摘要：介紹了深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程光纜管道安全預警系統(tǒng)應用方案。
關鍵詞：天然氣高壓輸配系統(tǒng)；預警系統(tǒng)；光纜
1 深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程
深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)是西氣動輸二線的配套工程，是我市的重點工程，對我司的持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。該系統(tǒng)將在深圳敷設約150km，口徑為813mm(支線為518mm)運行壓力為4.0MPa的燃氣管道，年輸氣量40億m3。
深圳市正處于經濟高速發(fā)展的時期，動土建設工程眾多，施工單位對燃氣管道缺乏足夠的安全認識，經常野蠻施工，管道受第三方破壞發(fā)生事故的危險性極高。由于天然氣高壓管道管徑大、壓力高，工程全線均在城市人口稠密地區(qū)敷設，一旦發(fā)生事故，后果不堪想象，據(jù)相關測算，如發(fā)生爆管事故，影響范圍可達1500m。目前我市燃氣管道預防外界破壞的保護方式有以下兩種，其一是在管道上方埋設警示保護板，設置警示樁；其二是安排巡線檢查人員定期沿管線巡檢。這兩種方式都是被動的、不連續(xù)的安全保護措施。怎樣采用科技手段對高壓管道實行有效的監(jiān)測和保護，時刻掌握管道周圍是否存在安全隱患，在最短的時間內發(fā)現(xiàn)、并制止破壞一直是我公司重點關注的課題。
2 光纜預警系統(tǒng)介紹
管道光纜預警系統(tǒng)是利用隨天然氣管道鋪設的光纜對周圍土壤的震動信號進行監(jiān)測，通過軟件分析得出震動源的特性得知周圍環(huán)境是否存在危險的情況，提煉出有威脅的信號并發(fā)出報警信息，提醒值班人員及時安排人員前往震動地段核實，邊被動發(fā)現(xiàn)為主動發(fā)現(xiàn)，將危險“屏蔽”在事故發(fā)生以前。
(1) 光纜預警原理介紹
光纜預警系統(tǒng)是利用光纜中光纖在受到震動后將按震動源的震動頻率產生周期性細微的物理形變，形變導致內部通過的連續(xù)激光頻率產生變化(即應力頻移攝動)，將承載震動信息的激光經過反射/透射膜等光電設備就可還原震源音頻信號，經過軟件分析得出震動源的特性和位置，通過軟件過濾出具有威脅性的震動源從而發(fā)出預警信息。
① 光纖震動感應原理
利用光纜中3根單模光纖，其中兩根作為分布式傳感器使用，用于拾取震動信號，第根作為傳輸光纖用于傳輸承載干涉信號的激光(如圖1)。
光發(fā)射器發(fā)出的激光通過激光分配模塊(即光耦合器)分成兩束，一束光從激光相干模塊(光干涉儀)左端入射，在干涉儀右端會合并通過傳輸光纖傳回，形成一路干涉信號，另一束激光通過傳輸光纖從干涉儀右端輸入，在干涉儀左端會合并形成第二路干涉信號，從而組成一個雙向傳輸結構的干涉儀。兩路干涉信號通過光接收器將光信號轉換為電信號，在經過信號解調就可得到震動點的音頻信號。分析這些震動信號的特征，使用模式識別等方法從中提取出對管道有威脅的信號，從而實現(xiàn)管道的安全預警。
② 震源位置的確定方法
設激光收發(fā)模塊間的距離長度為L0，兩路信號的時延差為△t，光纖中光速為v(v=c/n，c為真空中的光速，n為光纖纖芯折射率)，則從震動點位置到干涉儀右端的距離L為：
L=1/2△t=ct/2n
式中t——時延時間。
因此，可得到雙向傳輸干涉儀兩路干涉信號的時延差，從而實現(xiàn)對振動信號的精確定位。
(2)管道光纜安全預警系統(tǒng)智能分析軟件
光纜安全預警系統(tǒng)之所以能夠準確區(qū)分各類信號，得益于系統(tǒng)具有強大自學習功能的智能分析軟件。系統(tǒng)安裝后先進入自學習階段，依據(jù)人工判斷事件的原則，根據(jù)人工干預信號的方式形成自動模式識別，之后會自動分辨。系統(tǒng)對常見的震動事件，如鐵路穿越點火車經過對地面的震動信號做為常規(guī)信號提示，對非常規(guī)信號如打孔、挖掘則發(fā)出報警。對于在人工學習中沒有碰到的信號，系統(tǒng)會發(fā)出報警，之后依據(jù)人工處理的原則，系統(tǒng)會在再次遇到該類信號時依據(jù)上次原則作出相應的判斷。
(3) 光纜預警系統(tǒng)特點
① 偵測距離長、范圍寬、定位準確。每套光纖傳感器可監(jiān)測40～60km距離，可采用多套組合使用，系統(tǒng)可長距離的進行全程檢測，總長度幾乎不受限制。該系可對光纜沿線以光纜為中心周圍直徑4～6m以內的范圍進行，偵測，定位精度為±100至±200m。
② 施工簡單，安裝方便。該系統(tǒng)使用3根光纖即可實現(xiàn)功能。光分配器和光干涉器體積小，可直接安裝于任何位置，還可采取直接地埋形式，不會影響偵測效果。在通訊的同時便可執(zhí)行監(jiān)測任務，不影響通訊。主控器為一臺工控機，可安裝于自控機房機柜之內。
③ 獨立運行，互不干擾。智能化的分析系統(tǒng)可獨立分析每段監(jiān)測部分的管道周圍環(huán)境狀況，可以提示將要發(fā)生的潛在威脅，報告震源確切位置。每套偵測設備可獨立運行，任何一套出現(xiàn)故障不會干擾其他設備。
④ 高的靈敏度和強的抗干擾能力。該系統(tǒng)不受管道所處環(huán)境和氣候影響，不管是鋪設在喧鬧的城市或工業(yè)區(qū)地下，還是靜謐的荒野地下，也不受電磁波等外界干擾。
⑤ 使用壽命長，維護方便。該系統(tǒng)中最重要的是管道沿線的分布式傳感光纖，光纖不氧化、生銹，柔韌度高，抗腐蝕，使用壽命可達幾十年之久。光纜的使用壽命在20年以上，所以，該套系統(tǒng)最長使用壽命與光纜相同。
⑥ 系統(tǒng)接入性好，可實現(xiàn)報警聯(lián)動。該系統(tǒng)由一部控制電腦、一部激光發(fā)射器和一部光纖振動傳感器及光纖組成，可與其它安保技術設備如視頻傳播系統(tǒng)、聲音報警器等配置兼容，遭受破壞的光纖只需焊接便可恢復工作?？煞奖愕膶缶畔⒔尤隨ACAD系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)監(jiān)控平臺上的統(tǒng)一檢測管理和報警定位。
⑦ 具有強大的自學習功能。該系統(tǒng)能夠對熟悉的各類信號進行分析判斷，過濾出報警信號，還能夠對以前未發(fā)生的信號進行學習。首次在人為干預的情況下可自動記錄住新信號是否需要發(fā)出報警，在接下來后期發(fā)現(xiàn)同類信號時自控采取相同的處理方法。
⑧ 系統(tǒng)實時性強、可靠性高、穩(wěn)定性好。因為監(jiān)測介質是光纖，利用激光作為信號載體進行信號識取與分析，所以實時性強。光纖預警系統(tǒng)設備少，結構簡單，維護方便，所以具有極高的穩(wěn)定性與可靠性。
(4) 國內外應用
由于優(yōu)點顯著，光纜安全預警系統(tǒng)已逐漸得到了國內外管道運營企業(yè)的重視。美國紐約天然氣公司幾年前就應用該項技術來維護管道安全；中國石化塘燕線燕山至涿州段約27km；近幾年我國中石油天然氣管道通信電力工程總公司投入大量的資金和人力研究該項技術，目前已經達到實用階段并在部分長輸管道實施，如西氣東輸蘇浙滬段實施了300km，阿獨線實施了246km等。
3 深圳天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程的應用方案
深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)采取隨燃氣管道同溝敷設光纜的方式采集管道沿線場站閥室的監(jiān)控信號，這給我們應用光纖管道安全預警系統(tǒng)提供了便利條件。我們可以利用光纜中富余的光纖作為管道安全預警系統(tǒng)的分布式傳感器，實時偵測各種入侵信號，以此來預防第三方破壞事件的發(fā)生，時刻保護燃氣管道的運營安全。
(1) 方案設計
深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)管道路由分布如圖2。
考慮到分支較多，路由環(huán)回的情況，檢測光纖長度可能達到180km以上，因此，初步計劃將其劃分為5個距離相差不多的區(qū)段(每段的長度控制在40km以內)，在每一區(qū)段設置一套“控制器”負責對本段光纜探測器的檢測管理及自身系統(tǒng)運行機制的配置。“控制器”通過交換機將數(shù)據(jù)信息傳遞給總控制中心的管理單元，所有的事件信息的處理和與第三方設備的連接通訊由單元來執(zhí)行。方案原理見圖3。
參考“光纜總路由圖”計劃安排在中段和西段設置3臺“控制器”，其中兩臺采用“背靠背”的方式來完成對“西段”和“中段”區(qū)域內震動光纖的檢測。在東段的“坪山調壓站”配備另外2臺“控制器”，同樣采用“背靠背”的方案共同完成整個東段區(qū)域內的光纖回路的檢測。
利用鋪設的備用光纖組建局域網(wǎng)，通過交換機把5臺控制器接入，同時也將設置在“主調中心”內部監(jiān)控中心的“CAMS單元”通過交換機接入整體系統(tǒng)來實現(xiàn)對前端5臺控制器的集中管理，利用CAMS單元的電子地圖功能來對防護目標進行實時監(jiān)控。“光纖收發(fā)器”和“網(wǎng)絡繼電器”以及“CAMS單元”來實現(xiàn)前端管道現(xiàn)場其它設備的聯(lián)動(圖4)。
系統(tǒng)配置器材清單：
CAMS單元(軟件) 1套
控制器(已包含工控機及配置軟件) 5套
起始探測器 5套
末端探測器 5套
以上為必選器材，系統(tǒng)需要單獨對“CAMS單元”配置一臺PC。
其他輔助設備：包含光纖收發(fā)器、網(wǎng)絡繼電器、交換機等，完全可以利用SCADA系統(tǒng)中網(wǎng)絡設備實現(xiàn)。
(2) 方案可行性分析
① 0技術可行性分析
首先，經過多年的技術發(fā)展，從光波中解析信號技術已十分成熟，國外已有近10年該項系統(tǒng)使用的經驗。國內中石油中石化也在多處管線上進行了嘗試，其效果還是比較理想。
第二，我們有實施光纜管道預警系統(tǒng)的基礎條件，即擁有隨燃氣管道同溝敷設的光纜。為保證深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒎€(wěn)定性、實時性，其主通訊介質在設計上采用光纜，全線采取隨燃氣管道同溝敷設方式，設計上纜管距離保持在0.5m左右，位置在管道側上方。管道完全處于光纜震動檢測所能包絡的安全范圍之中。
第三，方案中充分考慮了有效檢測距離和支線路段增加的距離因素，所以霍尼韋爾產品方案中選擇5套設備是合理的(中石油產品用4套可滿足我們要求)。
② 經濟分析
首先，該項技術利用已有光纜作為分布式傳感器，節(jié)省了大量敷設光纜的費用。僅需花費系統(tǒng)設備及軟件的費用，按估算：霍尼韋爾的系統(tǒng)約需2500萬元，中石油的系統(tǒng)約需1000萬元。
其次，采用該系統(tǒng)可以大大減少巡線人員工作量，有效提高工作效率。采用管道光纜預警系統(tǒng)后巡線可采取重點巡查的方式，沒有必要全線巡檢，使工作更有針對性，工作效率更高。
第三，本系統(tǒng)穩(wěn)定性好，使用壽命長，維護費用低。從整個壽命期看，預警系統(tǒng)幾乎可以看成一次性投資長期受益的項目。
(3) 系統(tǒng)缺點分析
① 目前高壓SCADA系統(tǒng)光纜采用硅芯管形式，但光纜預警系統(tǒng)要求光纜最好是直埋形式。相比之下，直埋光纜在震動檢測系統(tǒng)之中可以對管道泄露具有較高的靈敏度，兩者在入侵檢測方面效果幾乎相同。從眾多的管道安全事故分析結果看，造成的泄露原因主要是第三方破壞，因此防護重點還是要放在外界破壞，所以采用硅芯管保護了光纜自身的安全，就相當于提高了整個系統(tǒng)的可靠性。另外，套管光纜具有很好的維護性，方便破損光纜的修復與更換，能有效延長整個預警系統(tǒng)的使用壽命。
② 軟件系統(tǒng)自學習期誤報率較高。使用初期誤報率會比較高，會造成現(xiàn)場人員工作量的增加。隨著數(shù)據(jù)庫的增加，誤報率會逐漸變低。
③ 目前的定位精度還不夠高。糾其原因這也和施工過程中光纜實際敷設長度、預留長度統(tǒng)計不可能完全準確有關，還和設備所能分辨的最小時間片有關(設備能夠區(qū)分的時間片約小，光在該段時間走過的路程就越短，定位精度就越高)，這樣會造成巡查工作人員巡查范圍的增加。目前國內外采取的應對策略都是分段定位，即人為的設置多個特殊點，在系統(tǒng)中參照這些特殊點的實際位置來修正各震動點的距離信息，加以提高定位精度。
④ 可選商家少。據(jù)目前了解我國境內目前推廣該系統(tǒng)的國外廠家只有霍尼韋爾，國內目前能夠成功應用的只有中石油的產品，使用效果有待進一步考察。國內外同類產品性能比較詳見表1。
表1 國內外同類產品性能比較
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項目
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國內中石油系統(tǒng)
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國際產品
(以霍尼韋爾為例)
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設備體積
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較大，占用較大空間
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較小，可機架安裝
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設備費用
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現(xiàn)場設備約150萬元一套，中心設備及軟件系統(tǒng)約200萬元
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平均約500萬元一套含軟件系統(tǒng)
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預警范圍
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光纜為中心直徑6m
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光纜為中心直徑4m
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定位精度
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一般為200m
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一般為100m
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最大預警長度范圍
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60km
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40km
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泄露偵測功能
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直埋光纜可實現(xiàn)定位監(jiān)測
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直埋光纜可實現(xiàn)定位監(jiān)測
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(4) 應用建議
① 光纜管道安全預警系統(tǒng)安全可靠，實施方便，能有效對管道運行時周邊危險狀態(tài)做出判斷，對提高我司高壓管道的安全管理水平有重大的意義，建議納入集團立項。
② 光纜管道預警系統(tǒng)是利用隨燃氣管道同溝敷設光纜中富余光纜來實現(xiàn)實時偵測的，所以在前期光纜設計中要充分考慮預留芯數(shù)。目前我們已經要求光纜施工圖設計單位為后期預警系統(tǒng)的實施設計預留余量，這項工作會造成光纜敷設工程項目費用增加約50萬元，但考慮后期管道的安全，我們認為這項投資是值得的。
③ 由于本項技術在國內應用還處于初期階段，對其使用情況建議進一步進行考察，對技術的進展重點關注。在高壓工程整體竣工前最終確定意向單位和系統(tǒng)方案。
(本文作者：黃志偉 深圳市燃氣集團建設公司 廣東深圳 518054)
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