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分布式光纖測溫系統熱力管道光纖在線檢漏
查看:581  發稿日期:2018-06-30 18:16:52

分布式光纖測溫系統

——熱力管道光纖在線檢漏

20世紀50年代,國外一些供熱技術發達國家,如瑞典、丹麥、芬蘭、德國等,已經采用直埋敷設方式代替傳統的管溝敷設方式,他們擁有從直埋供熱管道設計、生產制造、施工驗收、監測、運行燈一系列完整成熟的技術標準和措施。直埋敷設方式具有節約能源、造價低、占地少、施工方便等優點,近年來在我國也得到迅速發展。為了保證熱網安全可靠運行,隨時掌握熱網的運行情況,就需要在熱網中設置監測系統。對于直埋熱網,一些國家已經推廣使用熱網泄露監測系統。供熱管道的泄露易導致大量的水和熱能的損失,降低供熱系統的輸送效率。供熱管道泄露的主要原因有管道疲勞破壞、管段之間焊接質量不高、管道內部壓力超過其承受范圍、保溫層進水導致鋼管腐蝕破壞等。隨著光纖測溫技術的發展,已經能夠用光纖測溫技術采用的傳感光纖具有體積小、重量輕、結構簡單、使用方便、耐高壓高溫和抗電磁干擾,系統安全可靠,在長距離測試中具有高靈敏度。

分布式光纖測溫系統正式利用該技術的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術產品,它不僅具有普通光纖傳感器的優點,還具有對光纖沿線各點溫度的分布式傳感能力,光纖即是傳輸信息的導體,又是分布式測量的傳感器。它能夠連續測量光纖沿線所在處的溫度,可對測量距離最大在20公里的范圍,空間定位精度達到0.4米的數量級,進行不間斷的自動測量,特別適用于需要大范圍多點測量的應用場合。

分布式光纖測溫系統,具有精度高、數據傳輸及讀取速度快、自適應性能好、安裝維護方便等優點。各項指標達到國際先進水平,其優異的性能、合理的價格,將會對各種復雜工作現場的安全監控工作帶來極大的方便和效率。該系統采用的光纖不帶電,抗射頻和電磁干擾,防燃、防爆、抗腐蝕、耐高溫和強電磁場、抗電磁輻射,能在有害環境中長期安全運行。將一條數公里乃至數十公里長的光纖(光纖既是傳輸媒體,又是傳感媒體)敷設到待測空間,可連續測量、準確定位整條光纖所處空間各個點的溫度,通過光纖上的溫度的變化來檢測出光纖所處環境變化,廣泛應用在石油化工、國防軍事、民用等諸多需要長期實時安全監測領域

一、 測量系統工作原理

熱力管道光纖在線檢漏系統是一套以分布式光纖傳感系統為核心的自動 測控”系統,是運用了現代光學、現代傳感器、自動測量及控制和計算機等高新技術以及相關的專用分析軟件和通訊網絡所組成的一個綜合性在線自動監測體系,是對長距離熱力管線安全運行狀態進行實時快速監測的數字化管理平臺和泄漏監測自動報警系統。

DTS系統采用的是一種先進的拉曼光時域分析光纖測溫技術,其具有定位精確,測量精度高,測溫精度不受光纜應力變形影響等特點

分布式光纖DTS測溫系統是依據后向拉曼(Raman)散射效應:激光脈沖與光纖分子相互作用, 發生散射,散射有多種,其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動,它會產生一個比光源波長長的斯托克斯光(Stokes)和一個比光源波長短的反斯托克斯光(Anti-Stokes),反斯托克斯光信號的強度與溫度有關,斯托克斯光信號與溫度無關。從光波導內任何一點的反斯托克斯光信號和斯托克斯光信號強度的比例中,可以得到該點的溫度。利用光時域反射技術(OTDR)技術通過光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些熱點進行定位。利用這一原理可以實現對沿光纖溫度場的分布式測量。

 

分布式測溫原理

由于分布式光纖DTS測溫系統的感溫元件和信號傳輸線全部為光纖,所以現場不供電,不受電磁干擾和雷擊損壞,本安防爆,因此更加安全、可靠,使用壽命可達到25年以上。

二、 技術優勢

與傳統傳感器相比較,具有許多天然的優勢,主要包括:

1. 連續分布式測量

分布式光纖傳感器是真正的分布式測量,可以連續的得到沿著探測光纜幾十公里的測量信息,誤報和漏報率大大降低,同時實現實時監測。

2. 抗電磁干擾,實現現場無電檢測

光纖本身是石英材料組成的,完全的電絕緣;同時光纖傳感器的信號是以光信號為載體的,本征安全,不受任何外界電磁環境的干擾。可以不帶電進場,因而消除了在含可燃混合氣體的區域可能造成的產生電火花的危險性,可實現現場無電檢測,本質安全。

3. 本征防雷

雷電經常破壞大量電測傳感器。光纖傳感器由于完全的電絕緣,可以抵抗高電壓和高電流的沖擊

4. 測量距離遠,適于遠程監控

光纖的兩個突出優點就是傳輸數據量大和損耗小,在無需中繼的情況下,可以實現幾十公里的遠程監測。

5. 靈敏度高,測量精度高

理論上大多數光纖傳感器的靈敏度和測量精度都優于一般的傳感器,實際已成熟的產品也證明了這一點。

6. 壽命長、成本低、系統簡單

光纖的材料一般皆為石英玻璃,其具有不腐蝕、耐火、耐水及壽命長的特性,通常可以服役30年。綜合考慮傳感器的自身成本以及以后的維護費用,使用光纖傳感器可以大大降低整個工程的最終經營成本,該監測系統屬于熱力管道檢漏較理想的技術裝備。

分布式光纖測溫技術與傳統測溫方式的比較

比較內容

分布式光纖測溫系統

傳統測溫方式

報警方式

可綜合利用設置多級溫度報警、溫升速率、溫升趨勢來進行連續監測,可在任何時間準確顯示任何一點的溫度狀態

固定溫度報警點,被動等待設定的報警溫度,報警往往較為延遲

事故判斷

智能化的系統,準確及時判斷溫度變化的類型,顯示事故點溫度讀數及位置

無附件特點裝置時,不能準確確定事故點位置,只能判斷大致區域,無法反應溫度情況

使用及維護

長距離監測,用一根光纖即可完場,利用軟件分區,系統非常簡單可靠,易維護

監測長度有限,多路布線分區,系統相當復雜,故障率高,難以維護

長期使用

達到報警點后,利用軟件復位,不損傷光纖,并因其材料特殊,壽命極長

報警后系統損傷,不可重復使用,以及采用的材料的原因,使其壽命較短

安全性可靠性

不受電磁干擾,綜合智能判斷,無誤報。因其不帶電,故使用于特殊危險場合

因電磁的干擾等諸多因素的緣故,經常產生誤報并因其帶電,不適應與特殊危險場合

安裝

安裝非常簡單,可安裝帶縫隙、漫步孔、高電壓、強電磁場、高溫、高壓強、有毒、易燃、易爆、腐蝕性環境

安裝相當復雜,對被測設備容易造成損害,擴容難度大

傳感器分布特性

檢測點連續,可以全面檢測監測對象的各點情況,檢測范圍大

檢測點間斷,只有傳感器接觸到的點,才能被檢測,檢測范圍小

探頭

探測光纜,不怕干擾,不怕高壓,沒有擊穿、燒毀等擔心

電子傳感器,有電路通道,極易受電磁干擾,對于高壓設備的絕緣要求特別高,檢修維護難度很大

檢測信號輸出

光信號,不受電力設備的電磁干擾

弱點信號,極易受到電磁干擾

信號通道

光信號,探頭與信號通道一體,不怕干擾,不怕高壓

電路,對與高壓設備的絕緣要求特別高,檢修維護很難

信號處理技術

檢測:光電技術;傳輸:光信號;處理:高速數字技術

檢測:模擬信號;傳輸:弱點信號;處理:數字信號

系統可靠性

高,取決于主機

低,受探頭、信號傳輸通道、主機等全部設備影響

其他特點

不帶電,抗射頻和電磁干擾、防燃、防爆、防腐蝕、耐高壓和強電磁場、耐輻射、能在各種有害環境中工作

技術落后

三、 系統和主要設備性能及技術指標

5.1熱力管道光纖在線檢漏系統性能參數

光纖傳感分析儀

4

感溫光纜規格

不銹鋼套管多功能感測光纖

光纜長度

每通道最長可至20km

單通道測量時間

5秒(4公里)

4通道測量時間

12

溫度分辨率

0.1

測溫精度

±1

空間分辨率

1m

光纜通道數

2通道,可擴展至多通道

主機工作溫度要求

-1050

主機工作濕度要求

<95%RH

主機電源電壓

AC220V/50Hz

主機通訊接口

100M以太網口/USB

配套操作系統

Windows2000及以上版本

配套工控機

CPU:雙核,2.8G以上;2G內存,硬盤:250G

5.2光纖傳感分析儀性能參數

產品型號:DSC-DTS-4K-2C

主要技術性能:

項    目

單 位

參   數   值

測溫距離

km

4公里

測溫范圍

-1090

溫度分辨率

0.1

測溫精度

±1

單通道測溫時間

s

1/公里

空間分辨率

m

1米(0.50.25可選)

定位精度

m

1

通道數

-

2

系統軟件

-

WINDOWS2000及以上版本

通信接口

-

/USB/RS232/GPRS可選

報警分區數

可軟件設定

系統工作溫度

-10 +50

電源輸入

AC

180240V/50±5 Hz

5.3 不銹鋼套管多功能感測光纖

 

不銹鋼套管多功能感測光纖出廠照片

 

不銹鋼套管多功能感測光纖現場照片

主要技術性能:

不銹鋼管外徑

Φ2.55±0.05mm

不銹鋼管壁厚

0.25±0.02mm

光纖單元芯數及類型

2芯互備份多模感溫光纖

光纖單元余長

(0.25-0.35)%

管內填充物

觸變型纖膏

長期耐溫

-50~100

短期無損傷耐溫

120℃

四、 熱力管道光纖在線檢漏系統方案設計

6.1 系統構成圖

系統包括光纖傳感分析儀感溫光纜傳輸網絡及工業計算機、監控軟件等構成系統構成示意圖如下所示:

 

管道在線檢漏系統圖

中,光纖傳感分析儀和工業計算機放在現場站內通過現場站內的局域網監控中心及遠程用戶連接,也可通過無線通信互聯。光纖傳感分析儀引出傳感光纜,光纜緊貼供熱管道頂部直線鋪設,通過在線監測管道溫度來實現對供熱管道泄漏的實時檢測分布式光纖氫氣自動監測系統主要由光纖氫氣傳感器、光纖傳感分析儀、數據服務器、信息管理系統軟件和信號傳輸光纖、聲光報警器、短信報警器。

6.2 熱力管道光纖在線檢漏系統工程安裝要求

1熱力管道光纖在線檢漏系統中的光纖傳感分析儀正常運行需要放置在具備供電條件的現場站房或儀表操作室內(可利用廠區已有建筑物):

溫度范圍在攝氏-1050度。

2)站房必須有防雷措施。

3)站房內設置有220V/50HZ的電源插座23個,以備各儀器設備所需。

4)為防止電壓波動,突然斷電等可能導致儀器故障的情況發生,站房內需配備穩壓裝置,建議使用UPS電源。

5)感溫光纖緊貼供熱管道的頂部安裝并通過膠帶、捆扎等方式在填土前可靠固定,避免直角彎、折,減少光纖敷設導致的傳輸損耗。在局部穿越段單獨敷設的情況下,必須進行穿管保護。

6)每根感溫光纖上的最大熔接點不得超過10個,最好控制在5個左右。

7)站房內的光纖傳感分析儀需有專用的網線一條,用于遠程連接。在現場沒有局域網的場合,可直接采用光纖將監測信息和報警信號傳輸到控制室。

6.3 熱力管道光纖在線檢漏系統工程安裝要求

緊貼供熱管種下部敷設,可采用不銹鋼捆扎固定方式,如下圖所示:

現場施工照片

五、 軟件功能及界面

熱力管道光纖在線檢漏系統系統功能

采用的長距離分布式光纖溫度傳感系統(DTS),對XX工程項目的雙線管道進行實時溫度監測和泄漏在線檢測,一旦發現所測量溫度值超過標準設定報警溫度上限時,或者溫度變化速率超過設定值,長距離分布式光纖溫度傳感系統(DTS將直接通過通訊的方式把實時溫度報警信號(聲光、短信、語音、WEB頁面、報警上報信息)送到監控系統及相關值班人員,并在電子地圖上直觀顯示出泄漏點的地理位置信息,從而實現對供熱管道的全方位安全監管。

主要功能如下:

電子地圖顯示功能

可顯示全程分區圖及其溫度分布曲線;可顯示系統監測曲線、系統參數;可顯示重點監測點的溫度隨時間變化曲線。

光纖分布式溫度監測系統的采集文件被轉換并輸出到文件夾中。表格的每一欄都代表了供熱管道一個地理位置點的不同溫度值。每一行都顯示了一個獲取數據的空間溫度曲線分布。不同的獲取的數據點的空間分辨率是1米。以這個表格為基礎,繪制兩種類型的圖表用做進一步的分析一種是顯示光纜線路上溫度與空間分布曲線圖,另一種顯示某一特定點的溫度隨時間變化曲線圖

 

報警功能

具有定溫報警(設定最大溫度/最低溫度值)、差溫報警(實時溫度與平均溫度差別過大,用于判別局部過熱點)、溫升過快報警、光纖破壞報警、裝置異常等報警功能;可手機短消息報警,報警分工作級和管理級兩層,按照事件的重要級別發送到工作層人員和管理層人員;

分區測量

能對測量區域在長度上進行分區,至少可分為180個區,對某些區域進行局部重點監測和分區報警;

查詢功能

可以查詢歷史數據并顯示或打印歷史曲線;可以在系統圖上直接查詢設備信息、運行參數、統計信息等;

分析功能

歷史趨勢顯示,對未來趨勢進行評估,提供檢修參考信息;

報表功能

提供強大的數據庫保存功能,可提供實時數據表、歷史數據及統計報表、報警一覽表等;

web網絡發布與瀏覽功能

可實現局域網內的可提供web瀏覽功能,使在局域網中的任何計算機,經授權均能瀏覽各類曲線、報表和實時圖形;

記錄及打印功能

打印運行日志;

打印日、月溫度峰值表;

事故記錄查詢打印;

操作記錄查詢打印;

溫度曲線、圖形打印。

系統能對事故和操作過程進行記錄,形成相應的文字或者圖表,主要包括以下內容:

① 故障歷史記錄表

② 熱泄漏事故歷史資料記錄表

③ 故障及事故處理提示表

值班人員可以打印當日最新自檢情況以及聯控主機中所存儲的任意圖形、表格和文字歷史資料。

六、 位置校準

安裝過程中由于光纖的松弛使得管道的實際距離與光纖的長度并不吻合,所以需要距離校準,確定光纖的長度與管道距離的準確關系。在施工過程中分別對管線的起點、中點、末點及其他重要位置的光纖加熱,進行位置校準,或在施工現在根據客戶的要求及實際情況對光纖長度進行校準,這樣就可以得到對應的光纖長度。方便以后對泄露點的準確定位和快速查找。



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