基于分布式光纤温度监测系统的原油管道泄漏监测研究

基于分布式光纤温度监测系统的原油管道泄漏监测研究

宋高鹏

玉门油田通信工程建设有限责任公司 甘肃省酒泉市 735000

摘要：针对原油管道泄漏监测问题，本次研究引入分布式光纤温度监测系统，首先对该种系统的原理及构成进行简单分析，在此基础上，开展基于分布式光纤温度监测系统的原油管道泄漏监测研究，为及时发现和处置原油管道泄漏问题奠定基础。研究表明：分布式光纤温度监测系统利用光纤中的拉曼散射效应或布拉格光栅效应，将光纤转变为一个连续的温度传感器，在原油管道出现泄漏问题以后，泄漏点位置处的温度场将会出现一定的变化，光纤可以感知管道沿线温度场的变化情况，进而对泄漏问题进行及时的识别以及位置判断，分布式光纤温度监测技术是提高管道风险预警效果的关键技术。

关键词：分布式光纤温度监测系统；原油管道；泄漏监测；

0 前言

原油管道泄漏是威胁管道运行安全以及环境安全的重要因素，泄漏问题会导致严重的环境污染，会对植物、动物和人类产生长期影响，甚至可能造成不可逆的损害，泄漏的原油中可能含有有害物质，如挥发性有机物和毒性成分，泄漏会释放出有毒气体，对附近居民和工作人员的健康造成威胁，甚至引发急性或慢性疾病，可能引发火灾、爆炸等事故，危及当地居民和设施的安全[1]。本次研究主要是引入分布式光纤温度监测系统，对原油管道泄漏监测问题进行研究，为及时发现原油管道泄漏问题和对泄漏点进行准确定位奠定基础。

1 分布式光纤温度监测系统的原理及构成

分布式光纤温度监测系统是一种利用光纤传感技术来实现温度监测的系统，通过敷设在管道沿线的光纤感知温度的变化情况，可以及时发现管道的泄漏问题。系统的工作原理可以分为两种类型，分别是拉曼散射和布拉格光栅效应[2]。拉曼散射是一种光学现象，当光线通过介质时，它与分子之间的振动相互作用，导致光子的能量发生微小的改变，这种微小的能量变化会导致光子的频率或波长发生变化，分布式光纤温度监测系统利用这种效应，通过测量光纤中的拉曼散射频移来反映温度的变化，在泄漏监测系统中，激光光源发射激光光束经过光纤，一部分光经过拉曼散射后的频移会在光纤内传输，然后被接收器接收并解析，当温度变化引起光纤的热胀冷缩，会影响拉曼散射的频移，从而通过测量频移的变化来推断温度的变化。布拉格光栅是在光纤中制造的一种周期性折射率变化，可以充当光学反射镜，当激光光源通过光纤中的布拉格光栅时，会发生布拉格反射，不同波长的光会在不同位置反射，当温度发生变化时，布拉格光栅的折射率会发生变化，从而改变反射波长，分布式光纤温度监测系统利用布拉格光栅的原理，通过测量反射波长的变化来推断温度的变化，系统会监测不同位置的反射波长，根据波长的变化推断温度的分布情况[3]。

分布式光纤温度监测系统由多个主要组件构成，这些组件共同工作以实现温度的分布式监测。光源产生激光光束，用于向光纤中注入光信号，光源通常是激光二极管或激光器，光纤是整个系统的传感元件，它将激光光束传输到监测区域，并通过拉曼散射或布拉格光栅效应来实现温度的测量，光纤可以是单模光纤或多模光纤，其质量和性能直接影响系统的准确性和稳定性[4]。传感器单元是光纤温度监测系统中的核心部分，包含用于解析拉曼散射频移或布拉格光栅反射波长变化的光学和电子元件，包括光谱仪、光谱分析器、光电探测器等，数据处理单元负责接收、处理和分析传感器单元采集的数据，包括数字信号处理器、微控制器或计算机，用于解释光谱数据并转换成温度信息。

2基于分布式光纤温度监测系统的原油管道泄漏监测研究

（1）泄漏监测方案

在利用分布式光纤温度监测系统开展原油管道泄漏监测的过程中，评估原油管道的特点，确定泄漏监测的重点区域，考虑泄漏可能发生的位置和影响，设计光纤布置方案，确定光纤安装的位置和密度，确保覆盖关键区域。选择适合的光纤类型和规格，考虑其耐高温、耐腐蚀等性能，对光纤进行适当的预处理，如清洁和剪裁，以便安装和连接，根据设计方案，将光纤贴附在管道表面、埋入管道内部或者用夹具固定在管道附近，进行光纤的连接，确保连接牢固且信号传输良好。在管道沿线场站内布置分布式光纤温度监测设备，并将监测设备与管道沿线的光纤熔接。启动激光光源，将光信号注入光纤，监测光纤中的拉曼散射或布拉格光栅效应，通过光纤传输信号至数据处理单元，进行数据采集和传输，数据处理单元解析光纤传感器获得的信号，将其转换为温度信息，利用数据处理算法，计算温度变化并检测异常情况。设定温度变化的阈值和持续时间，以便判断是否发生泄漏，配置报警系统，当系统监测到异常温度变化时，触发警报通知，构建用户界面，以图表、图像等方式显示实时的温度数据和泄漏警报信息，设置报警通知方式，如短信、电子邮件等，以便操作人员及时响应。在接收到泄漏警报时，及时采取应急响应措施，切断供应、调查泄漏源等，定期维护系统，保持光纤和传感器的正常运行。

（2）信号处理方案

在建立基于分布式光纤温度监测系统的原油管道泄漏监测系统过程中，数据处理是关键环节之一，数据处理涉及到将从光纤传感器获取的信号转化为温度信息，并进行分析判断是否发生泄漏。在数据处理的过程中，从传感器单元接收原始信号是拉曼散射频移或布拉格光栅反射波长变化数据，首先需要进行数据校准，消除由于光源、传感器等因素引起的误差，确保获得准确的温度数据，将原始信号解析为温度值，这个过程通过与光纤布置相关的特定算法和公式来完成，以获得每个测量点的温度值，对温度数据进行实时分析，检测温度的变化幅度和速率，根据预设的阈值和规则，判断是否发生异常的温度变化。需要根据应用场景，选择适合的数据处理算法，常见的数据处理算法包括滤波和平滑技术、差分分析、统计分析、时间序列分析等，低通滤波用于去除高频噪声，以平滑数据并消除突变，滑动平均技术可以计算一定时间窗口内的平均温度值，减少瞬时变化对数据的影响，差分分析技术用于计算相邻时间点之间的温度变化，用于检测温度的剧烈变化，统计分析用于基于历史数据进行统计分析，识别异常温度模式或趋势，时间序列分析技术通过对时间序列数据进行建模，预测未来的温度变化，帮助提前发现异常情况。

（3）效益分析

分布式光纤温度监测系统能够实时监测管道上的温度变化，使得对泄漏事件的发现更加迅速，光纤可以沿着整个管道的长度进行布置，实现对整个管道的覆盖监测，从而可以在管道的任何位置监测到温度变化，这种系统具有很高的空间分辨率，可以检测到小范围内的温度变化，从而能够识别出小规模的泄漏。光纤传感器相对于传统传感器更具抗干扰性，不受电磁干扰和腐蚀的影响，光纤本身具有较长的使用寿命，降低了维护成本，在现有管道上布置光纤的成本较低，无需对现有管道进行大规模改造。

3结论

我国原油管道的里程数以及数量都在不断增加，在管道运行的过程中，泄漏问题出现的概率相对较大，所造成的经济损失以及影响相对较大，通过引入分布式光纤温度监测系统，构建全面的原油管道泄漏监测体系，通过及时发现和处置泄漏问题，可以提高管道的安全预警效果。

参考文献

[1]马琦琦,冯忠耀,王若晖,等.面向管线监测的分布式光纤传感土壤传热研究[J].光子学报,2023,52(06):157-167.

[2]卢书彤,高凯歌,靳彦欣,等.油气管道泄漏检测技术研究进展[J].安全、健康和环境,2023,23(06):1-10.

[3]黄兴旺.长距离分布式光纤传感技术研究[J].科技资讯,2022,20(20):32-35.

[4]刘永莉,付勤友,陈智,等.基于分布式光纤测温系统的管廊管道渗漏监测模型试验[J].中国科技论文,2022,17(08):893-899.