許威

(中石化石油工程設(shè)計有限公司 北京分公司，北京 102200)

振動光纖技術(shù)在油氣管道站場周界防范中的應(yīng)用

許威

(中石化石油工程設(shè)計有限公司 北京分公司，北京 102200)

詳細介紹了振動光纖系統(tǒng)探測振動的原理，并將微波對射、激光對射、振動電纜、振動光纜幾種入侵報警技術(shù)的性能進行了對比分析，結(jié)合工程應(yīng)用實例證明了振動光纖入侵報警技術(shù)具有誤報率低，防雷、防爆、抗電磁干擾、耐腐蝕、不受惡劣環(huán)境影響，且安裝便捷，適用于各種形式的周界，可實現(xiàn)無死角防御等優(yōu)點，尤其適用于油氣管道站場等易燃、易爆場合。

微分干涉原理 振動光纖 油氣管道 站場 誤報率 前端無源

隨著長輸管道的建設(shè)，加上近年來的中石油大連石化“7.16事故”等油氣安全事故頻發(fā)，油氣管道及站場的安全防護問題越來越受到各級相關(guān)部門重視。雖然管道運營單位為保證安全已經(jīng)采取了布設(shè)鐵絲網(wǎng)、圍欄等措施，但由于有些站場位置偏僻，且站場分布地域廣，站內(nèi)工藝設(shè)施容易遭到人為破壞，給國家造成巨大的經(jīng)濟損失，因而簡單的物理防護手段已經(jīng)不能滿足安全防護需求[1-4]。

傳統(tǒng)的入侵報警系統(tǒng)易受大風、雨雪等環(huán)境因素影響，誤報率極高；有的前端傳感單元需要供電，存在雷擊的危險且易受電磁干擾。因此，需要通過技術(shù)手段對站場周界進行實時監(jiān)測，振動光纖很好地解決了上述問題。

1 系統(tǒng)原理

振動光纖入侵報警系統(tǒng)前端設(shè)備基于微分干涉原理，如圖1所示。

圖1 微分干涉型光纖振動傳感器原理示意

從寬帶光源(SLD)發(fā)出的光，依次通過2個光纖耦合器后進入傳感光纖，在終端遇到反射鏡后原路返回，再按照反射方向依次通過2個光纖耦合器后進入光電探測器D1和D2。在2個光纖耦合器之間的2個連接臂，分別采用延遲光纖和直通光纖的方式形成非平衡馬赫 - 曾德爾干涉結(jié)構(gòu)[5]，其中延遲光纖產(chǎn)生的時間延遲為τ。從SLD發(fā)出的光，往返傳播后，在探測端共形成4條光路，由于SLD的存在，最終只有2條光路能夠形成干涉。在傳感光纖上沒有擾動出現(xiàn)時，2條干涉光路始終等長，無法形成干涉；當有擾動出現(xiàn)時，這2束光在時間差τ內(nèi)先后經(jīng)過擾動源，而擾動是對光的相位進行隨時間變化的動態(tài)調(diào)制，因而在探測器D1和D2中就會形成干涉[6]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)前端由通信光纜、傳感光纜、防區(qū)控制器和光終端組成，全部為無源器件；后端由防區(qū)型主機、繼電器聯(lián)動模塊、工控機以及軟件等組成。傳感光纜采集振動信號，防區(qū)控制器完成光學干涉；通信光纜將干涉后的光學信號傳送至系統(tǒng)后端的防區(qū)型主機；防區(qū)型主機實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)信號上傳至智能算法分析處理軟件，最終輸出有效報警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 常用入侵報警技術(shù)對比

對當前油氣行業(yè)常用的幾種入侵報警技術(shù)性能進行對比，結(jié)果見表1所列。

圖2 微分干涉型振動光纜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

對比項微波報警激光對射振動電纜振動光纜使用壽命/a4～51～23～430誤報、漏報率 高,易受風、雨、雪天氣影響 較高,對大霧、沙塵等天氣敏感 低,電磁輻射強的環(huán)境不適用,不受天氣影響 較低,不受天氣影響,不受電磁輻射影響安裝簡易型 安裝簡單 安裝要求高,難度大;激光束靶點需精確對準 安裝簡單 安裝簡單環(huán)境適用性 要求地面平坦、無遮擋物,直線安裝 不適用于周界規(guī)則的場合 易受電磁干擾,需防雷,適用于各種形狀的周界 前端無源,抗電磁干擾,無需防雷適用于各種形狀的周界維護難度 需經(jīng)常性檢修,防區(qū)控制器易損壞 需經(jīng)常性檢修,探頭易老化、易損壞 需經(jīng)常性檢修 免維護綜合成本 造價中等 造價最低 造價最高,通常為振動光纜的2～3倍 造價中等,防區(qū)數(shù)一定的情況下,監(jiān)控距離越長,每公里造價越低

從表1可以看出，各類報警系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。振動光纜由于前端無源，無需防雷、維護方便、建設(shè)成本低等方面優(yōu)勢突出，因而更適用于油氣管道站場易燃、易爆場所。

4 工程應(yīng)用實例

文中以某天然氣管道站場為例，該站場形狀不規(guī)則。站場采用實體圍墻加鐵絲網(wǎng)的方式，圍墻全長1 350 m，共分為6個防區(qū)，大門口1個防區(qū)采用激光對射探測器，其他5個防區(qū)采用振動光纜入侵探測。

入侵報警主機集成振動光纖報警信號和大門口激光對射報警信號，同時聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1 傳感光纜選擇及施工

傳感光纜選用GYTA53鎧裝光纜，本身硬度較硬，嚴格按標準施工，光纜本身能夠有效抑制大風條件下產(chǎn)生的噪聲，且能有效抗誤報；同時能夠提供較好的振動靈敏度，性價比較高。光纜鋪設(shè)于鐵絲網(wǎng)圍欄上時，采用正弦波型敷設(shè)方式，該種敷設(shè)方式可探測到攀爬、翻越、剪網(wǎng)、梯子輔助翻越等入侵方式。通過采用該方式，可增大圍欄的感應(yīng)面積，從而有效地探測到較弱的入侵信號。

由于圍欄角落和支柱比較堅固，比鐵絲網(wǎng)組織更難傳遞震動，因而這些部位必須增加傳感光纜對其進行保護。

4.2 大門的防護

大門口是入侵報警系統(tǒng)防護的難點，由于該站場采用的是電動伸縮大門，大門開關(guān)頻繁，若采用振動光纜則安裝不便，因而大門處選用雙光束激光對射式入侵報警設(shè)備，并根據(jù)站場的作息時間通過軟件對大門分時布防和撤防，解決了大門布防的難題。激光對射報警信號通過數(shù)據(jù)總線引入入侵報警主機。

4.3 無源防區(qū)控制器的安裝

無源防區(qū)控制器選擇地埋安裝方式。采用防水抗老化地埋箱預(yù)埋，然后將無源防區(qū)控制器放置到地埋箱中，熔接好光纜后再防水密封，便于后期維護。地埋箱深度位于地表下1 m左右。

4.4 應(yīng)用效果

測試該系統(tǒng)應(yīng)用效果時，人為地在該站場加入了一些干擾，如大雨、大風天氣、動物闖入等，系統(tǒng)均未報警，可見振動光纜系統(tǒng)能較好地區(qū)分人為入侵和其他入侵，測試系統(tǒng)誤報率為零，測試結(jié)果見表2所列。

表2 基于振動光纖技術(shù)的周界入侵報警系統(tǒng)使用效果統(tǒng)計

5 結(jié)束語

振動光纖入侵報警系統(tǒng)利用光纜作為傳感器，通過防區(qū)型主機實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)信號上傳至智能算法分析處理軟件，對入侵事件的信號特征進行智能分析與模式識別，以減少系統(tǒng)的誤報率。同時前端的無源設(shè)計，相對其他入侵技術(shù)更適合在油氣站場等防爆場所應(yīng)用。據(jù)了解，振動光纖入侵報警系統(tǒng)在中石油塔里木油田大量應(yīng)用，至今應(yīng)用效果良好。隨著天然氣管道數(shù)字化、智能化的推進，振動光纖入侵報警技術(shù)因其獨有的優(yōu)勢將在油氣管道站場得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] 司輝，李香文，董曉琪，等.振動光纖技術(shù)在天然氣站場周界

安防中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2013(10)： 116-121.

[2] 閆奇眾.光纖傳感周界入侵防范系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及市場前景淺析[J].烽火科技，2012(01)： 17-21.

[3] 劉波，楊亦飛，牛文成，等.光纖圍欄技術(shù)特點及研究現(xiàn)狀[J].光子技術(shù)，2004(04)： 208-213.

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Application of Vibration Fiber Technology to Perimeter Security at Oil and Gas Pipeline Station

Xu Wei

(Beijing branch, Sinopec Petroleum Engineering Corporation, Beijing, 102200, China)

The principle of vibrating optical fiber system is introduced in detail. The performance of several intrusion alarm technologies including microwave radio, laser beam, vibration cable and vibration FOC is compared. The application example proves the vibration fiber intrusion alarm technology has advantages of low false alarm rate, lightning surge protection, anti-electromagnetic interference, anti-corrosion, anti-harsh environment, easy installation. It is suitable for all kinds of perimeter with advantage of no dead angle realization. It is especially applicable for flammable and explosive situations, such as oil and gas piping stations and so on.

differential interference principle; optical fiber vibration sensing; oil and gas pipeline station; false alarm rate; front-end passive

許威(1986—)，2009年畢業(yè)于山東大學信息科學學院通信專業(yè)，獲學士學位，就職于中石化石油工程設(shè)計有限公司，從事通信專業(yè)設(shè)計工作，任工程師。

TP274+.51

B

1007-7324(2017)03-0047-03

稿件收到日期： 2016-12-09，修改稿收到日期： 2017-03-06。