深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程光纜管道安全預(yù)警系統(tǒng)方案

摘 要

摘要：介紹了深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程光纜管道安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用方案。關(guān)鍵詞：天然氣高壓輸配系統(tǒng)；預(yù)警系統(tǒng)；光纜1 深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程 深圳市天然氣高壓輸配系
摘要：介紹了深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程光纜管道安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用方案。
關(guān)鍵詞：天然氣高壓輸配系統(tǒng)；預(yù)警系統(tǒng)；光纜
1 深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程
    深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)是西氣動(dòng)輸二線的配套工程，是我市的重點(diǎn)工程，對(duì)我司的持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。該系統(tǒng)將在深圳敷設(shè)約150km，口徑為813mm(支線為518mm)運(yùn)行壓力為4.0MPa的燃?xì)夤艿?，年輸氣?0億m3。
    深圳市正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期，動(dòng)土建設(shè)工程眾多，施工單位對(duì)燃?xì)夤艿廊狈ψ銐虻陌踩J(rèn)識(shí)，經(jīng)常野蠻施工，管道受第三方破壞發(fā)生事故的危險(xiǎn)性極高。由于天然氣高壓管道管徑大、壓力高，工程全線均在城市人口稠密地區(qū)敷設(shè)，一旦發(fā)生事故，后果不堪想象，據(jù)相關(guān)測(cè)算，如發(fā)生爆管事故，影響范圍可達(dá)1500m。目前我市燃?xì)夤艿李A(yù)防外界破壞的保護(hù)方式有以下兩種，其一是在管道上方埋設(shè)警示保護(hù)板，設(shè)置警示樁；其二是安排巡線檢查人員定期沿管線巡檢。這兩種方式都是被動(dòng)的、不連續(xù)的安全保護(hù)措施。怎樣采用科技手段對(duì)高壓管道實(shí)行有效的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，時(shí)刻掌握管道周圍是否存在安全隱患，在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)、并制止破壞一直是我公司重點(diǎn)關(guān)注的課題。
2 光纜預(yù)警系統(tǒng)介紹
    管道光纜預(yù)警系統(tǒng)是利用隨天然氣管道鋪設(shè)的光纜對(duì)周圍土壤的震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)軟件分析得出震動(dòng)源的特性得知周圍環(huán)境是否存在危險(xiǎn)的情況，提煉出有威脅的信號(hào)并發(fā)出報(bào)警信息，提醒值班人員及時(shí)安排人員前往震動(dòng)地段核實(shí)，邊被動(dòng)發(fā)現(xiàn)為主動(dòng)發(fā)現(xiàn)，將危險(xiǎn)“屏蔽”在事故發(fā)生以前。
   (1) 光纜預(yù)警原理介紹
   光纜預(yù)警系統(tǒng)是利用光纜中光纖在受到震動(dòng)后將按震動(dòng)源的震動(dòng)頻率產(chǎn)生周期性細(xì)微的物理形變，形變導(dǎo)致內(nèi)部通過(guò)的連續(xù)激光頻率產(chǎn)生變化(即應(yīng)力頻移攝動(dòng))，將承載震動(dòng)信息的激光經(jīng)過(guò)反射/透射膜等光電設(shè)備就可還原震源音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件分析得出震動(dòng)源的特性和位置，通過(guò)軟件過(guò)濾出具有威脅性的震動(dòng)源從而發(fā)出預(yù)警信息。
    ① 光纖震動(dòng)感應(yīng)原理
    利用光纜中3根單模光纖，其中兩根作為分布式傳感器使用，用于拾取震動(dòng)信號(hào)，第根作為傳輸光纖用于傳輸承載干涉信號(hào)的激光(如圖1)。
 
   光發(fā)射器發(fā)出的激光通過(guò)激光分配模塊(即光耦合器)分成兩束，一束光從激光相干模塊(光干涉儀)左端入射，在干涉儀右端會(huì)合并通過(guò)傳輸光纖傳回，形成一路干涉信號(hào)，另一束激光通過(guò)傳輸光纖從干涉儀右端輸入，在干涉儀左端會(huì)合并形成第二路干涉信號(hào)，從而組成一個(gè)雙向傳輸結(jié)構(gòu)的干涉儀。兩路干涉信號(hào)通過(guò)光接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在經(jīng)過(guò)信號(hào)解調(diào)就可得到震動(dòng)點(diǎn)的音頻信號(hào)。分析這些震動(dòng)信號(hào)的特征，使用模式識(shí)別等方法從中提取出對(duì)管道有威脅的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)管道的安全預(yù)警。
    ② 震源位置的確定方法
    設(shè)激光收發(fā)模塊間的距離長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，兩路信號(hào)的時(shí)延差為△t，光纖中光速為v(v=c/n，c為真空中的光速，n為光纖纖芯折射率)，則從震動(dòng)點(diǎn)位置到干涉儀右端的距離L為：
   L=1/2△t=ct/2n
式中t——時(shí)延時(shí)間。
    因此，可得到雙向傳輸干涉儀兩路干涉信號(hào)的時(shí)延差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的精確定位。
    (2)管道光纜安全預(yù)警系統(tǒng)智能分析軟件
光纜安全預(yù)警系統(tǒng)之所以能夠準(zhǔn)確區(qū)分各類信號(hào)，得益于系統(tǒng)具有強(qiáng)大自學(xué)習(xí)功能的智能分析軟件。系統(tǒng)安裝后先進(jìn)入自學(xué)習(xí)階段，依據(jù)人工判斷事件的原則，根據(jù)人工干預(yù)信號(hào)的方式形成自動(dòng)模式識(shí)別，之后會(huì)自動(dòng)分辨。系統(tǒng)對(duì)常見(jiàn)的震動(dòng)事件，如鐵路穿越點(diǎn)火車經(jīng)過(guò)對(duì)地面的震動(dòng)信號(hào)做為常規(guī)信號(hào)提示，對(duì)非常規(guī)信號(hào)如打孔、挖掘則發(fā)出報(bào)警。對(duì)于在人工學(xué)習(xí)中沒(méi)有碰到的信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，之后依據(jù)人工處理的原則，系統(tǒng)會(huì)在再次遇到該類信號(hào)時(shí)依據(jù)上次原則作出相應(yīng)的判斷。
    (3) 光纜預(yù)警系統(tǒng)特點(diǎn)
    ① 偵測(cè)距離長(zhǎng)、范圍寬、定位準(zhǔn)確。每套光纖傳感器可監(jiān)測(cè)40～60km距離，可采用多套組合使用，系統(tǒng)可長(zhǎng)距離的進(jìn)行全程檢測(cè)，總長(zhǎng)度幾乎不受限制。該系可對(duì)光纜沿線以光纜為中心周圍直徑4～6m以內(nèi)的范圍進(jìn)行，偵測(cè)，定位精度為±100至±200m。
    ② 施工簡(jiǎn)單，安裝方便。該系統(tǒng)使用3根光纖即可實(shí)現(xiàn)功能。光分配器和光干涉器體積小，可直接安裝于任何位置，還可采取直接地埋形式，不會(huì)影響偵測(cè)效果。在通訊的同時(shí)便可執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)，不影響通訊。主控器為一臺(tái)工控機(jī)，可安裝于自控機(jī)房機(jī)柜之內(nèi)。
    ③ 獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。智能化的分析系統(tǒng)可獨(dú)立分析每段監(jiān)測(cè)部分的管道周圍環(huán)境狀況，可以提示將要發(fā)生的潛在威脅，報(bào)告震源確切位置。每套偵測(cè)設(shè)備可獨(dú)立運(yùn)行，任何一套出現(xiàn)故障不會(huì)干擾其他設(shè)備。
    ④ 高的靈敏度和強(qiáng)的抗干擾能力。該系統(tǒng)不受管道所處環(huán)境和氣候影響，不管是鋪設(shè)在喧鬧的城市或工業(yè)區(qū)地下，還是靜謐的荒野地下，也不受電磁波等外界干擾。
    ⑤ 使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便。該系統(tǒng)中最重要的是管道沿線的分布式傳感光纖，光纖不氧化、生銹，柔韌度高，抗腐蝕，使用壽命可達(dá)幾十年之久。光纜的使用壽命在20年以上，所以，該套系統(tǒng)最長(zhǎng)使用壽命與光纜相同。
    ⑥ 系統(tǒng)接入性好，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)。該系統(tǒng)由一部控制電腦、一部激光發(fā)射器和一部光纖振動(dòng)傳感器及光纖組成，可與其它安保技術(shù)設(shè)備如視頻傳播系統(tǒng)、聲音報(bào)警器等配置兼容，遭受破壞的光纖只需焊接便可恢復(fù)工作?？煞奖愕膶?bào)警信息接入SACAD系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)上的統(tǒng)一檢測(cè)管理和報(bào)警定位。
    ⑦ 具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)功能。該系統(tǒng)能夠?qū)κ煜さ母黝愋盘?hào)進(jìn)行分析判斷，過(guò)濾出報(bào)警信號(hào)，還能夠?qū)σ郧拔窗l(fā)生的信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)。首次在人為干預(yù)的情況下可自動(dòng)記錄住新信號(hào)是否需要發(fā)出報(bào)警，在接下來(lái)后期發(fā)現(xiàn)同類信號(hào)時(shí)自控采取相同的處理方法。
    ⑧ 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)介質(zhì)是光纖，利用激光作為信號(hào)載體進(jìn)行信號(hào)識(shí)取與分析，所以實(shí)時(shí)性強(qiáng)。光纖預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，所以具有極高的穩(wěn)定性與可靠性。
    (4) 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用
    由于優(yōu)點(diǎn)顯著，光纜安全預(yù)警系統(tǒng)已逐漸得到了國(guó)內(nèi)外管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)的重視。美國(guó)紐約天然氣公司幾年前就應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)來(lái)維護(hù)管道安全；中國(guó)石化塘燕線燕山至涿州段約27km；近幾年我國(guó)中石油天然氣管道通信電力工程總公司投入大量的資金和人力研究該項(xiàng)技術(shù)，目前已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段并在部分長(zhǎng)輸管道實(shí)施，如西氣東輸蘇浙滬段實(shí)施了300km，阿獨(dú)線實(shí)施了246km等。
3 深圳天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程的應(yīng)用方案
    深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)采取隨燃?xì)夤艿劳瑴戏笤O(shè)光纜的方式采集管道沿線場(chǎng)站閥室的監(jiān)控信號(hào)，這給我們應(yīng)用光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)提供了便利條件。我們可以利用光纜中富余的光纖作為管道安全預(yù)警系統(tǒng)的分布式傳感器，實(shí)時(shí)偵測(cè)各種入侵信號(hào)，以此來(lái)預(yù)防第三方破壞事件的發(fā)生，時(shí)刻保護(hù)燃?xì)夤艿赖倪\(yùn)營(yíng)安全。
   (1) 方案設(shè)計(jì)
   深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)管道路由分布如圖2。
 
考慮到分支較多，路由環(huán)回的情況，檢測(cè)光纖長(zhǎng)度可能達(dá)到180km以上，因此，初步計(jì)劃將其劃分為5個(gè)距離相差不多的區(qū)段(每段的長(zhǎng)度控制在40km以內(nèi))，在每一區(qū)段設(shè)置一套“控制器”負(fù)責(zé)對(duì)本段光纜探測(cè)器的檢測(cè)管理及自身系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制的配置。“控制器”通過(guò)交換機(jī)將數(shù)據(jù)信息傳遞給總控制中心的管理單元，所有的事件信息的處理和與第三方設(shè)備的連接通訊由單元來(lái)執(zhí)行。方案原理見(jiàn)圖3。
 
    參考“光纜總路由圖”計(jì)劃安排在中段和西段設(shè)置3臺(tái)“控制器”，其中兩臺(tái)采用“背靠背”的方式來(lái)完成對(duì)“西段”和“中段”區(qū)域內(nèi)震動(dòng)光纖的檢測(cè)。在東段的“坪山調(diào)壓站”配備另外2臺(tái)“控制器”，同樣采用“背靠背”的方案共同完成整個(gè)東段區(qū)域內(nèi)的光纖回路的檢測(cè)。
利用鋪設(shè)的備用光纖組建局域網(wǎng)，通過(guò)交換機(jī)把5臺(tái)控制器接入，同時(shí)也將設(shè)置在“主調(diào)中心”內(nèi)部監(jiān)控中心的“CAMS單元”通過(guò)交換機(jī)接入整體系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)前端5臺(tái)控制器的集中管理，利用CAMS單元的電子地圖功能來(lái)對(duì)防護(hù)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。“光纖收發(fā)器”和“網(wǎng)絡(luò)繼電器”以及“CAMS單元”來(lái)實(shí)現(xiàn)前端管道現(xiàn)場(chǎng)其它設(shè)備的聯(lián)動(dòng)(圖4)。
 
系統(tǒng)配置器材清單：
    CAMS單元(軟件)                 1套
    控制器(已包含工控機(jī)及配置軟件) 5套
    起始探測(cè)器                      5套
    末端探測(cè)器                      5套
    以上為必選器材，系統(tǒng)需要單獨(dú)對(duì)“CAMS單元”配置一臺(tái)PC。
    其他輔助設(shè)備：包含光纖收發(fā)器、網(wǎng)絡(luò)繼電器、交換機(jī)等，完全可以利用SCADA系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。
   (2) 方案可行性分析
   ① 0技術(shù)可行性分析
   首先，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)發(fā)展，從光波中解析信號(hào)技術(shù)已十分成熟，國(guó)外已有近10年該項(xiàng)系統(tǒng)使用的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)中石油中石化也在多處管線上進(jìn)行了嘗試，其效果還是比較理想。
    第二，我們有實(shí)施光纜管道預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件，即擁有隨燃?xì)夤艿劳瑴戏笤O(shè)的光纜。為保證深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒎€(wěn)定性、實(shí)時(shí)性，其主通訊介質(zhì)在設(shè)計(jì)上采用光纜，全線采取隨燃?xì)夤艿劳瑴戏笤O(shè)方式，設(shè)計(jì)上纜管距離保持在0.5m左右，位置在管道側(cè)上方。管道完全處于光纜震動(dòng)檢測(cè)所能包絡(luò)的安全范圍之中。
    第三，方案中充分考慮了有效檢測(cè)距離和支線路段增加的距離因素，所以霍尼韋爾產(chǎn)品方案中選擇5套設(shè)備是合理的(中石油產(chǎn)品用4套可滿足我們要求)。
   ② 經(jīng)濟(jì)分析
   首先，該項(xiàng)技術(shù)利用已有光纜作為分布式傳感器，節(jié)省了大量敷設(shè)光纜的費(fèi)用。僅需花費(fèi)系統(tǒng)設(shè)備及軟件的費(fèi)用，按估算：霍尼韋爾的系統(tǒng)約需2500萬(wàn)元，中石油的系統(tǒng)約需1000萬(wàn)元。
    其次，采用該系統(tǒng)可以大大減少巡線人員工作量，有效提高工作效率。采用管道光纜預(yù)警系統(tǒng)后巡線可采取重點(diǎn)巡查的方式，沒(méi)有必要全線巡檢，使工作更有針對(duì)性，工作效率更高。
    第三，本系統(tǒng)穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用低。從整個(gè)壽命期看，預(yù)警系統(tǒng)幾乎可以看成一次性投資長(zhǎng)期受益的項(xiàng)目。
   (3) 系統(tǒng)缺點(diǎn)分析
   ① 目前高壓SCADA系統(tǒng)光纜采用硅芯管形式，但光纜預(yù)警系統(tǒng)要求光纜最好是直埋形式。相比之下，直埋光纜在震動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)之中可以對(duì)管道泄露具有較高的靈敏度，兩者在入侵檢測(cè)方面效果幾乎相同。從眾多的管道安全事故分析結(jié)果看，造成的泄露原因主要是第三方破壞，因此防護(hù)重點(diǎn)還是要放在外界破壞，所以采用硅芯管保護(hù)了光纜自身的安全，就相當(dāng)于提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。另外，套管光纜具有很好的維護(hù)性，方便破損光纜的修復(fù)與更換，能有效延長(zhǎng)整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)的使用壽命。
    ② 軟件系統(tǒng)自學(xué)習(xí)期誤報(bào)率較高。使用初期誤報(bào)率會(huì)比較高，會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)人員工作量的增加。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)的增加，誤報(bào)率會(huì)逐漸變低。
    ③ 目前的定位精度還不夠高。糾其原因這也和施工過(guò)程中光纜實(shí)際敷設(shè)長(zhǎng)度、預(yù)留長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)不可能完全準(zhǔn)確有關(guān)，還和設(shè)備所能分辨的最小時(shí)間片有關(guān)(設(shè)備能夠區(qū)分的時(shí)間片約小，光在該段時(shí)間走過(guò)的路程就越短，定位精度就越高)，這樣會(huì)造成巡查工作人員巡查范圍的增加。目前國(guó)內(nèi)外采取的應(yīng)對(duì)策略都是分段定位，即人為的設(shè)置多個(gè)特殊點(diǎn)，在系統(tǒng)中參照這些特殊點(diǎn)的實(shí)際位置來(lái)修正各震動(dòng)點(diǎn)的距離信息，加以提高定位精度。
    ④ 可選商家少。據(jù)目前了解我國(guó)境內(nèi)目前推廣該系統(tǒng)的國(guó)外廠家只有霍尼韋爾，國(guó)內(nèi)目前能夠成功應(yīng)用的只有中石油的產(chǎn)品，使用效果有待進(jìn)一步考察。國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品性能比較詳見(jiàn)表1。
表1 國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品性能比較
 
項(xiàng)目
 
國(guó)內(nèi)中石油系統(tǒng)
國(guó)際產(chǎn)品
(以霍尼韋爾為例)
設(shè)備體積
較大，占用較大空間
較小，可機(jī)架安裝
設(shè)備費(fèi)用
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備約150萬(wàn)元一套，中心設(shè)備及軟件系統(tǒng)約200萬(wàn)元
平均約500萬(wàn)元一套含軟件系統(tǒng)
預(yù)警范圍
光纜為中心直徑6m
光纜為中心直徑4m
定位精度
一般為200m
一般為100m
最大預(yù)警長(zhǎng)度范圍
60km
40km
泄露偵測(cè)功能
直埋光纜可實(shí)現(xiàn)定位監(jiān)測(cè)
直埋光纜可實(shí)現(xiàn)定位監(jiān)測(cè)
   (4) 應(yīng)用建議
   ① 光纜管道安全預(yù)警系統(tǒng)安全可靠，實(shí)施方便，能有效對(duì)管道運(yùn)行時(shí)周邊危險(xiǎn)狀態(tài)做出判斷，對(duì)提高我司高壓管道的安全管理水平有重大的意義，建議納入集團(tuán)立項(xiàng)。
    ② 光纜管道預(yù)警系統(tǒng)是利用隨燃?xì)夤艿劳瑴戏笤O(shè)光纜中富余光纜來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)偵測(cè)的，所以在前期光纜設(shè)計(jì)中要充分考慮預(yù)留芯數(shù)。目前我們已經(jīng)要求光纜施工圖設(shè)計(jì)單位為后期預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)施設(shè)計(jì)預(yù)留余量，這項(xiàng)工作會(huì)造成光纜敷設(shè)工程項(xiàng)目費(fèi)用增加約50萬(wàn)元，但考慮后期管道的安全，我們認(rèn)為這項(xiàng)投資是值得的。
    ③ 由于本項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還處于初期階段，對(duì)其使用情況建議進(jìn)一步進(jìn)行考察，對(duì)技術(shù)的進(jìn)展重點(diǎn)關(guān)注。在高壓工程整體竣工前最終確定意向單位和系統(tǒng)方案。
 
(本文作者：黃志偉 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)建設(shè)公司 廣東深圳 518054)