天然气管道泄漏监测系统

天然气管道泄漏监测系统的必要性

21世纪以来，随着中国经济的高速发展，天然气消费需求迅猛增加，油气管道建设速度不断加快。截至2019年底，中国天然气长输管道总里程已达7.26×10⁴km，已形成“西气东输、北气南下、海气登陆、主干互联、局域成网”的供气格局。根据相关规划，2025年中国油气管网总里程将超过24×10⁴km。管道输送是天然气运输最常用的方式，具有安全可靠、能耗低、无污染且基本不受气候影响的优势。长输天然气管道经常穿越河流、山地、采空区等地形复杂的地区，管道极易遭受第三方损坏导致管道泄漏。如果不能及时发现管道裸露或泄漏并采取相应措施，必将对管道运营单位造成一定的经济损失，严重时可能会造成人员伤亡等重大事故。及时准确地发现天然气管道裸露或泄漏，对保障管道安全运行和沿线人民生命财产安全具有重大意义。

将长距离天然气输送管道泄漏监测技术分为两类：

①基于磁通、涡流、摄像等的管内检测法；

②基于管道压力、温度、流量、声音及振动物理参数的外部检测法。利用光纤温度传感系统检测天然气管道泄漏的思路了分布式光纤拉曼散射测温系统，基于管道泄漏时的温度变化捕捉实现了对输气管道泄漏的监测。基于R-OTDR的分布式光纤温度监测方法用于管道安全监测。

分布式光纤传感技术在地下管道监测中的应用进行，布里渊散射光时域分析（BOTDA）技术的优点包括：双端测量且动态范围大，测试耗时短且精度高，可测绝对温度和应变，空间分辨率可达0.1 m，测试距离长（可达25 km）。基于BOTDA光纤测温技术进行分布式光纤天然气管道泄漏监测研究，并在天然气管道进行了现场验证。

“分布式传感”是指将光纤作为线性传感器提供光纤全程的测量信息，以激光脉冲沿光纤传播产生的反向散射光分析结果为基础，进而使用单一的光纤取代成千上万个单点传感器，可节省大量安装、校准、维护成本。光在光纤材料中传播时会发生布里渊散射，布里渊散射是光波和声波（光纤材料分子布朗运动产生）在光纤中传播时相互作用产生的散射，散射光的频率相对于入射光有布里渊频移。通过测定脉冲光的背向布里渊散射光的频移可实现温度、应变测量。基于布里渊散射原理的温度、应变测量技术主要有两类：基于光时域反射（BOTDR）的分布式光纤传感技术和基于光时域分析（BOTDA）的分布式光纤传感技术。为增强信号强度，BOTDA分布式光纤传感技术采用两个相向传输的光来增强布里渊散射，从而使得测量得到的温度和应变精度更高，测量距离也更大。

天然气管道泄漏时，气体溢出后体积膨胀，根据Joule-Thomson效应，管道泄漏点周围的局部温度会迅速下降，管道周围的土中会形成温度梯度。当泄漏点附近的地层中温度发生改变后，铺设在管道附近的光纤可以实时监测到这种变化，传输至监测系统后可以判断泄漏点的位置。设计不同因素的试验即可建立不同泄漏工况、泄漏量与温度降低的对应关系，为长距离天然气管道泄漏提供更多有价值的反馈数据。

基于BOTDA的分布式光纤对温度敏感，光纤局部温度升高或降低均会引起布里渊频移，并且温度变量与布里渊频移量呈线性关系。

当激光脉冲以某一角度打入光纤时会产生散射现象，可计算激光脉冲在光纤内传播的时间，从而对温度变化点进行定位：

天然气管道工程干线线路全长约715 km，管径1 422 mm，设计压力12 MPa，设计输量380×10⁸ m³/a；支线起点为干线长岭分输站，终点为长春分输清管站，全长109 km，管径1 016 mm，设计压力10 MPa，设计输量114×10⁸ m³/a。按设计文件，此次监测的管道分为两段，在三级地区的高后果区，干线的监测范围为从HC25阀室起点往下游10 km，支线的监测范围为从输站起点往下游35 km。

测温监测系统由2台光纤测温主机、1台服务器（含显示器）、1台交换机、信号处理及分析软件等组成），2台光纤测温主机分别布置在阀室和分输站，服务器和交换机布置在分输站。利用已同沟敷设的通信光缆中2芯光纤组成测量回路，实时感应光纤周围的温度变化并传输至光纤测温主机；光纤测温主机接收、处理管道沿线光信号直接进行解调，并将解调后的数据上传至服务器，经信号处理及分析软件解算后，如果温度超过报警阈值，则显示温度报警及位置。

测温监测系统于11月4日开始安装调试，结合工程建设期焊口坐标数据和通信光缆施工数据，扣除所有光缆井盘缆长度和光缆进站长度，将光缆里程与管道里程对齐，确保误差最小

通过现场验证，基于BOTDA分布式光纤测温技术和Joule-Thomson效应的天然气管道泄漏测温监测系统，可以快速准确监测管道沿线的温度变化，并能够快速准确定位，具有较高的推广应用价值。