分布光纤式输油管道安全监测预警系统

漏时，使光纤所处的温度场发生变化，利用光纤后向喇曼散射的温度效应测量该处的温度变化而判断管道泄漏；当发生人
为破坏（盗油）事件时，所产生的振动、压力等扰动信号使在光纤中传输的后向瑞利散射光产生明显的损耗特征，通过测量
其 光 强 的 变 化 来 检 测 管 道 是 否 受 到 扰 动 或 破 坏 。 用 ODTR 技 术 实 现 对 光 纤 测 量 点 的 定 位 。 实 验 结 果 表 明 ， 系 统 已 达 到 如 下
王忠东: 教授 博士 基金项目: 中国石油天然气总公司(原石油部)中青年创新基金
ÂÁÁÂ (07e1011):石油输油管道泄漏定位检测关键技术研究，中国石油
而按一定规律衰减,在光速不变的情况下距离与时间成正比。因 此,根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间, 就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强。 用光时 域反射技术,可以确定光纤处的损耗, 光纤故障点的位置, 对测 量点进行定位 。
(Daqing Petroleum Institute, Daqing, Heilongjiang, 163318, China) WANG Zhong-dong YAN Tie WANG Bao-hui YI Shi-xian 通讯地址:（066004 河北秦皇岛大庆石油学院分院办公室）王忠东
本文中的数据来源是由实验所得。 研究方法：采用实践和 理论相结合，生产现场和实验室相结合。 先对输油管线工况进 行了解分析，针对具体问题设计光纤监测系统，并进行实验，检 验系统的可靠性。 参考文献 [1]张布悦,王桂增,刘吉东,等.输油管线泄漏检测和定位技术综 述[J].上海海运学院学报,2001,22-3 :13~161 [2]王延年,赵玉龙,朱笠,等.分布式光纤传感器在管道泄漏监测 中的应用[J].郑州大学学报（理学版）,2006,35-2:36~37 [3]周琰,靳世久,张昀超,等.分布式光纤管道泄漏检测和定位技 术[J].石油学报,2006,27-2:121~124 [4]苏维均,廉小亲,于重重,石芹侠,等. 负压波定位理论在输油管 道泄漏监测系统中应用[J]. 微计算机信息,2003,19-3:50-51 [5]戚风云,赵乐军,周又玲.分布式光纤测温系统及高速数据采集 与处理[J].传感器技术,2005,24(11):62~64 作者 简 介：王 忠 东 （1968－），男（汉 族 ），黑 龙江 大 庆 人，大 庆 石 油 学院教授，博士，主要从事光纤传感技术、光学检测研究工作。 Biography:WANG Zhong -dong (1968 － ),man (han ethnic), Daqing, Heilongjiang Province, Daqing Petroleum Institute, Professor,Doctor, mainly working at the technology of optical fiber sensing and optic-measurement . （163318 黑 龙 江 大 庆 大 庆 石 油 学 院 ） 王 忠 东 闫 铁 王 宝 辉 衣实贤
假设光脉冲在入射端耦合进光 纤 的 光功 率 为 P0 ,沿长 度 为 L 光纤轴线上任一点 Z ,设该点距入射端的距离为 x ,那么该点 的背向散射光的光功率分别为：
天 然 气 总 公 司 科 技 发 展 部 ;黑 龙 江 省 自 然 科 学 基 金 （F200607）资
wenku.baidu.com
反 Stokes 光光功率
主 要 技 术 指 标 ： 光 纤 长 度 5km( 可 延 长 ) ， 测 温 范 围 0~90℃( 可 扩 展 ) ， 温 度 测 量 偏 差 小 于 +5℃ ， 对 扰 动 外 力 和 温 度 的 定 位 偏 差
小 于 15m 。 该 检 测 技 术 可 以 有 效 地 提 高 输 油 管 道 泄 漏 监 测 和 防 盗 油 水 平 。
术 fiber sensor changes. Using the temperature effect of the backscattered Anti -stokes the temperature is measured and the pipeline
leakage is estimated. When there is an accident of factitious destruction (Oil-stealing) on the pipeline, the destruction will create vibration and pressure and thus the optical signal attenuation of the backscattered Rayleigh through the optical fiber happens. And by
创 measuring the intensity of the Rayleigh, the disturbance and breakage of pipeline is detected. At last, the measuring position is locat-
ed by ODTR. The experiment results show the performance of the system as follows: length of single mode fiber: 5km (expandable),
助:氨基甲酸酯类农药荧光光纤检测系统的研究。 黑龙江省科技
P = K SP R (T ) exp[−∫ (a (x) + a (x)dx]
（2）
厅;黑龙江省博士后基金（LBH-Z07262）。 光纤传输激光诱导荧
瑞利光功率
光实现土壤中农药污染物监测研究。 黑龙江省人事厅
P = K SP exp[−∫ (a (x)dx]
（大庆石油学院） 王忠东 闫 铁 王宝辉 衣实贤
WANG Zhong-dong YAN Tie WANG Bao-hui YI S hi-xian
摘要: 提出 了 一 种 基 于 光 时 域 反 射 原 理 和 分 布 式 光 纤 传 感 技 术 实 现 输 油 管 道 泄 漏 安 全 实 时 监 测 的 技 术 。 当 输 油 管 道 发 生 泄
信息安全 文 章 编 号 :1008-0570(2008)11-3-0058-03
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息》 ( 管 控 一 体 化 )2008 年 第 24 卷 第 11-3 期
分布光纤式输油管道安全监测预警系统
A Distributed Optical Fiber Pre-warning System for Safety Monitoring of Oil Pipelines
技
术 创
图 2 受扰动时瑞利光分布曲线 Fig.2 The disturbed rayleigh light distribution curve
新
济效益。 因为一条 200 公里的输油管线被人为偷盗和泄漏的直 接损失每年达 200 多吨，折合人民币 50 万元。 目前全国的输油 管线达一万多公里，每年的损失约达 2.5 亿元。 因此 ，此项目的 研究成功将有具大的经济效益和社会效益。
关键词: ODTR; 分布光纤传感器; 泄漏检测; 输油管道
中图分类号: U178
文献标识码: A
技 Abstract: A real-time monitoring technology for safety and leakage of oil pipeline based on theories of Optical Time Domain Reflectometer (ODTR) and the distributed optical fiber sensor is introduced. As the pipeline leaks, the temperature field around the optical
新 range of temperature measurement: 0 ~90oC (expandable), temperature error: < +5oC, location error: <15m.Therefore the monitoring
quality of oil pipelines and anti-stealing oil level may be improved effectively. Key words: ODTR; Distributed optical fiber sensors; Leakage detection; Oil pipeline
（3）
- 58 - 360元 / 年 邮局订阅号：82-946
《 现场总线技术应用 200 例》
信息安全
技 术 创 新
《 P LC 技术应用 200 例》
邮局订阅号：82-946 360 元 / 年 - 59 -
信息安全
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息》 ( 管 控 一 体 化 )2008 年 第 24 卷 第 11-3 期
光纤中光的后向散射包括瑞利散射、喇曼散射。 其中,瑞利 散射的强度相对较大，当外界物理场在某处扰动光纤时，此处 的后向瑞利散射光强会明显下降，基于此性质，可以通过测量 瑞利散射光强的变化来检测光纤是否受到扰动。 喇曼散射的反 Stokes 光 对 温 度 敏 感 ，因 而 它 具 有 温 度 效 应 ，基 于 这 一 性 质 ，可 以通过测量喇曼散射光信号变化来检测外界的温度变化。
全 实 时 监 测 系 统 是 集 计 算 机 技 术 、光 电 技 术 于 一 体,利 用 光 纤 的 物理特性, 实现对管道泄漏, 人为破坏管道等事件进行在线监 测。 经检测，分布光纤监测系统已达到的主要技术指标如下：光 纤长 度 5km(可延 长)，测 温范 围 0~90℃( 可 扩展)，温 度 测 量 偏 差 小于 5℃，对 扰 动 外 力 和 温 度 的 定 位 偏 差 小 于 15m,而 负 压 波 法 检 测 泄漏 的 定 位精 度 为 1000 米。 它 的 优 点是 可 以 实 现 远 距 离 分布式监测；测试速度快，定位精度高；既可以测量静态特性,也 可以测量动态特性；能够对管道安全预报警；由于使用了光纤 和 光 信 号,可 以 在 危 险 环 境 下 使 用,抗 干 扰 能 力 强 ；既 可 以 用 于 远 距 离 石 油 、天 然 气 输 送 管 道 的 实 时 监 测,也 可 以 用 于 城 市 供 热 供气主干网的实时监测。
1 分布式光纤传感技术和 ODTR 技术
分布式光纤传感技术是利用光纤对沿光纤分布的被测量 进行连续测量, 同时获取被测量的空间分布状态及其随时间变 化的传感器技术。
光时域反射(OTDR ) 技术是实现分布式 光 纤 传感 的 关 键技 术。 它的基本原理是光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中 产生后向散射, 后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长
石油输油管线地处野外、环境条件复杂，油品泄漏和输油沿 线 的 盗 油 事 件 一 直 是 企 业 的 很 大 困 拢 。 目 前 ，输 油 管 线 安 全 监 测 的常规方法有负压波法、漏噪声探测法、热红外成像、压力梯度 法 、应 力 波 检 测 法 等 。 这 些 方 法 都 是 泄 漏 发 生 时 或 发 生 后 进 行 检 测，不能预报警，而且都存在着定位准确度低、距离短、成本高等 缺 点 。 因 此 ，本 文 提 出 了 一 种 基 于 光 时 域 反 射 原 理 和 分 布 式 光 纤 传感技术实现对长距离输油管线安全实时监测预报警系统。
（1） 喇曼散射测温原理 喇 曼 散 射 的 温 度 效 应 是 通 过 反 Stokes 光 调 制 光 纤 中 由 脉 冲激发产生的 自 发反 Stokes 散 射 光功 率 ，经 解调 后 得 到空 间 温 度场分布信息。 本文中提出用光纤的瑞利散射 OTDR 曲线来解 调喇曼散射 OTDR 曲线的方法。