深圳市天然气高压输配系统工程光缆管道安全预警系统方案_工程实践

摘要

摘要：介绍了深圳市天然气高压输配系统工程光缆管道安全预警系统应用方案。关键词：天然气高压输配系统；预警系统；光缆1 深圳市天然气高压输配系统工程深圳市天然气高压输配系

摘要：介绍了深圳市天然气高压输配系统工程光缆管道安全预警系统应用方案。

关键词：天然气高压输配系统；预警系统；光缆

1 深圳市天然气高压输配系统工程

深圳市天然气高压输配系统是西气动输二线的配套工程，是我市的重点工程，对我司的持续发展具有重大的意义。该系统将在深圳敷设约150km，口径为813mm(支线为518mm)运行压力为4.0MPa的燃气管道，年输气量40亿m³。

深圳市正处于经济高速发展的时期，动土建设工程众多，施工单位对燃气管道缺乏足够的安全认识，经常野蛮施工，管道受第三方破坏发生事故的危险性极高。由于天然气高压管道管径大、压力高，工程全线均在城市人口稠密地区敷设，一旦发生事故，后果不堪想象，据相关测算，如发生爆管事故，影响范围可达1500m。目前我市燃气管道预防外界破坏的保护方式有以下两种，其一是在管道上方埋设警示保护板，设置警示桩；其二是安排巡线检查人员定期沿管线巡检。这两种方式都是被动的、不连续的安全保护措施。怎样采用科技手段对高压管道实行有效的监测和保护，时刻掌握管道周围是否存在安全隐患，在最短的时间内发现、并制止破坏一直是我公司重点关注的课题。

2 光缆预警系统介绍

管道光缆预警系统是利用随天然气管道铺设的光缆对周围土壤的震动信号进行监测，通过软件分析得出震动源的特性得知周围环境是否存在危险的情况，提炼出有威胁的信号并发出报警信息，提醒值班人员及时安排人员前往震动地段核实，边被动发现为主动发现，将危险“屏蔽”在事故发生以前。

(1) 光缆预警原理介绍

光缆预警系统是利用光缆中光纤在受到震动后将按震动源的震动频率产生周期性细微的物理形变，形变导致内部通过的连续激光频率产生变化(即应力频移摄动)，将承载震动信息的激光经过反射/透射膜等光电设备就可还原震源音频信号，经过软件分析得出震动源的特性和位置，通过软件过滤出具有威胁性的震动源从而发出预警信息。

① 光纤震动感应原理

利用光缆中3根单模光纤，其中两根作为分布式传感器使用，用于拾取震动信号，第根作为传输光纤用于传输承载干涉信号的激光(如图1)。

光发射器发出的激光通过激光分配模块(即光耦合器)分成两束，一束光从激光相干模块(光干涉仪)左端入射，在干涉仪右端会合并通过传输光纤传回，形成一路干涉信号，另一束激光通过传输光纤从干涉仪右端输入，在干涉仪左端会合并形成第二路干涉信号，从而组成一个双向传输结构的干涉仪。两路干涉信号通过光接收器将光信号转换为电信号，在经过信号解调就可得到震动点的音频信号。分析这些震动信号的特征，使用模式识别等方法从中提取出对管道有威胁的信号，从而实现管道的安全预警。

② 震源位置的确定方法

设激光收发模块间的距离长度为L₀，两路信号的时延差为△t，光纤中光速为v(v=c/n，c为真空中的光速，n为光纤纤芯折射率)，则从震动点位置到干涉仪右端的距离L为：

L=1/2△t=c_t/2n

式中t——时延时间。

因此，可得到双向传输干涉仪两路干涉信号的时延差，从而实现对振动信号的精确定位。

(2)管道光缆安全预警系统智能分析软件

光缆安全预警系统之所以能够准确区分各类信号，得益于系统具有强大自学习功能的智能分析软件。系统安装后先进入自学习阶段，依据人工判断事件的原则，根据人工干预信号的方式形成自动模式识别，之后会自动分辨。系统对常见的震动事件，如铁路穿越点火车经过对地面的震动信号做为常规信号提示，对非常规信号如打孔、挖掘则发出报警。对于在人工学习中没有碰到的信号，系统会发出报警，之后依据人工处理的原则，系统会在再次遇到该类信号时依据上次原则作出相应的判断。

(3) 光缆预警系统特点

① 侦测距离长、范围宽、定位准确。每套光纤传感器可监测40～60km距离，可采用多套组合使用，系统可长距离的进行全程检测，总长度几乎不受限制。该系可对光缆沿线以光缆为中心周围直径4～6m以内的范围进行，侦测，定位精度为±100至±200m。

② 施工简单，安装方便。该系统使用3根光纤即可实现功能。光分配器和光干涉器体积小，可直接安装于任何位置，还可采取直接地埋形式，不会影响侦测效果。在通讯的同时便可执行监测任务，不影响通讯。主控器为一台工控机，可安装于自控机房机柜之内。

③ 独立运行，互不干扰。智能化的分析系统可独立分析每段监测部分的管道周围环境状况，可以提示将要发生的潜在威胁，报告震源确切位置。每套侦测设备可独立运行，任何一套出现故障不会干扰其他设备。

④ 高的灵敏度和强的抗干扰能力。该系统不受管道所处环境和气候影响，不管是铺设在喧闹的城市或工业区地下，还是静谧的荒野地下，也不受电磁波等外界干扰。

⑤ 使用寿命长，维护方便。该系统中最重要的是管道沿线的分布式传感光纤，光纤不氧化、生锈，柔韧度高，抗腐蚀，使用寿命可达几十年之久。光缆的使用寿命在20年以上，所以，该套系统最长使用寿命与光缆相同。

⑥ 系统接入性好，可实现报警联动。该系统由一部控制电脑、一部激光发射器和一部光纤振动传感器及光纤组成，可与其它安保技术设备如视频传播系统、声音报警器等配置兼容，遭受破坏的光纤只需焊接便可恢复工作。可方便的将报警信息接入SACAD系统和GIS系统，实现在SCADA系统监控平台上的统一检测管理和报警定位。

⑦ 具有强大的自学习功能。该系统能够对熟悉的各类信号进行分析判断，过滤出报警信号，还能够对以前未发生的信号进行学习。首次在人为干预的情况下可自动记录住新信号是否需要发出报警，在接下来后期发现同类信号时自控采取相同的处理方法。

⑧ 系统实时性强、可靠性高、稳定性好。因为监测介质是光纤，利用激光作为信号载体进行信号识取与分析，所以实时性强。光纤预警系统设备少，结构简单，维护方便，所以具有极高的稳定性与可靠性。

(4) 国内外应用

由于优点显著，光缆安全预警系统已逐渐得到了国内外管道运营企业的重视。美国纽约天然气公司几年前就应用该项技术来维护管道安全；中国石化塘燕线燕山至涿州段约27km；近几年我国中石油天然气管道通信电力工程总公司投入大量的资金和人力研究该项技术，目前已经达到实用阶段并在部分长输管道实施，如西气东输苏浙沪段实施了300km，阿独线实施了246km等。

3 深圳天然气高压输配系统工程的应用方案

深圳市天然气高压输配系统SCADA系统采取随燃气管道同沟敷设光缆的方式采集管道沿线场站阀室的监控信号，这给我们应用光纤管道安全预警系统提供了便利条件。我们可以利用光缆中富余的光纤作为管道安全预警系统的分布式传感器，实时侦测各种入侵信号，以此来预防第三方破坏事件的发生，时刻保护燃气管道的运营安全。

(1) 方案设计

深圳市天然气高压输配系统管道路由分布如图2。

考虑到分支较多，路由环回的情况，检测光纤长度可能达到180km以上，因此，初步计划将其划分为5个距离相差不多的区段(每段的长度控制在40km以内)，在每一区段设置一套“控制器”负责对本段光缆探测器的检测管理及自身系统运行机制的配置。“控制器”通过交换机将数据信息传递给总控制中心的管理单元，所有的事件信息的处理和与第三方设备的连接通讯由单元来执行。方案原理见图3。

参考“光缆总路由图”计划安排在中段和西段设置3台“控制器”，其中两台采用“背靠背”的方式来完成对“西段”和“中段”区域内震动光纤的检测。在东段的“坪山调压站”配备另外2台“控制器”，同样采用“背靠背”的方案共同完成整个东段区域内的光纤回路的检测。

利用铺设的备用光纤组建局域网，通过交换机把5台控制器接入，同时也将设置在“主调中心”内部监控中心的“CAMS单元”通过交换机接入整体系统来实现对前端5台控制器的集中管理，利用CAMS单元的电子地图功能来对防护目标进行实时监控。“光纤收发器”和“网络继电器”以及“CAMS单元”来实现前端管道现场其它设备的联动(图4)。

系统配置器材清单：

CAMS单元(软件) 1套

控制器(已包含工控机及配置软件) 5套

起始探测器 5套

末端探测器 5套

以上为必选器材，系统需要单独对“CAMS单元”配置一台PC。

其他辅助设备：包含光纤收发器、网络继电器、交换机等，完全可以利用SCADA系统中网络设备实现。

(2) 方案可行性分析

① 0技术可行性分析

首先，经过多年的技术发展，从光波中解析信号技术已十分成熟，国外已有近10年该项系统使用的经验。国内中石油中石化也在多处管线上进行了尝试，其效果还是比较理想。

第二，我们有实施光缆管道预警系统的基础条件，即拥有随燃气管道同沟敷设的光缆。为保证深圳市天然气高压输配系统SCADA系统数据传输的可靠性、稳定性、实时性，其主通讯介质在设计上采用光缆，全线采取随燃气管道同沟敷设方式，设计上缆管距离保持在0.5m左右，位置在管道侧上方。管道完全处于光缆震动检测所能包络的安全范围之中。

第三，方案中充分考虑了有效检测距离和支线路段增加的距离因素，所以霍尼韦尔产品方案中选择5套设备是合理的(中石油产品用4套可满足我们要求)。

② 经济分析

首先，该项技术利用已有光缆作为分布式传感器，节省了大量敷设光缆的费用。仅需花费系统设备及软件的费用，按估算：霍尼韦尔的系统约需2500万元，中石油的系统约需1000万元。

其次，采用该系统可以大大减少巡线人员工作量，有效提高工作效率。采用管道光缆预警系统后巡线可采取重点巡查的方式，没有必要全线巡检，使工作更有针对性，工作效率更高。

第三，本系统稳定性好，使用寿命长，维护费用低。从整个寿命期看，预警系统几乎可以看成一次性投资长期受益的项目。

(3) 系统缺点分析

① 目前高压SCADA系统光缆采用硅芯管形式，但光缆预警系统要求光缆最好是直埋形式。相比之下，直埋光缆在震动检测系统之中可以对管道泄露具有较高的灵敏度，两者在入侵检测方面效果几乎相同。从众多的管道安全事故分析结果看，造成的泄露原因主要是第三方破坏，因此防护重点还是要放在外界破坏，所以采用硅芯管保护了光缆自身的安全，就相当于提高了整个系统的可靠性。另外，套管光缆具有很好的维护性，方便破损光缆的修复与更换，能有效延长整个预警系统的使用寿命。

② 软件系统自学习期误报率较高。使用初期误报率会比较高，会造成现场人员工作量的增加。随着数据库的增加，误报率会逐渐变低。

③ 目前的定位精度还不够高。纠其原因这也和施工过程中光缆实际敷设长度、预留长度统计不可能完全准确有关，还和设备所能分辨的最小时间片有关(设备能够区分的时间片约小，光在该段时间走过的路程就越短，定位精度就越高)，这样会造成巡查工作人员巡查范围的增加。目前国内外采取的应对策略都是分段定位，即人为的设置多个特殊点，在系统中参照这些特殊点的实际位置来修正各震动点的距离信息，加以提高定位精度。

④ 可选商家少。据目前了解我国境内目前推广该系统的国外厂家只有霍尼韦尔，国内目前能够成功应用的只有中石油的产品，使用效果有待进一步考察。国内外同类产品性能比较详见表1。

表1 国内外同类产品性能比较

项目	国内中石油系统	国际产品 (以霍尼韦尔为例)
设备体积	较大，占用较大空间	较小，可机架安装
设备费用	现场设备约150万元一套，中心设备及软件系统约200万元	平均约500万元一套含软件系统
预警范围	光缆为中心直径6m	光缆为中心直径4m
定位精度	一般为200m	一般为100m
最大预警长度范围	60km	40km
泄露侦测功能	直埋光缆可实现定位监测	直埋光缆可实现定位监测

(4) 应用建议

① 光缆管道安全预警系统安全可靠，实施方便，能有效对管道运行时周边危险状态做出判断，对提高我司高压管道的安全管理水平有重大的意义，建议纳入集团立项。

② 光缆管道预警系统是利用随燃气管道同沟敷设光缆中富余光缆来实现实时侦测的，所以在前期光缆设计中要充分考虑预留芯数。目前我们已经要求光缆施工图设计单位为后期预警系统的实施设计预留余量，这项工作会造成光缆敷设工程项目费用增加约50万元，但考虑后期管道的安全，我们认为这项投资是值得的。

③ 由于本项技术在国内应用还处于初期阶段，对其使用情况建议进一步进行考察，对技术的进展重点关注。在高压工程整体竣工前最终确定意向单位和系统方案。

(本文作者：黄志伟深圳市燃气集团建设公司广东深圳 518054)