煤礦管道泄漏監測系統設計

趙林，王紀強，侯墨語

(山東省科學院激光研究所 山東省光纖傳感技術重點實驗室，山東 濟南　250014)

?

煤礦管道泄漏監測系統設計

趙林，王紀強，侯墨語

(山東省科學院激光研究所 山東省光纖傳感技術重點實驗室，山東 濟南250014)

針對煤礦井下管道運行情況監測采用人工巡查法存在的耗費人力、物力及突發狀況下難以發現泄漏點的問題，基于光纖傳感技術及負壓波信號檢測與定位原理設計了一種煤礦管道泄漏監測系統，給出了系統結構，介紹了光纖壓力傳感器增敏結構、負壓波下降沿信號精確獲取技術等系統關鍵技術，并對系統進行了長期運行試驗和可靠性試驗。試驗結果表明，該系統運行穩定、可靠，能有效識別閥門開閉、泵啟停等正常工況變化，并能對突發的管道泄漏進行定位，定位誤差小于1%。

煤礦管道；泄漏監測；泄漏點定位；光纖傳感；負壓波

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1024.019.html

0　引言

煤礦井下自然環境惡劣，井下供水、通風及瓦斯抽放管道長期遭受淋水侵蝕、巷道變形等因素的影響，管道泄漏或壓力不足情況時有發生，不僅浪費了寶貴資源，也給煤礦企業造成了巨大經濟損失。

目前普遍采用人工巡查方法檢查井下管道運行情況，不僅耗費大量的人力、物力，而且在發生突發事故時難以及時發現泄漏點，造成大規模資源浪費。近幾年出現了電子式管道泄漏檢測系統，但由于煤礦井下瓦斯聚集嚴重，該系統用于井下存在嚴重安全隱患，所以未得到大規模推廣應用[1-2]。

本文基于光纖傳感技術的本質安全、可靠性高、復用性強、傳輸距離遠等特點[3-5]，設計了一種煤礦管道泄漏監測系統。該系統采用光纖傳感技術監測井下供水、瓦斯抽放管道的溫度、壓力、流量，實時反映管道壓力變化情況，對管道泄漏等異常情況進行報警并進行泄漏點定位，能最大限度地縮短因壓力不足對采掘工作面造成的影響[6]。

1　管道泄漏監測及定位原理

管道發生泄漏時，管道內外壓差變大，流體迅速流失，導致泄漏點處局部液體密度減小，壓力瞬間降低[7-8]。管道中的流體由于流動連續性，不會立刻改變流速，引起泄漏點上、下游區域內的流體向泄漏區域迅速填充，導致泄漏點相鄰區域流體密度減小、壓力降低，這種壓力下降的趨勢逐漸向管道兩端擴散，形成負壓波[9]。因此，可在管道兩端分別安裝光纖壓力傳感器，實時監測管道負壓波信號。對于不同的泄漏點，負壓波到達管道兩端光纖壓力傳感器的時間差也不同。根據管道長度、負壓波傳播速度及時間差，即可實現管道泄漏點定位[10]。

管道泄漏監測及定位原理如圖1所示。

圖1　管道泄漏監測及定位原理

設光纖壓力傳感器A，B之間的管道長度為L，泄漏點為C，泄漏點C產生的負壓波信號傳到光纖壓力傳感器A的時間為tA，傳到光纖壓力傳感器B的時間為tB，則負壓波信號全程傳播時間為

(1)

理想狀況下，設負壓波在流體介質中的傳播速度為v，則有tL=L/v，tA=LAC/v，tB=LCB/v，其中LAC，LCB分別為泄漏點C到光纖壓力傳感器A，B的距離。

泄漏點C產生的負壓波信號到達光纖壓力傳感器A，B的時間差為

(2)

由式(1)、式(2)得

(3)

由此可得泄漏點C與光纖壓力傳感器A的距離為

(4)

2　系統結構

煤礦管道泄漏監測系統由1臺工控機和若干遠端傳感器采集終端組成，具體包括光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖激光瓦斯傳感器、光纖流量傳感器、單模光纖、耦合器、多芯光纜、光纖光柵解調儀、光纖瓦斯解調儀、工控機等，如圖2所示。光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖流量傳感器通過單模光纖連接耦合器，耦合器通過多芯光纜連接光纖光柵解調儀。光纖激光瓦斯傳感器通過多芯光纜直接連接瓦斯解調儀，光纖光柵解調儀、光纖瓦斯解調儀通過網口與RS485接口連接工控機。工控機對檢測信號進行解析處理，實時監測管道內部溫度、壓力、瓦斯濃度、流量及負壓波信號，通過對管道運行狀態進行實時多參數綜合分析，實現管道泄漏監測及管道運行狀態綜合評估。

圖2　煤礦管道泄漏監測系統組成

3　系統關鍵技術

3.1光纖壓力傳感器增敏結構

系統采用高靈敏度、快速響應光纖壓力傳感器，通過研發光纖壓力傳感器動態模型，選取優良的彈性力學材料，優化膜片直徑與厚度比值，仿真分析感應膜片表面應變分布規律及感應靈敏度，提高了傳感器響應頻帶及固有頻率；設計了動態標校系統，對光纖壓力傳感器進行瞬態標校，并通過實驗分析、測試傳感器的快速響應性能，計算響應誤差。

光纖壓力傳感器結構如圖3所示。光纖光柵(FBG)的一端粘貼在螺絲固定的基片上，另一端粘貼在與連桿焊接在一起的粘貼平臺上。當外界壓力發生變化時，在膜片左右形成壓差，膜片會發生位移，同時帶動連桿動作，導致FBG拉伸或收縮，光柵中心波長λB發生偏移，通過檢測λB的變化即可得到壓力值。

圖3　光纖壓力傳感器結構

3.2負壓波下降沿信號精確獲取技術

管道實際運行過程中，受各種干擾因素的影響，負壓波信號強度較弱且特征不明顯，負壓波下降沿識別困難。煤礦管道泄漏監測系統的采樣頻率為20 Hz，若因負壓波下降沿不清晰造成突變點捕獲誤差6個特征點，會導致Δt采樣誤差為300 ms，進而造成150～180 m的定位誤差。

系統采用無相移濾波降噪方法處理泄漏發生時負壓波下降沿拐點的幅值與相位信息，去除泄漏負壓波高頻噪聲信號影響，保留負壓波有效低頻信號，獲取清晰、穩定的負壓波下降沿信息[11]；同時根據泄漏點上下游光纖壓力傳感器捕捉的負壓波信號幅值衰減規律，確定泄漏診斷過程中上下游光纖壓力傳感器負壓波拐點評判標準，精確定位有效信號特征點。系統實際運行中，對管道兩端光纖壓力傳感器監測的負壓波信號進行濾波降噪處理后的結果如圖4所示。

圖4　經濾波降噪處理后的負壓波信號

4　系統測試

在某公司排水管道及瓦斯抽放管道對煤礦管道泄漏監測系統進行測試。排水管道全長11.6 km，管道內徑100 mm，排水量為80 m3/h；瓦斯抽放管道全長5.8 km，內徑100 mm。

4.1長期運行試驗

圖5為瓦斯抽放管道遠端直管溫度長期監測數據，可看出管道內溫度在15 ℃左右波動，波動范圍約為10 ℃，每次波動最高溫度在每天中午時間段，最低溫度在每天早晨時間段，與日間正常溫度變化相符。

圖6為供水管道累計流量長期監測數據，管道基準累計流量為230 m3。T2時間段因系統關閉，系統數據庫沒有監測數據；在T3時間段，系統工控機電源損壞，系統停止工作，數據庫沒有監測數據；在T1，T4時間段，供水管道水泵開啟，供水管道內有水流通過光纖流量傳感器，使得供水管道累計流量呈階梯狀上升。

圖5　瓦斯抽放管道溫度長期監測數據

圖6　供水管道累計流量長期監測數據

4.2可靠性試驗

在管道正常工況下，分別對管道系統進行停啟泵、開關閥門操作，每次停泵時間為3～4 min，以檢驗系統對管道正常工況變化的有效識別能力，試驗結果見表1?？煽闯鱿到y能夠有效識別管道運輸過程中停啟泵、開關閥門等正常操作，實驗過程中未出現泄漏誤報等異常情況。

表1　系統對管道正常工況變化的識別試驗結果

為了進一步測試系統監測管道泄漏的可靠性及泄漏點定位能力，通過開關安裝在管道上的4個閥門模擬管道泄漏過程。試驗結果見表2?？煽闯鱿到y能對管道突發的泄漏事故進行有效判斷，并能對泄漏點進行定位，定位誤差小于1%，滿足實際應用要求。另外，在4次試驗中，系統均在管道發生泄漏后10 s內報警。

5　結語

將光纖傳感技術引入煤礦井下管道監測領域，開發了一種煤礦管道泄漏監測系統。該系統誤報率低，定位精度高，運行穩定可靠，能夠根據管道實際工況有效監測泄漏事故的發生。另外，該系統本質安全，無需供電，適用于煤礦惡劣環境下的管道泄漏監測及整體性能評估。

表2　系統對管道泄漏的監測及泄漏點定位試驗結果

該系統已成功應用于煤礦供水及瓦斯抽放管道泄漏監測，為后期整個管道的狀態評估提供了長期、大量、全面、可靠的數據。目前該系統存在的問題是單純采用負壓波信號，只能監測突發性的管道泄漏事件，對于因管道腐蝕等引起的管道長期緩慢泄漏，系統監測效果不理想。下一步將研究多參數、多種泄漏監測技術相結合的煤礦管道泄漏監測系統。

[1]許斌,劉廣文,譚東杰.管道泄漏監測系統及方法：中國：201410010630.7[P].2014-05-07.

[2]林偉國,劉超源.一種管道泄漏定位方法：中國,201210055039.4[P].2012-07-18.

[3]冷建成,周國強,吳澤民,等.光纖傳感技術及其在管道監測中的應用[J].無損檢測,2012,34(1)：61-65.

[4]杭利軍,何存富,吳斌,等.新型分布式光纖管道泄漏檢測技術及定位方法研究[J].光學學報,2008,28(1)：123-127.

[5]HANG Lijun,HE Cunfu,WU Bin.Novel distributed optical fiber acoustic sensor array for leak detection[J].Optical Engineering,2008,47(5):41-45.

[6]李明,王曉霖,呂高峰,等.光纖傳感及其在管道監測中應用的研究進展[J].當代化工,2014,43(1)：54-57.

[7]廉小親,蘇維均,田黎明.基于負壓波法的輸油管道泄漏檢測定位系統[J].計算機工程與設計,2007,28(9):2199-2202.

[8]靳世久,王立寧,李健.瞬態負壓波結構模式識別法原油管道泄漏檢測技術[J].電子測量與儀器學報,1998,12(1)：59-64.

[9]馬小林,王澤根,謝靜文.負壓波在管道泄漏檢測與定位中的應用[J].管道技術與設備,2013,1(3)：17-19.

[10]陳浩.流體運輸管道泄漏負壓波模擬與信號處理研究[D].大慶：東北石油大學,2012.

[11]王正,王洪誠,傅磊,等.基于多壓力傳感器負壓波的管道檢測法[J].傳感器與微系統,2015,34(5)：115-118.

Design of pipeline leakage monitoring system for coal mine

ZHAO Lin,WANG Jiqiang,HOU Moyu

(Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology of Shandong Province,Laser Research Institute of Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014,China)

For problems existed in manual inspection method of pipeline running monitoring in coal mine underground such as laborious consumption,time consumption,difficult leak point detection under sudden conditions and so on,a pipeline leak monitoring system for coal mine was designed which was based on optical fiber sensing technology and negative pressure wave signal detection and location principle.Structure of the system was introduced as well as key technologies including enhancement sensitivity structure of fiber pressure sensor and accurate acquisition technology of negative pressure wave falling edge signal.Long-time running test and reliability test of the system were taken out.The test results show that the system can identify normal operation status of valve and pump,and locate pipeline leakage point under sudden condition with location error of less than 1%,which has stable and reliable operation.

coal mine pipeline; leakage monitoring; leakage point location; fiver sensing; negative pressure wave

1671-251X(2016)10-0012-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.003

趙林，王紀強，侯墨語.煤礦管道泄漏監測系統設計[J].工礦自動化，2016,42(10)：12-15.

2016-02-26；

2016-08-05；責任編輯：李明。

山東省自主創新成果轉化重大專項資助項目(2014ZZCX03405)。

趙林(1981-)，男，山東淄博人，助理研究員，碩士，主要從事光纖傳感及管道監測技術的研究工作，E-mail：linzhao1225@126.com。

TD67

A網絡出版時間：2016-09-30 10:24