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刘大伟，陈霈佳，金树奎，等. 无源光纤激光泄漏监测系统在天然气管道的应用［J］. 煤气与热力，2023，43（7）：B30-B33.
1 概述
近几年，燃气事故时有发生。仅2023年第1季度，全国（不含港澳台）燃气事故共发生143起，造成16人死亡、79人受伤，其中较大事故2起。
通过管道输送天然气是现阶段城镇供气的主要方式之一，天然气管道会由于腐蚀、施工质量、管材质量、第三方破坏等原因发生泄漏［1-4］。如处理不及时，发生重大事故，会对人民生命及财产安全产生极大的威胁，造成极大的经济损失，进而产生极不利的社会影响。现有的燃气泄漏检测技术分为直接检测技术和间接检测技术，最常见的直接检测技术为空气取样法，该方法一般直接检测泄漏点处空气中天然气的含量，一旦空气中天然气含量高于设定值，监测器便会报警；间接检测技术一般通过检测天然气管道相关参数的改变，达到泄漏检测的目的。以上两种检测技术虽能检测出管道天然气的泄漏，但无法对管道泄漏位置较准确定位［5］。因此对燃气管道泄漏监测预警和准确定位进行研究具有较强的现实意义。本文以东北地区某城市高压天然气管道泄漏监测系统为实例，介绍了无源光纤激光泄漏监测系统在实际工程的应用。 2 工程概况 东北地区某城市高压天然气管道，管道长约60 km，设计压力为4.0 MPa，公称直径为700 mm。从该管道中选取敷设于该城市边缘且周边人口密度较高区域的管道作为监测段，对该段埋地管道采用无源光纤激光泄漏监测系统进行全方位泄漏监测。 无源光纤激光泄漏监测系统原理见图1。监控系统主机的激光发射单元发射检测激光，检测激光通过随管道敷设的光纤传输至与光纤连接的无源光感终端。当高压天然气管道泄漏天然气时，泄漏的天然气通过通气廊道传输至无源光感终端，无源光感终端里的激光照射到泄漏的天然气产生激光反射，反射激光通过光纤传输至监控系统主机，监控系统主机通过光谱分析单元对反射激光进行分析。由于激光光谱检测技术具有指纹性（一种分子结构仅对应一种波长的吸收谱线，如同人的指纹一样，具有特殊性），监控系统主机通过光谱分析单元能分析检测出泄漏天然气，继而将此信号传输至中心监控平台，实现高压天然气管道泄漏的实时监控。在监测段的焊缝、阀门及接头处均布置无源光感终端，可实现多路远距离探测，满足实时在线监测需求。为方便定位泄漏点，对每个无源光感终端用无源电子标签进行一对一编码。工作人员可通过中心监控平台实时监测高压天然气管道，一旦发现泄漏，利用无源电子标签可较为准确地定位燃气泄漏点，大大缩短了反应时间。无源光感终端为纯光学设备，无需电源，通过光纤与监控系统主机连接，布置在管道焊缝、绝缘接头及其他易泄漏处，见图2。监控系统主机包括激光发射单元和光谱分析单元，前者主要负责发射检测激光，控制检测激光信号的质量与波长稳定；后者负责分析由无源光感终端传回的反射激光信息，进而得到泄漏天然气的体积分数，并向中心监控平台传送相关信息，见图3。监控系统主机布置在沿线高-中压调压站内。中心监控平台主要负责实时显示监测数据，当有天然气泄漏时进行报警，并可以对历史监测数据进行存储、查取及分析。中心监控平台布置于沿线高-中压调压站内。选取该高压天然气管道沿线经过住宅密集区（四级地区）的管段作为天然气泄漏监测段，该监测段长约9.1 km，沿线有1#和2#两座高-中压调压站。无源光感终端的安装见图4，在监测段的每一处易泄漏部位（如焊缝、接头）外安装包覆物，将易泄漏部位完全包裹。该包覆物与高压天然气管道之间留有一定空隙，用埋地导气管（PVC管，公称外径20 mm）连接相邻空隙形成通气廊道。在通气廊道上可安装无源光感终端，无源光感终端与包覆物之间通过异径三通连接，异径三通的主管与包覆物及通气廊道连接，无源光感终端垂直安装于异径三通的支管上，最后利用专用粘弹体冷缠带将异径三通、无源光感终端及包覆物固定在天然气管道上。图4中为突出无源光感终端，对异径三通支管进行了放大。光纤为一条多芯结构，连接无源光感终端与监控系统主机，用于传递检测激光和反射激光，其最远传输距离可达10 km。无源光纤激光泄漏监测系统的光纤布局及信号传输见图5。由图5可知检测激光和反射激光的传输方向。考虑到光纤本身的特性，每盘光纤的长度为2 km，光纤接续时需要设置接续盒，保证信息传输的稳定性。考虑到现场施工条件，每2 km光纤之内也会有若干接续盒，每个接续盒通过光纤与无源光感终端连接。图5 无源光纤激光泄漏监测系统的光纤布局及信号传输监测段共有4个绝缘接头、758个焊缝，每个接头或焊缝外安装包覆物，但不是每个接头或焊缝处都设置无源光感终端。监测段共设置了182个无源光感终端、778处包覆物。所有包覆物通过通气廊道连通，进而保证没有设置无源光感终端的焊缝或接头位置泄漏时也能被检测到。常规的天然气管道泄漏检测一般采取人工巡检方式，每年需要大量的巡检人员付出高强度的劳动，需要投入高昂的巡检费用。而采用无源光纤激光泄漏监测系统，可节省大量人工巡检费用，且使用寿命理论上与天然气管道相同，无需定期标定。采用无源光纤激光泄漏监测系统，可以对天然气泄漏实时在线监测，及时发现微小泄漏并预警，有更长的处置响应时间，杜绝微泄漏发展为大泄漏而造成严重事故。采用无源光纤激光泄漏监测系统，可以显著提高天然气管道沿线人员、设施的安全程度。将无源光纤激光泄漏监测系统运用到高压天然气管道中，具有良好的示范效应，有利于燃气行业泄漏监测技术装备的革新与升级，加快激光气体监测设备的推广。［2］张志远，吉家增. 对输气管道泄漏检测技术研究［J］. 石化技术，2018（10）：44，66.［3］孙晓皙. 输气管道泄漏检测技术研究［J］. 石化技术，2017（9）：70.［4］张威. 长距离输油气管道泄漏监测与准实时检测技术及应用问题探讨［J］. 中国石油和化工标准与质量，2021（6）：63-65.［5］李爱英，王凯全，邵辉. 管道泄漏监测技术及其研究进展［J］. 江苏石油化工学院学报，2002（4）：14-17.
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