CN113962046A - 一种气体管网异常探测***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体管网异常探测***，包括：光纤、激光源、光学解耦***和信号处理单元；光纤紧贴在用于输送气体的管道的外周壁的下方；激光源与光学解耦***相连，光学解耦***与光纤相连，信号处理单元与光学解耦***相连；激光源通过光学解耦***向光纤发出前进光脉冲；光学耦***用于接收遇到异常时返回的布里渊散射的反向光脉冲，并使得反向光脉冲和前进光脉冲分离开，再将分离出来的反向光脉冲送入信号处理单元；信号处理单元用于分析反向光脉冲，以确定异常发生的具***置。本***采用光纤传感方法，利用布里渊散射现象可实现对气体管网的异常探测，尤其是对于低压气体管网中因泄露流入流体(例如水)的异常情况具有良好的探测效果。

Description

一种气体管网异常探测***和方法

技术领域

本发明涉及气体管路探测领域，尤其是涉及一种气体管网异常探测***和方法。

背景技术

气体管道网络的安全性对于安全可靠地输送气体而言非常重要，尽管在气体管网的安装期间，履行了所有的安全要求，但在有些时候，由于受到有意或者无意的第三方破坏(比如：土地移动、地震、树根、腐蚀或者挖掘工作等)，气体管网的完整性仍然无法得到保障。因此，能够及时准确探测到气体管网中的异常情况(比如：泄露)，就显得尤为重要。目前采取的方法主要包括以下几种：

1)计算管道监测方法，使用由多个压力、流量和温度传感器组成的监测***和设备，以期分析气体管道发生异常的概率；

2)在高压管道中，采用声压波方法来分析泄露中的稀薄气体所产生的震动波；

3)在稳态中采用平衡方法，通过在不同的测量点用流量计来代替，并采用微差分析来监测气体的流动；

4)采用统计的方法，利用压力/流动数据的分析来探测泄露；

5)建立实时瞬态模型，在经典力学的基础上，利用数学算法来处理管道中的流动；

6)红外热成像管道分析，采用输运流体和干土壤之间的热传导的差异来探测泄露的位置；

7)在高压管道中设置声发射探测器，以通过低频声信号探测到泄露位置；

8)蒸汽传感管子泄露探测方法，沿着整个管道安装管子，并探测管子里面流体状态的改变；

9)基于分布式温度传感(DTS)和分布式声传感(DAS)的分布式光纤传感器。如图1所示，DTS***利用沿着管道轴向方向安装的光纤通道来测量由泄露引起的温度变化。在DTS***中，需要使用具有很高的敏感性和分辨率的传感器，DTS***才有可能捕捉到泄露处微小的温度变化。具有高分辨率的传感器的价格非常昂贵，使得这些技术不具备经济效益，大大地限制了其在工业中的实际应用。

此外，上述的9种方法多适用于高压气体管道泄露的探测上，很难应用在低压气体管道上，尤其是很难应用在处理低压气体管道(例如燃气输配管道)因泄露而进水的问题上，因为在这些输送气体的低压管道中，尽管气体的流速很高，但是气体压力很低，会低至2kPa，从而发生微小泄露时，泄露位置的物理信号太弱而很难被探测到，因此设计一种成本低廉，可准确探测到气体管网中的异常，尤其是适用于低压气体管道上的探测***显得尤为迫切。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种气体管网异常探测***和方法。

本发明的技术方案如下：一种气体管网异常探测***，包括：光纤、激光源、光学解耦***和信号处理单元；所述光纤紧贴在用于输送气体的管道的外周壁的下方；所述激光源与所述光学解耦***相连，所述光学解耦***与所述光纤相连，所述信号处理单元与所述光学解耦***相连；所述激光源通过所述光学解耦***向所述光纤发出前进光脉冲；所述光学耦***用于接收遇到异常时返回的布里渊散射的反向光脉冲，并使得所述反向光脉冲和所述前进光脉冲分离开，再将分离出来的所述反向光脉冲送入所述信号处理单元；所述信号处理单元用于分析所述反向光脉冲，以确定所述异常发生的具***置。

进一步地，所述管道为塑料管道。

进一步地，所述管道为聚乙烯管道。

进一步地，所述光学解耦***由两个光学环形器组成。

一种气体管网异常探测方法，应用上述的探测***，所述探测方法包括以下步骤：S1、激光源通过光学解耦***向光纤发出前进光脉冲，前进光脉冲遇到异常时产生布里渊散射的反向光脉冲；S2、光学解耦***接收返回的布里渊散射的反向光脉冲，并对反向光脉冲和前进光脉冲进行解耦分离，再将分离出来的反向光脉冲送入信号处理单元；S3、信号处理单元分析反向光脉冲并确定异常发生的具***置。

和现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本***采用光纤传感方法，利用布里渊散射现象可实现对气体管网的异常探测，尤其是对于低压气体管网中因泄露流入流体(例如水)的异常情况具有良好的探测效果，本***所使用的光纤可以和受监测的管道埋在一起，结构紧凑，而且对电磁干扰具有免疫性，能实现实时监测以及快速响应，成本低廉，便于推广使用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是现有技术中DTS***的光纤的位置图；

图2是瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射的示意图；

图3是本发明的***原理图；

图4是本发明的光纤的位置图；

图5是有限元模拟中内有1/3高度沉积水的管道的界面图；

图6是内有1/3高度沉积水的管道的网格划分图；

图7是内有1/3高度沉积水的钢铁管道的应变分布图；

图8是内有1/2高度沉积水的钢铁管道的应变分布图；

图9是内有2/3高度沉积水的钢铁管道的应变分布；

图10是内有1/3高度沉积水的聚乙烯管道的应变分布图；

图11是内有1/2高度沉积水的聚乙烯管道的应变分布图；

图12是内有2/3高度沉积水的聚乙烯管道的应变分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“竖向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

气体管道网络的安全性对于安全可靠地输送气体而言非常重要，尽管在气体管网的安装期间，履行了所有的安全要求，但在有些时候，由于受到有意或者无意的第三方破坏(比如：土地移动、地震、树根、腐蚀或者挖掘工作等)，气体管网的完整性仍然无法得到保障。因此，能够及时准确探测到气体管网中的异常情况(比如：泄露)，就显得尤为重要。目前采取的方法主要包括以下几种：

1)计算管道监测方法，使用由多个压力、流量和温度传感器组成的监测***和设备，以期分析气体管道发生异常的概率；

2)在高压管道中，采用声压波方法来分析泄露中的稀薄气体所产生的震动波；

3)在稳态中采用平衡方法，通过在不同的测量点用流量计来代替，并采用微差分析来监测气体的流动；

4)采用统计的方法，利用压力/流动数据的分析来探测泄露；

5)建立实时瞬态模型，在经典力学的基础上，利用数学算法来处理管道中的流动；

6)红外热成像管道分析，采用输运流体和干土壤之间的热传导的差异来探测泄露的位置；

7)在高压管道中设置声发射探测器，以通过低频声信号探测到泄露位置；

8)蒸汽传感管子泄露探测方法，沿着整个管道安装管子，并探测管子里面流体状态的改变；

9)基于分布式温度传感(DTS)和分布式声传感(DAS)的分布式光纤传感器。如图1所示，DTS***利用沿着管道轴向方向安装的光纤通道来测量由泄露引起的温度变化。在DTS***中，需要使用具有很高的敏感性和分辨率的传感器，DTS***才有可能捕捉到泄露处微小的温度变化。具有高分辨率的传感器的价格非常昂贵，使得这些技术不具备经济效益，大大地限制了其在工业中的实际应用。

此外，上述的9种方法多适用于高压气体管道泄露的探测上，很难应用在低压气体管道上，尤其是很难应用在处理低压气体管道(例如燃气输配管道)因泄露而进水的问题上，因此在这些输送气体的低压管道中，尽管气体的流速很高，但是气体压力很低，会低至2kPa，从而发生微小泄露时，泄露位置的物理信号太弱而很难被探测到。

有鉴于此，发明人创造性的设计了一种气体管网异常探测***，该***是基于布里渊散射的分布式光纤传感***，可以对低压气体管网中因泄露流入的流体(例如水)的位置进行探测和定位。

为了便于描述本***的工作原理，下面将结合图2和图3对光在光纤中传播产生的散射现象进行简单介绍。

在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。

如图2所示，通过光谱方法来分析介质的光谱结构可以探测到这种散射效应。根据传输光波的光学介质的特点，瑞利、布里渊和拉曼散射都会分别产生各自的工作波长。把瑞利散射的工作波长作为参考波长，布里渊和拉曼散射的两个光谱分量对称分布于光谱结构中的参考波长的两边。位于参考波长右边的光谱分量被称为斯托克斯分量，而位于参考波长左边的光谱分量被称为反斯托克斯分量。由于温度变化，与布里渊散射相关的斯托克斯/反斯托克斯光谱分量发生红移和蓝移。拉曼散射则不同，它的反斯托克斯分量仅仅对温度变化敏感。当有温度变化的时候，通过拉曼反斯托克斯分量发生反向散射的光的振幅会受到光的强度变化的影响。如果入射光的强度较低，那么当高强度的入射光产生受激散射效应的时候，会发生自发的散射现象。

在不同的散射机制中，本发明拟采用对应变(ε)和温度(T)敏感的布里渊散射效应。通过光谱学分析，因为布里渊反向散射光波发生相长干涉，所以其散射的最大振幅位于一致的波长上。这个工作波长可以被定义为共振波长，并且它取决于在其中发生布里渊效应的光学介质的特点。如果有应变和温度的改变发生，根据所考虑的斯托克斯分量，此共振波长会发生红移或者蓝移，从而便于检测。

下面参考附图图3和图4描述根据本发明实施例的气体管网异常探测***，该***包括：光纤、激光源、光学解耦***和信号处理单元。这里的光学解耦***由两个光学环形器组成。

光纤紧贴在用于输送气体的管道的外周壁的下方；激光源与光学解耦***相连，光学解耦***与光纤相连，信号处理单元与光学解耦***相连；激光源通过光学解耦***向光纤发出前进光脉冲；光学耦***用于接收遇到异常时返回的布里渊散射的反向光脉冲，并使得反向光脉冲和前进光脉冲分离开，再将分离出来的反向光脉冲送入信号处理单元；信号处理单元用于分析反向光脉冲，以确定异常发生的具***置。

本***的探测方法如下：

S1、激光源通过光学解耦***向光纤发出前进光脉冲，前进光脉冲遇到异常时产生布里渊散射的反向光脉冲；

S2、光学解耦***接收返回的布里渊散射的反向光脉冲，并对反向光脉冲和前进光脉冲进行解耦分离，再将分离出来的反向光脉冲送入信号处理单元；

S3、信号处理单元分析反向光脉冲并确定异常发生的具***置。

具体而言，这里的管道例如可为低压气体管道，这里的异常例如可为低压气体管道因泄露进水，由于低压气体管道中的压力很低，因此管道泄露时，会有大量的水会通过泄漏处进入管道，从而沉积在管道底部，而大量沉积的水的重力施加在管道上会使得管道产生应变，由于光纤紧贴在管道的外周壁的下方，因此管道的应变会传递光纤，使得光纤也产生相应的应变，此时前进光脉冲在此处位置发生布里渊散射并产生反向光脉冲，光学解耦***以及信号处理单元便可对该反向光脉冲进行分析，最终确定异常发生的具***置。

在测定具***置时，可采用如下方法计算：由于光学材料属性的的变化，沿着光纤路径散射的光导波会发生光振幅、相位和波长的调制。为了探测这种光的调制(即：应变和温度变化)，可以采用时域和频域的方法。如果激发光纤的输入光波是一个前进的光学脉冲，且脉冲的持续时间(即：脉冲宽度)为t，那么，通过分析前进的输入脉冲和返回的散射脉冲之间的时间延迟即可以测量调制源(即：温度和应变)的位置。受限于脉冲持续时间的***的空间分辨率R(即：定位的准确度)为

这里，c是光在真空中传播的速度，n是光纤的群折射率。

本***采用光纤传感方法，利用布里渊散射现象可实现对气体管网的异常探测，尤其是对于低压气体管网中因泄露流入流体(例如水)的异常情况具有良好的探测效果，本***所使用的光纤可以和受监测的管道埋在一起，结构紧凑，而且对电磁干扰具有免疫性，能实现实时监测以及快速响应，成本低廉，便于推广使用。

为了验证由水的沉积所产生的应变的作用，发明人采用有限元软件进行了下面的模拟。气体管道大致可分为金属管道和塑料管道，因此模拟采用城市燃气管网常用的两种材料：钢铁和聚乙烯。水的沉积深度分别为管道内部高度(内径)的1/3、1/2和2/3。采用有限元软件的结构力学模块进行管道壁的应变的变化的模拟。管道的外径为315mm，厚度为15mm。水的密度选择995.6kg/m³，因此水的重力体载荷为9756.88N/m³。管道的***的边界条件为固定，其它边界条件为自由。

1、管道的材料为钢铁

在有限元软件里面，发明人选用钢材AISI 340，其属性参数为：杨氏模量为2.05×10¹¹Pa，泊松比为0.28，密度为7850kg/m³。

1.1水在管道中沉积的深度为钢铁管道内径的1/3

内有1/3高度沉积水的管道的界面图如图5所示。几何图形CO1代表管道壁，CO2代表沉积水。

图6给出了内有1/3高度沉积水的管道的网格划分。网格点的数目为7300，有限元的数目为13888，有限元的面积比为0.429。

图7给出了内有1/3高度沉积水的钢铁管道的应变分布图。从图中可以得出管道底部的最大应变为-0.23με。

1.2水在管道中沉积的深度为管道内径的1/2

图8给出了内有1/2高度沉积水的钢铁管道的应变分布图。从图中可以得出管道底部的最大应变为-0.35με。

1.3水在管道中沉积的深度为管道内径的2/3

图9给出了内有2/3高度沉积水的钢铁管道的应变分布图。从图中可以得出管道底部的最大应变为-0.46με。

2、管道的材料为聚乙烯

在有限元软件里面，发明人选用的材料为聚乙烯，其属性参数为：杨氏模量为1×10⁹Pa,泊松比为0.28,密度为930kg/m³。

2.1水在管道中沉积的深度为聚乙烯管道内径的1/3

图10给出了内有1/3高度沉积水的聚乙烯管道的应变分布图。从图中可以得出管道底部的最大应变为-36με。

2.2水在管道中沉积的深度为聚乙烯管道内径的1/2

图11给出了内有1/2高度沉积水的聚乙烯管道的应变分布图。从图中可以得出管道底部的最大应变为-54με。

2.3水在管道中沉积的深度为聚乙烯管道内径的2/3

图12给出了内有2/3高度沉积水的聚乙烯管道的应变分布图。从图中可以得出管道底部的最大应变为-68με。

3、以上模拟结果的总结

上面的模拟结果可以用下面的表1总结如下：

表1.模拟结果的摘要

目前的技术条件下，本***的分辨率大约为±10με～±30με，也就是说，由水沉积所产生的钢材管道的应变信号不能被本***探测到。然而，考虑到在燃气输配管网里面，聚乙烯管道将会越来越多，并且有在未来取代钢铁管道的趋势，因此，本***在未来对低压管道监测方面的应用将具有广阔的前景，预计将成为最有希望解决地下管网异常问题的有效的技术手段之一。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种气体管网异常探测***，其特征在于，包括：光纤、激光源、光学解耦***和信号处理单元；

所述光纤紧贴在用于输送气体的管道的外周壁的下方；

所述激光源与所述光学解耦***相连，所述光学解耦***与所述光纤相连，所述信号处理单元与所述光学解耦***相连；

所述激光源通过所述光学解耦***向所述光纤发出前进光脉冲；

所述光学耦***用于接收遇到异常时返回的布里渊散射的反向光脉冲，并使得所述反向光脉冲和所述前进光脉冲分离开，再将分离出来的所述反向光脉冲送入所述信号处理单元；

所述信号处理单元用于分析所述反向光脉冲，以确定所述异常发生的具***置。

2.根据权利要求1所述的气体管网异常探测***，其特征在于，所述管道为塑料管道。

3.根据权利要求2所述的气体管网异常探测***，其特征在于，所述管道为聚乙烯管道。

4.根据权利要求1所述的气体管网异常探测***，其特征在于，所述光学解耦***由两个光学环形器组成。

5.一种气体管网异常探测方法，其特征在于，应用根据权利要求1-4中任一项所述的探测***，所述探测方法包括以下步骤：

S1、激光源通过光学解耦***向光纤发出前进光脉冲，前进光脉冲遇到异常时产生布里渊散射的反向光脉冲；

S2、光学解耦***接收返回的布里渊散射的反向光脉冲，并对反向光脉冲和前进光脉冲进行解耦分离，再将分离出来的反向光脉冲送入信号处理单元；

S3、信号处理单元分析反向光脉冲并确定异常发生的具***置。

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