分布式光纤测温测振技术在热网中的应用

分布式光纤测温测振技术在热网中的应用

刘莉华

（中国电力建设工程咨询中南有限公司湖北武汉430071）

摘要：针对地埋热力管道存在泄漏和遭受第三方破坏的情况，本文介绍了某热网项目分布式光纤测温测振技术的解决方案，并简述了分布式光纤测温测振的原理、系统组成、系统功能及技术特点。为热网企业的安全运行，构建智能化管网，提高管理水平提供了思路。

关键词：分布式光纤；测温测振技术；热网；应用

1.工程介绍

某火炬高新技术产业开发区范围内建设集中供热蒸汽管道，管网分东西两线，西线总长度约为14.5公里，东线总长约为4.2公里。拟在东西两线的地埋管道的干线上同时敷设分布式光纤测温系统和分布式光纤测振系统，以实时监测管道附近的温变及振动信息，预防机械设备施工或其他意外造成的管道压挖损伤，并通知运行人员对可能出现的管道泄漏点进行及时维护。

东西两线的管道分别配置1套分布式光纤测温系统（DTS）及1套分布式光纤振动监测系统。整个管网共用2套分布式光纤测温系统（DTS）和2套分布式光纤振动监测系统。

2.分布式光纤测温测振原理

2.1分布式光线测温原理

分布式光纤测温DTS使用一个特定频率的光脉冲照射光纤内的玻璃芯。当激光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射。如瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等。

拉曼散射包括两种：斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。它们在频谱

图上的分布大致是对称的。这两者对温度都敏感。只不过反斯托克斯拉曼散射对

温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散

射用作信号通道，作为计算温度的主要依据，同时，根据光纤中光波的传输速度与时间的物理关系，可以对温度信息点进行定位（OTDR）。

2.2分布式光纤测振原理光纤信号反馈系统主要是由双向共光路的分布式光纤振动传感器组成。双向共光路的分布式光纤振动传感器基于“光纤干涉仪”原理。为了检测微弱振动，采用两芯单模光纤构成平衡光纤干涉仪。当用相干激光器向其发射一束激光，由这两根光纤组成的干涉仪输出干涉光信号，若光纤没有受到外界的扰动，则干涉光信号将保持不变；如果光纤受到外界侵扰，如：运动、声波和触动，则干涉光的输出波形改变，并产生干涉图像，通过光探测器可检测到这一波形变化，而且通过软件分析变化波形的特征，可以分辩出事件的真实情况。

3.分布式光纤测温测振系统的组成

3.1分布式光纤测温系统的组成

3.1.1测温主机

测温主机是整个系统的核心，担负着发射激光、采集数据、处理数据、分析数据、报警等等功能，主要由激光发射模块、波分模块、探测模块、采集模块、连接模块、分析模块、处理模块等组成。

3.1.2测温软件

具有实时检测波形显示，菜单与按钮操作，带有系统状态和预警指示灯，事件监测与定位地图，用户权限设定，历史信息查询，操作日志，事件统计报表等多项功能。

3.1.3测温光缆

测温光缆采用单芯单模光缆。

3.2分布式光纤测振系统的组成

3.2.1主控制器

分布式光纤测振系统的核心单元是主控制器，由激光光源模块、光电转换模块、数据采集单元组成。

3.2.2测振软件

具有实时检测波形显示，菜单与按钮操作，带有系统状态和预警指示灯，事件监测与定位地图，用户权限设定，历史信息查询，操作日志，事件统计报表等多项功能。

3.2.3传感光缆

振动传感光缆采用单模4芯光缆。

4.分布式光纤测温测振系统的功能

4.1分布式光纤测温系统功能

4.1.1能对管道的温度实施连续在线监测，实现过热故障的早期预警，并能在预警、报警时将信息通过短信发到有关负责人的手机上。

4.1.2具有温度超限报警、温升速率超限报警，根据需要设置、调整报警阈值，发生过热时，系统自动启动报警装置。

4.1.3软件以电子地图方式直观显示电缆接头等被监测对象的具体位置及名称，发生过热时，能够准确定位故障点，指导检修工作。

4.1.4能建立每条管道的历史档案，能根据历史数据预测分析电器设备在不同环境条件下的温度变化规律，有利于积累经验，为事故趋势分析提供依据。

4.1.5具有自检、标定和校正功能，可判断光纤故障点，便于维护。

4.2分布式光纤测振系统功能

4.2.1光缆敷设在管道沿线，对管道沿线全长范围运行情况进行不间断地实时监测；有效监测区域内的异常情况，保证管道的正常安全运行。

4.2.2有效识别机械挖掘作业。

4.2.3具有高灵敏度：误报率低于5%。

4.2.5可将用户不关心区域进行屏蔽。

4.2.6支持电子地图信息或者GIS功能，能够在地图上显示防区告警信息、摄像头位置（告警产生会显示红色告警标识），同时在管理系统里显示报警位置。并能够生成相应的报告。

4.2.7系统具备自诊断功能、断纤报警。

5.工程实施探讨

地埋式热力管道的运行环境比较复杂，存在水、腐蚀、高温、高应力、强电磁场的场合。而分布式光纤测温测振技术中，光纤既是传感器又是信号传输媒质，所以针对热力管道的复杂环境，选择一种合适的传感光纤至关重要。目前用于海底电缆的碳密封涂覆光纤，可应用于发电厂、海底、油田、天然气井等存在大量的水、氢气、腐蚀、高温高压、高应力、强电磁场的场合，它用光纤传感技术代替传统的电子传感技术。高强度碳涂覆光纤是在拉丝过程中把碳沉积在光纤表面。然后再涂覆紫外固化涂料，整个工艺在拉丝过程中完成。这种新型单模光纤具有耐腐蚀、耐高温、耐高压、抗疲劳性、抗氧损等特性。[1]

6.分布式光纤测温测振技术的特点

分布式全光纤测温测振技术具有连续分布、本质安全、测温精确、耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点。在光纤敷设沿线任意一点的实时温度和振动信息，都能连续监测。由于光纤的连续分布特点，使得其非常容易扩展监测点。连续分布全光纤测温系统所使用的光纤，在非人为损坏情况下，使用寿命长达20年以上。既使因设备检修造成了光纤损伤，更新的方式简单，成本低廉，这是其他传感器件和传感技术所无法相比的。

7.小结

分布式光纤传感技术作为一项前景广阔的技术，不仅在石油、电力、大坝安全等领域得到了广泛应用，解决了许多不同行业的难题，随着光纤传感技术研究的深入，相信分布式光纤传感技术将在热力、水利、甚至航空、汽车领域得到迅速推广。

参考文献：

[1]刘良炎．国外光纤带和带状光缆技术的最新发展[J]．中国工程科学，200l，3（9）：86—94．