（计算机应用技术专业论文）光纤预警系统在管道泄漏监测中的应用.pdf

一一。r ? ： 、，：o = r ： _ i t ：一 瓣亨 l - 蠹： r 宁o ： 炎1 学位论文数据集 | i i l l i | i | 1 i f | | | l i f f | i l l i | | i | i | i l i i i 吣l y 18 7 7 6 9 0 中图分类号 t e 8 学科分类号 5 l o 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 7 3 0 密级非保密 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 傅强 学号 2 0 0 8 0 0 0 7 3 0 获学位专业名称计算机应用技术获学位专业代码 0 8 1 2 0 3 课题来源自选课题研究方向硬件电路设计 论文题目光线预警系统在管道泄漏监测上的应用 关键词管道安全，分布式光线预警系统，d f b 激光器，h m m 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 6事论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称1 ：作单位学科专长 指导教师谢晓明副教授北京化工大学现代通信技术 评阅人1袁洪芳 教授 北京化丁大学信号处理、故障诊断 评阅人2尤枫副教授 北京化j 【大学 信息安全技术 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员蝴王学伟教授北京化工大学现代信号处理 答辩委员1张凤元副教授北京化工大学通信系统、信息安全 答辩委员2袁洪芳副教授北京化上人学信号处理、故障诊断 答辩委员3胡伟副教授北京化工人学照片与视频计算 答辩委员4尤枫副教授北京化工人学信息安全技术 答辩委员5 注：一论文类犁：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 分布式光纤预警系统在管道泄漏监测中的应用 摘要 随着我国经济的迅速发展，对能源的需求量越来越大，管道运输 业正飞速发展，它在国民经济和社会发展中起着十分重要的作用。由 于管道传输距离长，沿途多为荒漠、沼泽等区域，人工巡检困难；同 时管道长时间运输的老化、腐蚀等自然原因或者偷油盗油的人为破 坏，管道泄漏时有发生，不仅仅会造成大量经济损失，甚至会对环境 造成污染。因此解决管道泄漏问题是管道运输行业发展的一大难题。 我国是一个能源消耗大国，十二五规划中将进一步加强管道运输行业 的建设。同时，管道运输安全也一并受到了重视，只有安全的运输， 杜绝偷油盗油的破坏，才能将管道运输业的发展推向一个新的高度。 本课题从管道运输安全系统的要求出发，设计并实现了分布式光 纤预警系统。该系统通过对管道沿线进行实时监控，一旦发生偷油盗 油的事件，系统第一时间对其进行报警定位，从根本上杜绝偷油盗油 的行为发生，是对传统的泄漏报警系统的彻底革新。本论文根据系统 的功能需求，完成了该系统的软硬件设计，其中包括：利用马赫曾德 干涉仪原理实现了光路系统的设计与搭建；激光器驱动电路与光电接 收调理电路的设计与调试；基于研华p c i l 7 1 4 u l 数据采集卡功能实 现和定位识别仿真。系统经测试，各项功能均符合设计要求。 本系统在5 0 0 米长o 5 米深的现场条件下进行了试验验证。通过 t 北京化工大学硕十学位论文 波长为1 5 5 0 n m 的d f b 激光器在2 m w 输出功率的工作状况下，实现 了模拟泄漏的报警与定位功能，定位精度小于2 5 米。对信号采集后 运用h m m 方法进行了识别仿真，仿真结果证明采用h m m 方法能够 降低误报率，提高系统性能。 关键词：管道安全，分布式光纤预警系统，d f b 激光器，h m m l i a b s t r a c t p i p e l i n el e a kd e t e c t i o nb a s e do nf i b e r o p t i ce a rii y - 、a r n i n gs y s t e m a b s t r a ct w i t ht h er 印i dd e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y t h ed e m a n df o re n e r g y i si n c r e a s i n g p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ni sp l a y i n ga ni h l p o r t a n tr o l ei ne c o n o m i ca n ds o c i a lc i e v e l o p m e n t h o w e v e r ，b e c a u s eo fi t s1 0 n gd i s t a n c e ，a l o n gt h ew a y ，t h ee n v i r o n m e mi sm o s t l yd e s e n ，s w a m pa n do t h e rb a dh o s t - i l er e g i o n s ，s oi ti sd i m c u l tt oe x e c u t em a n u a l i n s p e c t i o n a tt h es a m et i m e ，p i p e l i n e1 e a k so c c u rd u e t on a t u r a lc a u s e si n c l u d i n gt h ea g i n go f l o n g t r a n s p o r t ，e r o s i o na n dh u m a n f a c t o r ss u c ha ss t e a l t h e s ec a l lc a u s es u b s - t a m i a le c o n o m i cl o s s ，a n de v e ne n v i r o n m e n t a lp 0 1 1 u t i o n t h e r e f o r e ，i ti sa m a j o rp r o b l e mi np i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nf i e l d e n e r g yc o n s u i l l p t i o ni nc h i n ai so na ni n c r e a s i n gt r e n d s ，t h e12 t hf i v e - y e a rp l a nw i l l 向r t h e rs t r e n g t h e nt h ec o n s t r u c t i o no fp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n t b g e t h e rw i t hp i p e l i n e 仃- a n s p o r t a t i o n ，s e c u r i t yi sb e i n gt a k e ns e r i o u s l y o n l y s a f et r a n s p o r t a t i o nc a nt a k ep i p e l i n et r a n s p o i t a t i o nt oan e wl e v e l t h i st o p i cc a m e 仔o mt h ep i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ns a f e t ys y s t e mr e q u - i r e m e n t s ，i m p l e m e n t e dt h eo p t i c a le a 订yw a m i n gs y s t e m t h es y s t e mc a n m o n i t o ra l o n gt h ep i p e l i n ef o rr e a l 一t i m e w h e nt h es t o l e ne v e n th a p p e n s ， t h es y s t e mw i l la l 锄a 1 1 dl o c a t et h ep o s i t i o na tt h ef i r s tt i i l l et op r e v e n tt - i 北京化工大学硕士学位论文 h eo c c u n e n c eo f p i p e l i n el e a k a g e t h i st h e s i sf o l l o w e dt h e 如n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so f t h es y s t e m ，c o m p l e t e dt h es o r w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d i n g ：b u i l d i n go p t i c a ls y s t e mb a s e do nm a c h - z e h n d e r ，l a s e rc i r c u i td e s i g n ，o p t i c a li e c e i v e rc i r c u i td e s i g n ，d e b u g g i n g ，d a t aa c q u i s i t i o nb a s e d o np c i1714 u l ，1 0 c a t i o na n ds i m u l a t i o n t h ef e a t u r e sa r ei nl i n ew i t ht h e d e s i g nr e q u i r e m e n t su n d e r t e s t t h es y s t e mw a st e s t e dw i t ha5 0 0 m l o n gp i p e l i n e ，w h i c hi sm i n e d o 5 md e 印w h e nt h eo u 印u tp o w e ri s2 m wa n d w a v e l e n g t hi s15 5 0 n m ， t h e 如n c t i o no fa l a r i na n dp o s i t i o n i n gi sc o i l l p l e t e da n dt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yi sl e s st h a n2 5m e t e r s r e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do nh m m i su s e d t oc l a s s i 匆t h ed a n g e rs i g n a l s i m u l a t i o nr e s u l t so nt h ec o l l e c t e d s i g n a ls h o wt h a tt h i sm e t h o dc a nr e d u c et h ef a l s ea l a m la n d i m p r o v es y s t e mp e r f i o - r n l a n c e 1 ( e y w o i t d s ： p i p e l i n es a f e t y ，o p t i c a lf i b e re a r l yw a m i n gs y s t e m ， d f bl a s e r ，h m m i v 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 引。言1 1 2 管道运输发展状况1 1 3 油气管道运输存在的问题2 1 4 油气管道现有的监测方法与意义3 1 5 现有技术性能对比6 1 6 本课题研究的意义与主要内容6 1 7 论文研究中的难点与创新点7 1 8 论文的组织结构7 第二章分布式光纤预警系统预警机理9 第三章分布式光纤预警系统整体设计17 第四章分布式光纤预警系统的硬件设计2 1 9 9 l 2 2 4 ， 1 1 1 理 一 一 一 一 一 原 一 一 一 一 一 仪 一 一 一 一 一 涉理 一理 一 一 干原 一原 一 一 德制理别 一 一 曾调原识虬虬赫位位号盯舢马相定信2 1 2 3 4 4 4 2 2 2 2 2 2 7 7 8 9 1 i l 1 3 一 一类 一 r 一 一分 一 1j 一 一的 一 i r r l 、 一 一号具 jij 一 一信工 ； 一 一胁与 介成威境 简组对环 统统统发系系系开 1 2 3 4 n j 口u 口u q u 1 1 2 2 2 2 r 一 一 一 v 试 一 一 凋 一 与型计计选设 设件路 路器光 光1 2 1 1 1 4 4 4 北京化工大学硕l 学位论文 4 1 3 光路调试注意事项 4 2 硬件电路设计与调试 4 2 1 硬件电路整体结构模块 4 2 2 器件选型 4 2 3 硬件模块介绍 4 2 4 硬件电路调试注意事项 2 4 2 5 2 5 2 7 2 9 4 0 第五章分布式光纤预警系统的软件设计4 5 5 1 数据采集程序模块一4 5 5 2 泄漏定位模块4 8 5 3 信号识别仿真模块5 1 5 3 1d t w 仿真5 1 5 3 2h m m 仿真5 4 第六章系统验证与实验数据采集5 9 6 1 实验场地的搭建5 9 6 2 实验数据的采集6 2 6 3 定位精度的验证与校准6 3 6 4 识别仿真6 6 6 4 1d t w 仿真6 7 6 4 2h m m 仿真6 8 第七章总结与展望71 7 1 总结7 1 7 2 下一步的研究工作7 1 参考文献7 3 致 谢j 。7 5 研究成果及发表的学术论文7 7 作者与导师简介7 9 v i c o n t t s c0 n t e n t s c h a p t e rli n t r o d u c 廿o n 。”。1 1 1i i l t r o d u c t i o n ：一l 1 2d e v e l o p m e n to f p i p e l i n em m s p o r t a t i o n 一l 1 3e x i s t i n gp r o b l c m s 。2 1 4e x i s 廿n gm e m o d sa n ds i g n i f i c a n c e 3 1 5p e r f 0 m a n c ec o i i 】l p a r i s o n 6 1 6s i g f l i n c a l l c e 锄dm a i nc o n t 锄t 6 1 7d i m c u l t i e sa n di n n o v a t i o n 7 1 8o r g a n i z a t i o n a ls 仇j c t u r e 7 c h a p t e r 2p r i n c i p l eo ff i b e ro p t i ce a r l y w a r n i n gs y s t e m 。9 2 1m a c h z e h n d e rp r i n c i p l e 9 2 2p h a s em o d u l a t i o np d n c i p l e 9 2 3l o c a t i o n p d n c i p l e 1 1 2 4s i 印a lr e c o 鲥t i o np r i n c i p l e 1 2 2 4 1d t w 12 2 4 2h m m 1 4 c h a p t e r3o v e r a ud e s i g no f l i b e ro p t i ce a r l y - w a r n i n gs y s t e m 。17 3 1s y r s t e mi n l d u c t i o n 17 3 2s y s t e mc o m p o s i t i o n 1 7 3 3t h r e s ts i 印a lc l a s s i 矗c a t i o n 1 8 3 4d e v e l o p m e n t i r 0 珈 i l 镦l t 1 9 c h a p t e r 4h a r d w a r ed e s i g no f f i b e ro p t i ce a r l y - r a r n i n gs y s t e m 。2 1 4 1o p t i c a ld e s i g na i l dd e b u g 孚n g 2 1 4 1 1c i e v i c es e l e c t i o n 2 1 4 1 2o p t i c a ld e s i 印2 2 v 北京化丁大学硕十学位论义 4 1 3d e b u g 百n gn o t e s 2 4 4 2c i r c u i td e s i 印a i l dd e b u g 百n g 2 5 4 2 1o v e r a ns t n 】c h 】r eo f t h ec i r c u i t 2 5 4 2 2d e v i c es e l e c t i o n 2 7 4 2 3c i r c u i tm o d u l ei r l t l - o d u c t i o n 2 9 4 2 4d e b u g 酉n gn o t e s 4 0 c h a t p t e r5s o f t w a r ed e s i g no f f i b e ro p t i ce a r l y w a r n i n gs y s t e m 4 5 5 1d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 4 5 5 2l d c a t i o nm o i h l l e 4 8 5 3s i 印a lr e c o 鲥t i o nm o d u l e 一5 1 5 3 1d t l ws i m u l a t i o n 51 5 3 2h m ms i m u l a t i o n 5 4 c h a p t e r6s y s t e mv e r i l i c a t i o na n dd a t aa c q u i s i t i o n 。一5 9 6 1e x p e r i m e n t a ls i t es t m c t u r e s 5 9 6 2d a t aa c q u i s i t i o n 6 2 6 3l o c a t i o np r e c i s i o nc a l i b r a 【t i o n 6 3 6 4r e c o 擘面t i o ns i n m l a t i o n 6 6 6 4 1d t ws i m u l a t i o n 6 7 6 4 2h m ms i m l l l a t i o n 6 8 c h a p t e r7s u m i n a r ya n do u t l o o k 。7 1 7 1s u m m a r y 7 l 7 2t h en e x ts t e po f t h er e s e 卸c hw o r k 。7 1 r e f b r e n c e s 。7 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 5 r e s e a c ha n dp a p e rp u b l i s h e d 。7 7 a u t h o ra n ds u p e r v i s o ri n t r o d u c t i o n 。7 9 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国经济的迅速发展，国家对能源的需求日益增加。同时，能源问题已 经成为世界经济快速发展的瓶颈，对世界各个国家经济的影响都是巨大的。石油 行业的发展与我国经济安全和社会稳定紧密相连【l 】，【2 1 。油气资源作为战略性资 源，对工农业发展与国家建设等各个方面都有着深远的影响。 油气管道运输是利用管道作为运输工具将石油天然气从生产地向市场输送的 一种特殊的运输方式。也是石油石化行业运输油气资源的主要方式。 管道运输作为石油行业的主要运输方式具有运输量大，成本较低，持续稳定 等特点，具体表现为【3 】： ( 1 ) 运输量大。由于管道运输不同于车船运输方式，输油管道可以连续运行。 因此，由于输油管道的长时间运输，可以满足相应的化工工业不断的生产产品。 ( 2 ) 建设成本相对较低，占地面积少，能够适应各种地形。管道建设的投资 和施工周期均不到铁路的忱，由于运输管道埋在地下，一旦施工建设完毕，便 可在恶劣环境与地形中j 下常稳定工作，与其他运输方式相比有明显的优势。 ( 3 ) 基本不受气候影响，可以长期稳定运行。 ( 4 ) 管道运输相对于车船运输安全可靠，能源消耗少，设备运行比较简单， 易于就地自动化和进行集中遥控。先进的管道增压站已完全做到无人值守。由于 节能和高度自动化，用人较少，使运输费用大大降低。 ( 5 ) 沿线不产生噪声，有利于环境保护。由于管道埋于地下，因此对周围产 生的环境噪声小。 综上所述，管道运输作为石油行业的一种主要经济、有效、环保的运输手段， 具有车船运输所不具备的优势，且管道运输规模日益壮大，管道长度也日益增加。 1 2 管道运输发展状况 管道运输业【4 】经过了一百多年的发展已经成为了即铁路、公路、水运、航空 运输之后的第五大运输业。在我国，管道运输业作为一种新兴的运输行业正如雨 后春笋般发展起来，1 9 5 7 年我国修成了第一条长距离输油管道，全长1 4 7 k m ， 管道直径为1 5 0 l 】【1 1 i l ，它的建成填补了我国长输管道的空白【5 】。 我国油气管道发展目前正处于快速发展时期，从1 9 5 8 年至今，油气管道的总 长度超过了6 万千米，管道运输已经成为了我国石油天然气等运输的主要方式， 北京化工人学硕i j 学位论文 管道贯通全国，目前海洋管道战略通道也在逐步建立。同时，我国天然气管道规 划长度2 0 1 5 年将近1 0 万千米。随着油气管道的延伸，我国在海外的油气产量也 在逐步提高。 未来1 0 年是中国管道工业的黄金期，我国的管道运输工作正处在一个机会与 挑战共存的新阶段，这得益于中国经济的持续快速发展和能源结构的改变，十二 五规划将进一步加强国家的油气管道发展，这不仅为中国，同时也为世界管道业 提供了发展机遇【5 1 。 1 3 油气管道运输存在的问题 油气运输管道随着国家经济的发展与国民经济的需要而飞速发展中。十二五 规划将油气管道的规模进一步扩大。石油天然气的运输量也在逐年增长，管线也 延神到各个国家，对世界石油行业有着深远的影响。但是由于油气长输管道运输 的距离很长，且长期深埋于地下等特点。随着管道服役时间的增加，管道会受到 腐蚀、自然灾害和偷油盗油等人为破坏的影响。常常导致管道因破裂造成油气泄 漏事故。泄漏事故一旦发生，不仅造成管道的停输，带来巨大的经济损失，如果 出现海底管道破裂，很可能就直接导致管道的报废。同时管道泄漏还会造成环境 破坏。当管道运输有毒物质而发生泄漏时，还可能对附近的居民的生命财产构成 威胁。因此，对管道安全进行事前预警是有迫切需要且具有现实意义的。 我国部分管道由于服役时间较长而多受到腐蚀等自然因素或者偷油盗油等人 为因素的破坏使得泄漏事故时有发生【5 】。下面几个例子为近期的管道泄漏事故： ( 1 ) 2 0 0 9 年1 2 月3 0 日凌晨，中石油公司兰郑长成品油输油管道渭南支线发 生柴油泄漏，柴油流入渭河支流赤水河，受到国务院关注。 ( 2 ) 2 0 0 7 年7 月3 1 日凌晨，偷油盗油犯罪分子在区阜市鲁宁输油管线上打孔 盗油时，由于野蛮行为造成管道破坏，从而导致大量原油泄漏，同时造成严重的 农田污染【5 】。这一事件造成从北临邑到仪征的输油管线全部停输l o 个小时。 ( 3 ) 2 0 1 0 年7 月2 6 日，包头市昆曲莫尼路与阿尔丁北大街交叉路口的天然气 管道发生泄漏，导致3 人死亡2 人重伤。 上述导致管道泄漏的原因都是由于偷油盗油不法分子通过在夜间对管道进行 打孔盗油等危险操作，导致管道运行异常甚至出现管道报废等情况。除此之外， 管道沿线的施工比如挖掘机对地面的挖掘也可能造成管道的泄漏，引发危险。除 了人为破坏【6 】造成泄漏意外，地震、山体滑坡等自然灾害也会对管道的正常运行 构成威胁。如何能够及时的发现危险事件而对其进行准确的报警定位，减少或者 杜绝发生的概率，保障财产安全与人民生命，保护环境免于污染，保证输油管道 2 第一章绪论 的正常工作，这一切都对管道泄漏监测技术提出了迫切的要求与挑战。 1 4 油气管道现有的监测方法与意义 油气安全管道泄漏监测系统越来越受到关注，实时可靠的管道泄漏监测系统 能够为石化企业提供管道运输的保障。管道的运行故障中，最为常见的是泄漏问 题。管道泄漏后导致输送的介质外泄，不仅会造成输送单位的经济损失，还有可 能破坏管道周边的环境，并带来很大的安全隐患。管道泄漏的原因有腐蚀穿孔、 外力破坏等几种，另外近年来打孔盗油等人为破坏也时常造成管道的泄漏。 管道泄漏监测目前已经成为我国输油管道管理企业安全生产的重要工作内 容，管道泄漏后的查漏与及时维修是十分重要的，这样能尽快恢复管道输送能力、 减少经济损失，是管道运行不可缺少的重要保障。管道泄漏监测的方法有两大类， 分别是直接检漏方法和间接检漏方法【7 j 。 输油管道直接检漏的方法，是通过管道外的检测元件如检测电缆或者油敏感 元件实现泄漏检测。输油管道直接检漏方法的优点是可以直接检测出泄漏介质， 检测准确度高、可以精确定位泄漏位置，缺点则是要求必须在输油管道安装的同 时一并安装，例如：煤气检漏法、油膜检漏法和电缆检漏法等。 输油管道间接检漏的方法，是以输油管道工作过程中的各种运行参数为依据， 通过观察参数变化从中推断是否存在管道泄漏，常用的输油管道间接检漏方法有 检测压力、检测流量等。输油管道间接检漏方法在灵敏度上无法与直接检漏法相 比，但检测的灵活性要远高于直接检漏法。例如：负压波法、压力梯度法等。 对管道泄漏监测技术的优劣评价，主要从以下几个方面加以考虑【8 j ，【9 】： ( 1 ) 灵敏度：系统能检测出管道泄漏的最小泄漏量； ( 2 ) 定位精度：系统对发生的泄漏点定位误差的大小； ( 3 ) 检测时间：从泄漏开始到系统检测出泄漏报警定位需要的时间； ( 4 ) 误报率：对非危险事件错误报警所造成的误警率； ( 5 ) 适应能力：是指监测系统对工作环境，输送介质等的通用性； 由于管道输送有原油，成品油，天然气等多种介质、泄漏包括打孔，挖掘破 裂，自然腐蚀等多种方式，这些都决定了管道泄漏监测系统的性能，因此目前还 没有一种理想的管道安全监测方案。并且目前大多数泄漏监测如负压波法，音波 法都属于事后监测方式，都不能对偷油盗油等人为因素进行制止。常见的事后泄 漏监测方法有： ( 1 ) 巡线观察法 早期的管道大多采用巡检观察法，通过巡线工人或者经过训练的动物沿管线 北京化_ t 人学顾卜学位论义 进行巡查，通过看、闻、听和其他方法来检查管道是否发生泄漏。 该方法的特点是：方式简单，能够对较大的泄漏进行报警，定位精度高，但 是由于人工巡线具有很大的局限性，当出现小孔径泄漏的时候，人工巡线很难发 现，且检测速度慢，不能实时检测，巡线距离有限，对于长输管道来说，巡线难 度大。一旦发现管道泄漏已经造成了大量的损失，效率低。目前该方法已经作为 其他泄漏监测方法的辅助手段来寻找精确泄漏点。 ( 2 ) 流量法 通过比较上下游的流量或压力突变来实现报警定位，在管道运行过程当中一 旦发生管道破裂导致泄漏时，管道传输上流与下流流量将出现不平衡。通过流量 计可以进行泄漏监测【1 0 】。 该方法的特点是：简单可行，能检测较大的泄漏，相对于人工巡线法，可以 进行实时监测，但是实时效率低，且一般适用于稳态流的非压缩性流体，无法对 泄漏进行准确定位，定位误差大，误报率高。 ( 3 ) 负压波法 负压波法是目前国内采用较为广泛的管道泄漏方法，通过压力传感器检测管 道内部的压力波来实现报警定位。管道泄漏瞬间，输送介质在压力的作用下从泄 漏点高速喷出，压力平衡被破坏，使得泄漏点产生明显的压力降。周围的输送介 质在压差的作用下向泄漏点补充介质，形成沿管道向两端传播的压力波。经过一 段时间后，安装在管段两端的压力传感器将接收到压力波信号。服务器获取传感 器的压力信号，进行实时识别处理( 采用复杂统计模型的识别器) ，从而可以判 断管道是否发生泄漏。利用管段两端传感器接收到压力波的时间差，可以计算出 泄漏发生位置【1 1 1 。判断发生泄漏后，通过对泄漏点上下游临近流量计数据的采集 计算，可以计算泄漏量。 当管道发生泄漏时，由于管道内外的压差，泄漏点的流体迅速流失，导致泄 漏点的压力下降。两边的液体由于压差而向泄漏点处进行补充。相当于在泄漏点 产生了一个压力波【1 2 1 ，该压力波从泄漏点向管道两端进行传递。由于管道内部 传输介质的不同压力波传输速度也有所区别，在计算泄漏点的时候需要对其进行 速度校正，通过结合压力波传输到管道两端的时间差时间差来计算泄漏点的位 置，定位的原理如图l 一1 所示。图中，l 为管道长度，x 为泄漏点，t1 和t2 为 负压波传播到上下游的时间。 4 第一章绪论 t t 1 t 2 x 图1 1 负压波法定位原理图 f i gl - ln e g a t i v ep r e s s u r ew a v es c h 锄a t i c x 从图1 1 可以看出，负压波法的定位公式为： 石= 盟产 ( 1 - 1 ) 式中：v 为管道发生泄漏后压力波向两端传输的速度； t 为管道两端的压力传感器接收到信号的时间差； l 为两端传感器之间的距离。 负压波法的特点是：可检测出管道的突发性泄漏，并能对较长距离进行监测， 实时性强，但是该方法对泄漏点的定位误差在1 k m 左右，定位精度不高，误报 率较高，且只适用于非压缩性介质的压力管道。 ( 4 ) 音波法 音波法【”】目前管道泄漏监测中性能相对较好的事前监测方法，其原理是在 被监控管道的两端安装音波传感器，接收到的管内音波信号通过电缆传给采集终 端主机。主机进行预处理，然后通过网络传递给服务器。服务器判断是否出现泄 漏音波，从而发现泄漏，并根据两端传感器接收到泄漏音波的时间差，计算泄漏 位置。泄漏音波波长很长、波形特征明显并相对稳定，使得音波测漏法具有灵敏 度高、误报率低、定位精度高等优点。 音波法的特点是：灵敏度较较高，可检测毫米级泄漏量，定位精度高，可将 定位精度控制在1 0 0 米以内，误报率相对低，可以运用在气体、多相流等介质输 送当中，通用性比负压波好。成本比负压波高。 以上4 种泄漏监测的方法现在仍在使用当中，根据性能要求、成本可以对其 进行相应的方法组合达到系统的性能。但是目前广泛使用的管道泄漏监测技术都 是事后报警，只有在管道受到破坏导致介质输送受到干扰的时候才能做出防范， 不能及时发现和预报隐患，所以并不能防止管道泄漏的发生，只能采取“亡羊补 牢”的措施减小泄漏的损失。在很多情况下，是不允许出现管道受到偷油盗油破 5 北京化工大学硕：卜学位论文 坏来损害管道的运行，比如海底管道一旦受到破坏，不仅仅对管道运行造成影响， 甚至可能使整个海底管道报废，并且对海洋环境造成致命的破坏。这一切都对管 道泄漏事前预警技术提出了迫切的要求。很多时候需要要求管道的运行保证万无 失，因为可能一次泄漏就会导致管道的报废。如果管道沿途设有预警监测系统， 可以在第一时间内将可能出现的破坏行为制止，将可能发生的管道事故制止。所 以，由光纤预警领军的事前预警技术异军突起，成为了新兴的管道泄漏监测技术。 1 5 现有技术性能对比 在1 4 节中介绍了几种管道泄漏监测的方法，具体的性能对比如表1 1 ： 表1 1 几种管道泄漏监测方法比较 t a b l el - 1c o m p a r i s o no fs e v e 豫1p i p e l i n e1 e a kd e t e c t 主o n 从上述表中可以看到各种方法在不同的应用场合中都有自己的优势，在实际 的使用当中也可以将其进行结合使用，达到最优性价比，但是针对于预警能力而 言，光纤预警法在这方面有着其他泄漏监测系统不可替代的优势，而光纤预警的 缺点也比较明显，其误报率会比较高，因此光纤预警系统在对于信号的甄别能力 上提出了很高的要求，只要能够对非危险信号进行识别过滤，那么光纤预警才会 得到认同。 1 6 本课题研究的意义与主要内容 从前面的介绍可知，传统的泄漏监测方法尽管在泄漏监测的性能上有很大的 提升，但是都是属于事后报警，没有对管道运行起到很好的保护作用。如果能够 对管道的破坏行为进行事前预警，通过采取及时的措施加以制止，可以避免管道 遭到严重的破坏，同时避免经济损失和环境污染，具有积极的意义。因此，本文 的主要研究内容是基于马赫曾德干涉原理的光纤预警系统在管道泄漏监测中的 应用，具体如下： ( 1 ) 了解光纤预警的基本原理，以及马赫曾德干涉的基本原理，为光纤预警 系统做好理论基础。 6 第一章绪论 ( 2 ) 针对马赫曾德干涉预警原理，搭建光路，为系统的正常运行提供光路平 厶 口o ( 3 ) 为激光器设计驱动电路，保证激光器的输出光功率恒定，同时设计接收 p i n 管调理电路。为系统定位精度的提高提供保障。 ( 4 ) 实验场地的搭建与破坏信号的数据采集，大量的数据为信号的识别提供 支持。 ( 5 ) 通过m a t l a b 与h t k 工具对采集的信号进行定位与分类识别仿真，降低误 报率。 1 7 论文研究中的难点与创新点 本课题的研究主要从硬件电路设计、光路设计搭建与软件仿真三个方面出 发，在课题完成过程中，其难点主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 虽然关于介绍光纤预警系统的文献较多，但是涉及到实现系统的调试与 现场试验采集的内容较少，在进行实际运用的过程中会遇到许多问题。 ( 2 ) 在进行现场数据采集的过程中，由于试验条件有限，所采集的数据类型 与数据量也有限，仿真效果会受到影响。 本课题研究中的创新点主要表现在将马赫曾德分布式光纤干涉系统在管道 泄漏中的应用与模式识别分类相结合，通过对信号的识别分类从而降低目前系统 高误报率的缺陷。 1 8 论文的组织结构 本论文共分为七个章节，各个章节的内容安排如下： 第一章对国内油气管道的发展与目前存在的问题进行了介绍，论证了长途管 道破坏实时监测的必要性。同时将目前常用的几种管道泄漏监测技术进行介绍与 对比，找出区别，同时对未来油气管道泄漏监测的发展方向进行了阐述，在此基 础上，提出了对管道泄漏事前预警技术研究的目的与意义和本文所要研究的主要 内容及其难点与创新点。 第二章对研究系统的原理进行了阐述，推导将马赫曾德干涉仪原理应用到实 际的光纤预警系统当中的公式；然后对相关的定位方法进行了推导，使系统的实 现得到了理论支持，之后将本文主要研究的预警系统作了简要介绍，同时对系统 模块的功能与组成进行了概要阐述，最后为了降低光纤预警系统普遍的高误报 率，对危险信号进行了分类，通过对不同危险级别的信号分类处理，可以降低系 7 北京化丁火学顾十学位论文 统整体误报率，提高系统的可靠性。 第三章是对分布式光纤预警系统的简要介绍，包括系统框图、功能要求、系 统组成与信号分类。然后对设计开发中所需要用到的软硬件平台进行简要介绍。 第四章主要从硬件系统的设计出发，详细阐述了光路系统结构设计、硬件电 路系统结构设计两个方面，是论文的主要章节之一，从光路器件的选型到设计调 试，硬件电路的选型到各个模块的详细设计调试都进行了详细的介绍。 第五章主要从软件模块的设计出发，详细阐述了系统软件模块的分类与各个 模块的设计思路与设计方法，把在调试当中可能出现的问题与解决的方案进行了 总结，为现场试验与数据采集做好了充分的准备。 第六章是将分布式光纤预警系统运行在实际的环境中所进行的采集定位实 验，包括了实验环境的搭建，模拟泄漏实验的介绍，定位精度的校准与数据的采 集和仿真。并给出了试验结果。 第七章对本文所做研究工作进行总结，并对后续应继续开展工作进行了展 挈。 第二章分前】式光纤预警系统机理 第二章分布式光纤预警系统预警机理 近年来，传感器技术的发展迅速，灵敏度、精确度同益增加，性能越来越好， 同时，体积也在变小。光纤传感器作为一种新兴的传感器技术在诸多领域得到广 泛的应用。光纤具有很多优异的性能，由于光纤不仅可作为光波的传输媒质，而 且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量因外界因素的作用而直接或间接的 发生变化，从而可将光纤用作传感器组件来探测各种带测量【1 4 1 。分布式光纤传 感器也作为其中的一个研究方向应用在了预警领域当中。 2 1 马赫曾德干涉仪原理 马赫曾德干涉仪【1 5 】需要3 d b 分路器，如下图2 1 。光源发出的相干光经3 d b 分路器分为光强1 ：l 的两束光分别进入信号臂光纤和参考臂光纤，当发生振动而 导致这两束相干光的相位发生了变化，使信号臂的光强相位超前或者滞后于参考 臂，然后两束光经过第二个3 d b 分路器汇合相干形成干涉条纹，在经过光电转 换与a d 采集将振动信号获取。 马赫曾德干涉仪的优点是系统不带纤端反射镜，3 d b 分路器的抑制回光能力 强，克服了迈克耳逊干涉仪回波干扰的缺点，因而在光纤传感技术领域得到了比 迈克耳逊干涉仪更为广泛的应用。 信号譬 参考臂 图2 1 马赫曾德干涉仪原理 f i g2 - lp r