曾科宏，賴 康,顏 剛,李新文,席有強,邸小彪，李 剛

(1.中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司，河北 廊坊 065000；2.中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100020)

長輸管道是油氣能源運輸的大動脈，直接服務沿線工業(yè)生產和城市居民的生活保障。管道屬于危險源，一旦發(fā)生泄漏，易燃易爆的高壓介質迅速擴散，極易發(fā)生燃燒爆炸等災難，不僅影響管道安全生產，還會給國家和人民群眾的生命財產造成巨大損失[1]。截至2019年底，中國長輸油氣管道達到13.9萬km。管道線路環(huán)境復雜多樣，自然和社會環(huán)境各不相同，隨著管道沿線經濟和城鎮(zhèn)化進程的快速發(fā)展，管道沿線的人為、機械、自然災害等破壞事件頻繁發(fā)生，嚴重威脅油氣管道的生產安全。

目前國內對長輸油氣管道的維護主要以人工定期巡查為主，無法做到實時連續(xù)、無盲區(qū)監(jiān)測管道安全狀態(tài)和及時發(fā)現油氣管道的破壞。管道監(jiān)控技術上分為泄漏后報警技術和開孔前預警技術兩種。其中應用于油氣管道安全監(jiān)測的技術方法以泄漏監(jiān)測為主[2-4]，如負壓力波法、流量平衡法、壓力梯度法、超聲波檢測等。從管道防護角度，泄漏后報警技術已不符合管道安全生產的要求，其報警滯后、已被盜竊分子掌握規(guī)律等弱點被生產實踐證明定位精度和報警準確度[5-7]難以滿足油氣管道安全生產的要求。

針對管道安全監(jiān)測的需求，本文介紹一種基于相位敏感光時域反射計(Ф-OTDR)的分布式管道光纖預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用管道同溝敷設光纜中的一根光纖作為分布振動傳感器，連續(xù)實時對管道周圍的土壤振動(第三方施工、人為破壞、打孔盜油、自然災害、穿越鉆探)等威脅管道的事件進行提前預警與定位，提前制止破壞事件發(fā)生。目前系統(tǒng)已經在長輸油氣管道、地方管網、城市燃氣、國防光纜等行業(yè)應用與測試。本文通過北京天然氣管道陜京二線實際應用案例，統(tǒng)計分析系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)利用長輸油氣管道同溝敷設光纜中的一根通信光纖作為分布式振動傳感器，實時拾取管道沿線預警范圍內的土壤振動信號，通過信號識別分析類型并根據綜合分析判斷是否威脅管道或光纜安全的事件。系統(tǒng)檢測原理如圖1所示。

圖1 Ф-OTDR系統(tǒng)原理

基于Ф-OTDR[8-9]的分布式光纖傳感器利用光纖對振動敏感的特性，當外界振動作用于傳感光纖時，光纖的折射率、長度將產生微小變化，從而導致光纖內傳輸信號的相位變化，使得光強(信號強度)發(fā)生變化。通過檢測振動前后的瑞利散射光信號的強度變化(差分信號)，即可實現振動事件的檢測，并具備多振動事件同時精確定位。

2 管道光纖預警系統(tǒng)硬件與軟件功能

管道光纖預警系統(tǒng)主要由安裝在各閥室、站場的預警單元FU、安裝在有人值守的分輸站/調度中心的預警管理終端FST、區(qū)域管理終端、拉曼放大模塊、傳感光纖和光纖網絡組成，借助現有光傳輸系統(tǒng)實現預警單元、預警管理終端、區(qū)域管理終端之間的信號及數據傳輸，在預警管理終端和區(qū)域管理終端上可實現多臺預警單元的集中統(tǒng)一監(jiān)控和管理，實現全程全控。

2.1 硬件系統(tǒng)構成

基于Ф-OTDR的管道光纖預警系統(tǒng)硬件預警單元FU(圖2)，連接傳感光纖實現光纜附近振動信號的檢測和分析。預警單元FU主要包括電源模塊、光傳感模塊、采集處理模塊、管理模塊、監(jiān)控交換模塊、拉曼放大模塊等。

圖2 管道光纖預警系統(tǒng)預警單元(FU)

電源模塊為預警單元設備整體的運行提供穩(wěn)定有效的電源，電源的工作狀況由其監(jiān)控模塊實時監(jiān)控并將數據反饋到管理模塊。

監(jiān)控交換模塊接收信號處理模塊和管理模塊發(fā)出的報警數據和模塊狀態(tài)數據，并通過網絡將數據發(fā)送給預警管理終端，實現預警單元數據的集中管理和監(jiān)控。

光傳感模塊是整個系統(tǒng)的核心模塊，它為傳感系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光脈沖信號，將傳感光纖返回的瑞利光干涉信號轉換為電信號，并進行信號預處理和信號放大。

采集處理模塊對檢測的信號進行處理分析，判斷是否是破壞威脅的信號，并對振動事件進行檢測和定位。

管理模塊負責協調和控制各模塊的工作，通過設定下發(fā)工作參數，控制工作順序，使各模塊協調工作；接收信號處理模塊輸出的數據信號,根據報警算法來確定管道破壞事件的級別、定位、能量等。管理模塊還實現各功能模塊的控制、參數設置、報警生成和顯示、數據上傳等功能。

拉曼放大模塊為傳感光纖提供泵浦光，實現光脈沖信號的有效放大，提高系統(tǒng)監(jiān)測距離。

2.2 軟件系統(tǒng)功能及組成

1)權限管理：可以根據用戶角色的權限進行管理。

2)分級告警：可以根據事件的級別綜合分析判斷,實現不同級別控制與管理策略。

3)GIS顯示：配備離線GIS地圖，將線路信息、預警系統(tǒng)信息、維護管理信息等匯集到一起，實現直觀顯示與管理。

4)多種告警顯示方式：系統(tǒng)采用GIS地圖、二維圖與告警表格3種不同方式顯示告警多維度信息。

5)系統(tǒng)分析功能：結合時頻域信號特征、地理環(huán)境等，能對事件進行有效類型分析與識別。

6)系統(tǒng)回放功能：根據時間設置來對事件進行告警時間回放，可以顯示事件的發(fā)展趨勢。

7)系統(tǒng)查詢功能：對預警記錄、事件等歷史數據進行查詢。

8)系統(tǒng)存儲功能：對預警記錄、事件進行存儲，存儲周期根據用戶需要存儲、轉儲及備份。

9)線路標定功能：有效結合光纜與地理距離的差異性，實現以管道(陰保樁、轉角樁、穿越樁)等標樁數據實現線路標定功能。

10)遠程修改維護功能：遠程對預警單元進行參數配置、程序下發(fā)以及故障診斷。

11)斷纜功能：對光纜中斷突發(fā)事件進行預警與定位。

12)聯動功能：實現高后果高風險智能視頻系統(tǒng)進行聯動與融合數據分析。

管道光纖預警系統(tǒng)預警軟件界面如圖3所示。

圖3 管道光纖預警系統(tǒng)預警軟件界面

3 管道光纖預警系統(tǒng)應用

3.1 應用線路

陜京二線安平至33#閥室管道總長約55 km，光纜距離的60 km，管道經過地區(qū)地貌單元以平原為主。管道穿越與并行公路多處，地形環(huán)境復雜，施工事件多，主要施工風險源為麻山藥種植及挖掘。

該應用段配置 1套預警單元、1套預警管理終端和1套拉曼放大模塊，如圖4所示，實現24 h連續(xù)實時分布式60 km的線路監(jiān)控。

圖4 陜京二線管道光纖預警系統(tǒng)試點段配置

3.2 應用數據統(tǒng)計分析

現場應用過程采取“背靠背”方式，系統(tǒng)根據規(guī)劃發(fā)布預警信息，現場對預警位置進行事件復核與準確反饋，對預警數據進行審核確認。

3.2.1 預警數據統(tǒng)計

通過對現場預警日報數據統(tǒng)計分析，應用段預警數據匯總如表1、圖5所示。

表1 2019年11月至2020年11月預警數據匯總

圖5 預警數據統(tǒng)計

應用實際效果表明，現場日有效預警條數為8.89條，有效預警準確率為94.56%，通過對12個月的運行數據分析，預警條數與有效預警準確率與管道現場施工數據及季節(jié)性有關系。通過同期數據對比，現場對事件持續(xù)復核與優(yōu)化，預警事件呈下降趨勢，2019年11月與2020年11月比較，日預警條數由19.33條降至4.7條，降低75.68%，有效預警準確率從92.07增長至97.92%。總體日平預警條數在10條以內，有效告警準確率達到94.56%。

3.2.2 預警位置統(tǒng)計

通過對現場預警數據位置和事件復核類型統(tǒng)計分析，預警事件類型統(tǒng)計如表2、圖6所示。

表2 2019年11月至2020年11月預警事件類型統(tǒng)計

圖6 預警事件類型統(tǒng)計

通過事件復核及現場反饋，全年共發(fā)現預警事件位置494次，其中主要機械類型位置占比72.67%，人工挖掘位置占比19.01%。說明預警能夠對機械事件和人工深層次挖掘、持續(xù)性挖掘及作業(yè)計劃事件進行準確預警與定位。

3.2.3 典型事件

通過系統(tǒng)應用和事件復核，現場對第三方施工事件進行有效預警與定位，防止多起人工與機械挖掘事件等威脅事件，其中該應用段最典型事件為機械挖掘麻山藥事件，系統(tǒng)通過持續(xù)現場地理環(huán)境位置采集，對麻山藥區(qū)域進行風險等級升級管理，實現重點監(jiān)控與管控，如圖7所示，現場發(fā)現機械與人工挖山藥位置達到68處。

圖7 現場機械挖掘事件軟件報警和現場圖片

2020年10月25日，管道標樁K721+0.39 km，預警系統(tǒng)出現持續(xù)告警并及時推送預警短信，現場巡線員與預警人員對預警位置進行核實為距離管道20 m挖掘機挖山藥，場站人員探測出管道與光纜位置，對挖掘作業(yè)人員進行安全告知并進行有效監(jiān)護，防止挖掘破壞事件發(fā)生。

3.2.4 應用管理措施

1)管理處、作業(yè)區(qū)采取“背靠背”考核方式，對預警事件位置及準確性進行審核共同確認，對重點風險源、機械作業(yè)進行重點管控。

2)系統(tǒng)預警事件通過短信平臺自送發(fā)布信息，信息受不同級別業(yè)主人員，實現不同層級管控，避免信息不對稱現象。

3)結合監(jiān)控線路不同區(qū)域的風險等級，雙方共同摸索與研究，實現不同區(qū)域的參數配置與優(yōu)化，涉及到優(yōu)化位置，雙方共同確認實施。

4)實現第三方施工信息收集與預警事件的有效橫向對比，確定系統(tǒng)的各項性能指標及運行狀況。

5)系統(tǒng)結合線路環(huán)境及施工點情況，設置新告警、常告警點和受控點位置，實現不同位置類型的管理策略。

4 結論

闡述了基于Ф-OTDR的管道光纖預警系統(tǒng)的技術原理、硬件與軟件功能，并介紹了在北京天然氣管道陜京二線安平應用段50 km管道的應用和測試情況。實際應用效果表明，系統(tǒng)在光纜正常埋深(1.2 m情況下)檢測靈敏度高，可以有效檢測到管道周邊25 m范圍內的機械振動和2 m范圍內的人工挖掘事件，地表定位精度達到±50 m，最大響應時間不超過1 min，同時并行檢測多起振動事件相互不受干擾。但系統(tǒng)在振動事件識別、事件威脅度等級判斷、農耕事件篩選識別等方面仍需提升與完善，以增強在復雜環(huán)境下的適應性。該技術不僅適用于具備同溝敷設光纜的原油/成品油、天然氣、化工原料和其他液體/氣體管線，還適用于埋地通信光纜的保護，可對管道或通信光纜附近的振動破壞事件起到有效的監(jiān)測和預警作用。