的泄漏点的高温/低温，是由物质的物理性质、工艺条件和周围环境所决定的。这些点的温度异常可通过分布式温度测量而获得，并有很好的温度、距离和反应时间精度。

例如，由于原油泄漏而导致感温光缆的温度变化（升高）来探测输油管道泄漏：

又如，由于天然气泄漏膨胀而导致的光缆温度降低来探测气体泄漏：

将传感光缆绷紧后完全黏附在管道表面，可近似认为传感器与黏着处结构的变形保持同步，从而反映管道设施的变形、位移、松动等结构情况。油气管道在遭遇土层松动、山体滑坡、地质沉降等会造成随管道光缆应变力发生变化，光纤传感温度及应变监测可以通过应力变化预警，及时提醒值班巡检人员注意自然地质灾害排查防范。

在油气管道遇到外力侵害时，本身的振动和扭曲变形等可作为主要的侵害事件正在发生的监测判断依据；另外，油气管道在泄漏时会引起泄漏处管道及其包覆层等周围环境的振动，利用分布式光纤振动传感系统监测到振动信息并进行定位，进一步提升管道泄漏点的监测准确率，为油气管道的稳定安全运行提供技术支持。

【3】基于分布式光纤传感的石油石化管道综合监测

系统组成

综合在线监测系统综合使用了光纤振动监测系统和分布式光纤测温及应变系统，将两者安装于同一机柜中，并可同时接入上位服务机进行油气管道状态的综合监测，结合软件显示、声光、

网络、短信等报警手段，为油气管道的安全运行提供可靠保障。油气管道综合在线监测系统由光纤振动监测系统、分布式光纤测温及应变系统、信号传输单元、信号处理单元组成，其中信号传输单元即为已铺设油气管道中通讯光纤的一芯，无需重新施工。

配备可视化监控软件系统，可以做到现场实时监控。软件系统应用结构采用 C/S 或B/S模式—客户端、服务器、数据库三层结构，实现客户端与服务器的直接相连。客户操作界面设计个性化，具有直观、简单、方便的特点，可以满足客户个性化的操作要求。

监控软件应具有但不限于以下功能：

*实时显示各条油气管道各处振动情况和温度值，并将相关信息记录，可随时调档进行查阅

*可自设定预警和报警参数。

*各区域振动情况和温度应变的变化，可通过显示颜色进行区分。

查询多点的历史记录，支持数据回放功能：可随时调用、分析历史数据，进行最大值筛选及疲劳分析，并同时显示图形曲线及实测数值。

软件预先设计有预留模块，以备以后扩充使用。

可根据振动模式以及温度应变的升高速率进行报警，并可设定报警速率值。

系统自检：可对系统内的信号处理器、传输光缆、感温探测器的运行状况进行实时自检，如故障及时报警，可设置巡检周期；

报警记录查询及历史数据查询。

系统部署设计

监测主机所在的监控室距到管道起始区由一段传输光缆连接。光缆沿各管道走向安装，每条光缆通道负责监控一条管道。光缆在管道的正上方或附近埋设，当管道附近出现振动源、泄漏或某处管道受到开挖等行为破坏，光纤探测到相关变化信息时，系统可立该报警受变化信息及其定位信息，通知管道相关部门和消防及时做出预防寻查处理，消除破坏隐患。

系统主机布置在监控室的机柜中，油气管道中的一芯光纤接入到系统主机即完成主要的安装工作。某条油气管道某处出现侵害事件时，光缆将立刻监测到振动及形变温变信息，系统可立该报警侵害事件及其定位信息，通知相关部门和消防及时做出处理，消除事故隐患。

未来设想

当前分布式光纤测振与分布式光纤测温及应变系统结合监测时，机柜预留双主机安装位置。未来随着技术发展，应是分布式光纤测振、测应变、测温一体化的，并通过一天单模光纤就实现这些信息实时采集。一台多通道的系统主机可同时对多条油气管道进行监测，只需将每条油气管道中的一芯通讯光纤接入系统的一个通道。

监测技术优势

针对油气管道的分布式光纤传感的振动、应变、温度监测，并加以分析处理，就能够实现油气管道侵害事件的发现预警和损伤泄漏点的探测分析。传统的振动和温度测量多用电阻应变片、热敏电阻、感温电缆等温度传感器。但对于要求防爆、防腐蚀的油气管道系统，传统以电信号为工作基础的温度传感器在环境适用性、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，使得光纤振动和温度的传感器突破了电传感器的限制，为存在要防爆、防腐蚀、甚至防电磁场干扰的环境提供了非常有效的监测方法。石油石化管道综合监测系统综合使用了光纤振动监测系统和分布式光纤测温及应变系统，就像给油气管道装上了一双“监控的眼睛”，实现了对油气管道亚健康状态早发现、早告警的全天候、分布式监控。

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