长输热网光纤监测系统工程应用

1   概述 集中供热已成为解决我国中型、大型、特大型城市供热的主要方式，与国外相比，我国集中供热虽然发展较晚，但近年来发展迅速，且具有供热管径大、输送距离长的特点。目前，我国热网的敷设方式主要以直埋为主，然而由于材料老化、环境腐蚀、极端荷载等因素的交互作用，直埋供热管道结构状态退化现象不可避免，甚至出现管道泄漏的安全事故［1］。管道泄漏不但造成经济损失，而且对人民生活和公共安全产生严重影响。 分布式光纤可实现长距离结构温度、振动、声音、应变的监测。分布式光纤振动传感技术原理为周界振动会导致光纤受压，引发光纤折射率变化，并进而导致光相位改变。在光纤各参量保持恒定的情况下，相位差的改变与外界压力成正相关。压力的调制作用能够通过传感光纤的光相位差来体现，通过监测光相位变化便可实现光纤分布式振动测量［2］。于海洋等人［3］提出采用布里渊光纤传感器可有效监测供热管道工作钢管外壁前期锈蚀情况，监测范围大，可满足实际工程需求。岳福义［4］对分布式光纤在线检漏系统的技术原理、方案设计等内容进行了介绍。本文结合工程实例，对长输热网光纤监测系统的实际应用进行介绍。 2   光纤监测系统 光纤监测系统可实现长输供热管道泄漏监测、热力井盖防盗及供热管道防挖掘等功能，主要包括监测子系统、风光互补发电站、监控中心。监测子系统包括：分布式光纤感温测漏系统、光纤井盖防盗系统、分布式光纤测振系统（主要用于实现防挖掘报警功能），这3个子系统分别设置测温主机、振动监控主机和光纤测振仪，并在监控中心对测温主机、振动监控主机和光纤测振仪分别配置1台工控机，用于测量参数的显示、储存、调用等，数据通过光缆传输。风光互补发电站主要为供热管道隧道内空气质量监测装置提供电源。监控中心用于实现数据显示与监测、故障预警与定位等功能。 3   工程应用 3.1  项目概况 某长输热网主干线及分支线长度约28.7 km，主干线供热管道规格为DN 800~1 400 mm，敷设方式主要采用直埋敷设，部分管段采用隧道敷设，设计供、回水温度为130、70 ℃。热源为热电厂。 3.2  监测子系统 ①光缆布置 实施光纤监测的主干线长度为17.95 km，供回水管道均绑扎2根光缆，分别布置在侧壁和管底，互为备用。供回水管道光缆的布置见图1，图1未能反映布置在管底的光缆。 图1   供回水管道光缆的布置
选用6芯光缆，其中2根为多模光纤，4根为单模光纤。多模光纤中的1根用于感测供热管道外壁面温度，另外1根用于感测管沟土壤温度，这两根光纤均属于分布式光纤感温测漏系统。单模光纤中的1根用于光纤井盖防盗系统，1根用于分布式光纤测振系统，其余2根分别作为通信及备用。 ②分布式光纤感温测漏系统 分布式光纤感温测漏系统采用的测温主机（布置在监控中心）测量长度为20 km，测温主机为8通道，其中2个通道分配给供水管道，2个通道分配给回水管道，另外4个通道作为备用。通过光缆将温度信号传回测温主机。 ③光纤井盖防盗系统 为实现热力井盖防盗，设置光纤井盖防盗系统。在每个热力井盖内安装弹簧开关，将光缆引至井盖下固定。井盖开关引起弹簧开关的振动，光纤感知振动，并将振动信号传回至振动监控主机（布置在监控中心）。 ④分布式光纤测振系统 分布式光纤测振系统由光纤、光纤测振仪等组成，实时感应外界振动信号，实现防挖掘功能。安装在监控中心的光纤测振仪通过光纤采集沿线管道的振动信号。 3.3  风光互补发电站 风光互补发电站主要为热力管道隧道内空气质量监测装置供电，以确保巡检及维修人员的生命安全。风光互补发电站由太阳能发电装置（光伏组件）、风力发电机组成，光伏组件和风力发电机分别经过控制器为蓄电池组进行充电，负载通过直流配电箱连接到控制器上，最终采用蓄电池对外供电。 主干线沿线共配置6座风光互补发电站，每座风光互补发电站均配置4块单块发电能力为165 W的多晶硅光伏组件，1台发电能力为300 W的风力发电机，2块12 V、250 A·h蓄电池。风光互补发电站外观见图2。拍摄时，风光互补发电站尚未安装光伏组件。 图2   风光互补发电站外观
3.4  监控中心 监控中心主要实现主干线相关数据的集中监控、分析及指导运行、故障诊断，各类数据可在大屏幕上进行显示。 系统软件简单易用，有良好的人机操作界面，以电子地图方式直观显示供热管道的具体位置及名称，能够准确定位故障点，指导检修工作。具有自检、标定和校正功能，可判断光纤故障点，便于维护。建立供热管道的历史数据档案，能根据历史数据预测分析供热管道在不同环境条件下的温度变化规律，有利于积累经验，为事故趋势分析提供依据。具有数据查询、备份、报表打印功能。 对长输热网供回水管道外壁面温度实施连续在线监测，实现低温或高温的早期预警，可根据需要设置、调整报警阈值。具有局域网络标准化通信接口，可接入企业其他业务系统，实现信息共享。系统支持远端监控和管理。 定位软件可实现对光缆线路进行坐标点标定（每500 m标定1次），并对站场、阀室、管道和光缆标示桩、行政村、厂区、公路和铁路与传感光缆线路交叉点、管道穿越点及拐点、光缆线路拐点、接头标桩、人（手）孔设置标定点，对有可能危害供热管道安全的区域或临时施工点增加临时标定点。定位软件可与可与地理信息系统（GIS）进行对接，管道发生泄漏位置可直接显示并实现准确定位。 4   结语
由于长输供热管道敷设位置偏远，因此主干线的泄漏监测、热力井盖防盗以及热力管道防挖掘成为供热单位的重点工作。长输热网光纤监测系统除以上功能外，还具备热力隧道内空气质量监测、热网故障定位、历史数据分析等功能，对保证长输热网安全运行起到保障作用。