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分布式光纤传感热网应用研究报告武汉德威工程技术有限公司2012年5月分布式光纤传感热网应用研究报告1.概述光纤传感技术是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术，是近年来国际上发展最快的高科技应用技术之一，代表了新一代传感技术的发展趋势。当光波在光纤中传播时，若光纤受到外界环境因素的影响，那么光波的某些物理参数（如强度、波长、频率、相位等）会发生变化，获取光波的各个参数就可以确定外界环境（应变、温度等）。图1光纤传感原理示意图分布式光纤传感技术是在20世纪70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中应用十分广泛的光时域反射（OTDR）技术的出现而发展起来的。和准分布式光纤传感技术相比，分布式光纤传感技术具有测量信息丰富、分辨率高、误差小，正逐渐受到人们的青睐。它不仅具有普通光纤传感器的全部优点，而且充分利用了光纤一维空间连续分布的特点，可以准确的测出光纤沿线上任一点被测量场在时间和空间上的分布信息。如果将光纤纵横交错地铺设成网状，可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测的成功率，能做到对大型基础工程设施的每一个部位像人的神经系统一样进行感知和远程监测和监控，具有广阔的应用前景。图2分布式光纤传感技术应用于油气管道监测示意图分布式光纤温度传感器是一种新型的连续分布式感温探测器，能实现光纤沿线上任何一点的温度测量，无测量盲区，并且光纤既是传输介质，又是传感元件，无需额外的测温传感器件，安装简单，可靠性高，并且具有本质防爆、抗强电磁干扰、防雷击、测量精度高、重量轻、体积小等优点，尤其适合线型大范围区域在线监测，目前已经在高压电力电缆、公路交通隧道、长输油气管道、油气资源勘探、大型土木结构等领域获得较广泛应用。2.技术应用研究的背景及意义随着集中供热工程的不断发展，如何保障供热系统的高效稳定运行对现阶段的供热工程提出了更高的技术要求。热力直埋管道作为热力管网系统中一种安全、经济的运输方式已经在国内集中供热工程中得到了广泛的应用。为了保证热力管道安全、经济的运行，管道在线监测技术一直受到多方的重视。当前集中供热工程中热力管道在输送过程中由于外界环境影响、长期运行磨损以及其他人为破坏使得管道出现局部破裂，管道泄漏事故对管网运行的安全性以及经济性造成较大影响。对解决在线检测并精确定位热力管道破损造成的局部超温点监测方式提出了更高的要求。因此，建立基于分布式光纤传感技术的实时监测系统，充分利用该项技术的特点，实现对热力管网的超温报警功能，可以很好地解决传统热力管网监测的缺点，有效地提高供热系统的过程控制水平，并且能很大程度上提高供热行业的管理水平。对于保障供热系统优质供热、安全运行、经济节能、环境保护等具有十分重要的作用。3.分布式光纤传感技术原理分布式光纤监测系统其实是分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是沿光纤传输路径上的外界信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断调制(传感)，在光纤中形成调制信息谱带，并通过独特的检测技术，解调调制信号谱带，从而获得外界场信号的大小及空间分布。因此，分布式光纤监测系统通常由激光光源、传感光纤(缆)和检测单元组成，它是一种自动化的监测系统。下文简要介绍拉曼型与布里渊型分布式光纤传感技术的工作原理。3.1拉曼型分布式光纤传感技术DTS拉曼型分布式光纤传感技术ROTDR技术比较成熟。其测量原理为：激光器向传感光纤发射激光脉冲，测量从光纤返回的背向拉曼散射信号光：Anti-stokes（温度敏感、应变敏感）和stokes（温度不敏感、应变敏感），根据两者的强度比值获得光纤温度大小；温度位置由光脉冲返回入射端的时间确定（OTDR原理）。图3拉曼型分布式传感技术DTS测量原理图拉曼散射包括两种：斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。它们在频谱图上的分布大致是对称的。这两者对温度都敏感。只不过反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。而斯托克斯拉曼散射通常被用作参考通道，用来消除应力等其他因素的影响。3.2布里渊型分布式光纤传感技术BOTDA布里渊型分布式光纤传感器可同时实现温度与应变测量，其采用普通单模通信光纤为传感器，且测量距离达数十公里，远高于其它类型的分布式光纤传感器，是目前最具应用前景的光纤传感器之一。分布式光纤传感技术从最初的基于OTDR的瑞利散射系统开始，经历了基于OTDR的拉曼散射和基于OTDR的布里渊散射系统，使得测温精度和范围大幅提高。图4布里渊型分布式传感技术BOTDA测量原理BOTDA的测量原理：从光纤的两端分别注入脉冲光信号和连续光信号，当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，对两激光的频率进行连续的调节，监测从光纤一端耦合出来的连续光功率可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温变和应变信息，实现分布式测量。3.3DTS与BOTDA技术比较DTSBOTDA测量参数温度温度、应变测量原理自发拉曼散射受激布里渊散射测量距离一般不超过10公里最远可达50公里测量时间10s/通道，距离越长所需时间越长最快20s/通道测温精度±1℃（距离越长精度越差）±1℃（50公里内的测温精度相当）空间分辨率1~3m1~3m测量光纤多模光纤单模通信光纤测量方式单端测量环路测量技术先进性较先进的测量技术业界最先进的测量技术技术成熟度成熟，应用案例较多成熟，应用案例较少单台设备造价较低较高4.热网分布式光纤监测系统技术方案4.1建立监测系统的意义热力管道是输送蒸汽或高温水等热能介质的管道。经过多年来的发展，目前的热力管道多采用直埋敷设。热力管道在使用过程中会受到高温、磨损、物理、化学的作用，加之周边地下工程施工的影响，热力管道可能会出现逐渐产生裂纹、变形、焊接点损坏等缺陷，进而演变成为漏气、漏水等事故。在供热期间若发生管道大量泄露事故，由于供热介质温度高、压力大、流速快，使得抢险难度大，而且蒸汽或热水对地下其他公共设施的危害也很大，损失难以估量。因此，实时掌握热力管道的状态信息，做到防范于未然，对保障热力管道的安全运行非常重要。4.2系统设计目标（1）热网实时在线的温度分布式监测；（2）实时准确指示超温点或者管道异常的位置信息；（3）提供管道异常的早期探测。4.3系统方案描述用于热力管网的分布式光纤传感监测系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要由监控计算机、测量设备和传感光纤组成。其中，测量设备包括光源、光脉冲形成单元、光电检测单元和数据处理单元。以布里渊型分布式光纤传感技术为例，光源发出的连续光被定向耦合器分成两部分。一部分由电光调制器调制为脉冲光后入射到传感光纤．另一部分作为本振光与散射光一起入射到光电检测器进行外差检测，取出差频分量，即布里渊频移信号。对布里渊频谱进行分析处理，可获得布里渊频移和强度的测量值，再经转换为光缆各点的温度或应变信息而输出。在监控计算中将光缆各温变、压变异常点转换为热力管网超温事故点的坐标或地理位置，实现热力管网实时精确的在线报警监测。软件部分完成各种设置的控制，模拟管网的实时运行流程图，对实时数据进行分析，可通过设定各种温度应变的报警类型及输出温度或应变的异常点，来实现显示和查询功能，并可保存各时刻数据。同时该系统还可以在运行中不断地完善数据库，提高报警分析能力。4.3.1光缆的选型及敷设本系统将铠装感温光缆沿热力管道线型敷设，置于保温管道管顶的外表面，并间隔一定距离固定，使得感温光缆尽量贴近热力管道。当热力管道出现泄露等事故时，会使得事故点局部管段的外表面温度出现突变，分布式光纤测温系统能及时捕获这些异常，并在温度分布曲线上显示出来。因为光纤传感是分布式连续测量，无测量盲区，相应时间段，精度在±1m，通过温度分布曲线以及可视化分析软件，可以及时获得温度过热点，并定位出异常点的位置信息，便于管道维护人员及时检修与处理，避免重大事故发生。（1）光缆的选型用于热力管网的分布式光纤监测系统，传感光纤通路被用作传感器，以使终端机远离测量现场，从而彻底避免电磁干扰。针对集中供热工程中的直埋管网埋地敷设的地质环境相对比较复杂，存在着水、腐蚀、高温、高应力、强电磁场的场合，选择一种合适的传感光纤至关重要。在工程设计阶段，根据管网的地质勘察参数及管线的类型，选择满足施工及运行工况下的最优光缆。例如目前应用在海底光缆的高强度碳涂覆光纤。这种新型单模光纤是在拉丝过程中把碳沉积在光纤表面，然后再涂覆紫外固化涂料，整个工艺在拉丝过程中完成，具有耐腐蚀、耐高温、耐高压、抗疲劳性、抗氧损等特性。（2）光缆的敷设安装方式光缆沿热力管道线型敷设，置于保温管外管管顶的表面，并间隔一定距离固定，使得感温光缆尽量贴近热力管道，可根据施工环境优化选择光缆固定方式，保障在施工阶段不对光缆造成物理损伤。4.3.2光纤测量设备的组合选型通过第3章的技术原理比较可知，目前主流的分布式光纤传感技术主要有两种，即基于拉曼散射（DTS）的分布式光纤监测系统和基于布里渊散射（BOTDA）的分布式光纤监测系统。它们根据测量距离（DTS约10km，BOTDA约50km）及其它技术特点从而有不同的应用范围。目前的热力管网路由主要分为两类，即环状管网和树状管网。环状管网纵横相互连通，形成多个闭合环，保证管网的稳定性，可多热源点供热，但总管线长，造价高；树状管网布置简单，离热源点越远，管径越小，缺点是没有后备的供热能力。根据两种不同光学原理分布式光纤监测系统比较，结合热网的路由，从技术可靠及成本综合考虑，可采用以下光纤测量设备选型组合方式。（1）环状管网（管网长度超过20km）该类型管网采用布里渊型分布式光纤测温方案（BOTDA方案）。BOTDA可以实现最大测量距离为50公里，可以覆盖所50km内所有待测管道（考虑分支折合，单路）。该方案选用设备：1台50公里、2通道的BOTDA设备（1个通道监测1条管道，针对于双管敷设管网）或者1台50公里、单通道的BOTDA设备（1台设备监测1条管道，针对单管敷设管网）。BOTDA设备放置于电厂集控中心，感温光缆从电厂引出，光缆沿管道表面线型敷设，遇到管道支路时采取折返敷设的方式，光缆至少含有两芯单模光纤，光缆末端需对光纤进行对接，以构成BOTDA测量环路。图5BOTDA方案：感温光缆布设方式示意图（以单路管道监测为例）方案特点：基于国际最先进的布里渊型分布式光纤测温技术BOTDA，技术方案先进，在远端50公里处仍可实现±1℃的测温精度及±1m的测温空间分辨率；感温光缆采用普通单模通信光纤，光缆内冗余的光纤可作为光纤通信路由用；可只用1台设备即可实现全部管道路由监测，利用设备自带的软件即可实现全程温度监测，无需额外的组网方案。（2）树状管网（管网长度不超过20km）该类型管网采用布里渊型分布式光纤测温方案（BOTDA方案）。拉曼型分布式光纤测温系统DTS可以实现最大测量距离为10公里，为单端测量方式。为覆盖所有待测管道，需在管道路由中间设置多个现场监测站，每个监测站放置1台多通道测量主机，1台主机实现该监测站周围区域的管网监测。监测站建议设置在管道分支处，如图中的监控站1、2、3、4以及电厂监控中心。各监测站的温度测量数据通过以太网或者3G无线网络传输至电厂监控中心，经平台软件汇总后得到所有管道的监测信息。图6DTS方案：各现场监测站组网方案示意图方案特点：基于应用较为成熟的拉曼型分布式光纤测温技术DTS，单端敷设，技术成熟，需在管道路由中间（分支处）设置分监测站，方便光缆施工；各监控站之间通过以太网组网或3G网络传输至监控中心；感温光缆采用铠装多模光纤，测温性能更佳。4.3.3平台软件在监控中心的的人机操作界面可根据管网的路由及业主的要求开发相应的软件功能及可视界面。GUI界面（屏幕输出），实时检测波形显示，菜单与按钮操作，带有系统状态和预警指示灯，事件监测与定位地图，用户权限设定，历