燃气管道泄漏监测系统方案书.pdf

1 智慧管廊&城市燃气管道监测系统 2 目录 1、方案设计准则.4 1.1、设计目标.4 1.2、项目范围.4 1.3、设计原则.4 1.4、设计规范和标准.5 2、方案背景概述.6 2.1、概述.6 2.2、公司简介.7 3、技术基础.7 3.1、光纤传感技术基本原理.7 3.2、光纤传感技术的优势.8 3.3、光纤传感技术特点.8 3.4、传感器介绍.9 3.4.2、位移、沉降监测：.9 3.5 系统结构图.12 3.5、系统优点.15 4、管道振动、泄漏监测系统.15 4.1、管道振动监测系统.16 4.2、管道泄漏监测系统.17 4.3、感测光缆.18 4.4、应用层技术.18 3 4.4.1 集中监测模块.18 4.4.2 实时监控模块.18 4.4.3 地理信息模块.19 4.5、管理层技术方案.19 4.6、数据管理模块.20 4.7、站点管理模块.20 4.8、警示处理模块.21 5、系统维护和升级管理.22 4 1、方案设计准则 1.1、设计目标 1、实时监测管廊、燃气管道的状态，对管道的外界振动预警、监测管廊、管道的位移沉降变化、在管道泄漏的初期预警、定位泄漏点、提供地理位置信息。2、将管廊管道的所有监测信息实时采集、上传至监测中心，并将历史数据进行存储、整理，供监测中心进行分析，提供决策依据。3、避免因大规模管道泄漏导致的资源损耗、污染及爆炸等重大安全事故的发生。4、结合平面图和视频监控系统，建立集成化的安全、环保监测信息平台，实现综合安全环保监控、重大危险源动态跟踪、应急指挥、事故预警、重要信息短信发布等功能，提高应急预案、应急处理、突发事件处理以及生产系统恢复等动态过程的计划性、准确性和快速性。1.2、项目范围 城市地下管廊、输油管道、燃气管道、给排水管道的外界振动、位移、沉降、泄漏等数据的预警、监测及数据分析。对重点监测区域进行视频监控联动。1.3、设计原则(1)先进性与实用性 应用先进的光纤传感技术，实现对管道的全线监测。系统操作灵活方便，易于掌握；针对实际应用的特点，具有多种设置和报警方式；便于提供决策支持；5(2)集成性与灵活性 设备集成度高，便于通讯连接；具有多种功能接口，便于各类传感信号的接入和分析；提供符合国家标准的软硬件及系统方面的接口和工具；系统参数配置少，调整少，自动化程度高，操作简单；(3)安全性与可靠性 传感系统本质安全，信息处理终端位于安全区域；系统各环节具备权限及访问控制机制；能够长期稳定的工作；设备结构紧凑简单，可靠性高；对工作条件和工作环境要求较低；使用普通通讯用光纤，便于维护和维修；1.4、设计规范和标准 线型光纤感温火灾探测器 GB/T 21197-2007 电磁辐射防护规定 GB 8702-1988 工业过程测量和控制设备的电磁兼容性 IEC-801-2(第 2 部分：静电放电要求)工业过程测量和控制设备的电磁兼容性 IEC-801-3(第 3 部分：辐射电磁场要求)工业过程测量和控制装置的电磁兼容性 IEC-801-4(第 4 部分：电快速瞬变脉冲群要求)输油管道工程设计规范 GB 50253-2003 6 2、方案背景概述 2.1、概述 随着工业和城市建设的步伐，管道运输管理工作已经成为了我们国家工业和城市建设安全事业的重要组成方式。管道运输具有平稳连续、安全性好、运输量大、质量可控、运输损耗低、地面占用少及运费低廉等优点，已经成为石油、天然气等能源运输的首选方式；在城市建设中，天然气管网、给排水管网等也成为一个城市的能源动脉，管网运行安全性已受到广泛关注。在长期使用过程中，管道会随年限不断增长而发生老化，或受到各种介质的腐蚀以及人为破坏等因素，从而引起管道泄漏。管道的泄漏不仅影响正常生产，造成能源浪费和经济损失，而且由于输送介质的危险性和污染性，一旦发生泄漏事故还会造成对环境的污染和巨大的财产损失。城市燃气管网一旦泄漏，轻则造成能源浪费和环境污染，重则将严重危害城市居民的生命财产安全。如何对城市管廊、燃气管道的外界振动、管道的变形沉降和泄漏进行实时监测和应急预警，已成为非常紧迫的安全课题。目前国内外主要的管道泄漏和破坏监测方法有：直接观察法、管内智能爬机监测、探测球法、流量平衡法、压力梯度法、负压波方法、统计分析方法等。这些方法都或多或少地存在着弊端，例如人力物力占用较大，管道连接要求高，连续运行性和抗干扰性差，造价较高，灵敏度和定位精度较低等，在燃气管道及城市管廊的安全监测行业应用中受到一定限制。近年来快速发展起来的光纤传感监测方法，是一种新型的快速、准确实现管道泄漏或破坏监测的方法，包括准分布式光纤检漏、塑料包覆石英光纤传感器检 7 漏、光纤温度传感器检漏等，监测效果较为理想。2.2、公司简介 北京中电北斗科技有限公司，是一家紧跟国家科技战略，以“互联网+”思路为手段，“智慧城市”建设为目标的具有现代化运营理念的IT服务与解决方案供应商。中电北斗融合中国北斗导航应用、智慧管廊、地理信息位置服务、智能设备监测系统、计算机系统集成一体化及服务外包产业的发展趋势，主动顺应产业发展趋势，有效利用国家发展政策，依托园区内全球联动资源的优势，积极发挥自身的集聚效应和资源优势，凭借成熟、先进的软硬件研发技术，积极发挥平台作用，助力智慧城市智慧管网产业发展。公司总部坐落于北京中关村融科资讯大厦，上海、深圳同步设立分支机构，战略性构建全国营销及服务网络。软硬件研发基地位于哈尔滨、北京，哈尔滨和济南同步设立实验室。3、技术基础 3.1、光纤传感技术基本原理 光纤传感技术是通过对光纤传感信号进行解调而获取准确的外界传感信息。当外界物质与光纤发生作用时，会引起该处光纤的物理特性发生变化，光纤解调仪能够通过光路信号解调检测到该处的物理信息。光纤能够检测到的物理信息包括振动、温度、声波等信号，通过不同的解调方法和系统辨识方式即能被监测系统所感知。8 3.2、光纤传感技术的优势 定位准确(1 米，在各种测漏方法中定位精度最高；)灵敏度高(系统响应时间在 5s 以内；)精度高(温度分辨率 0.1 度，温度精度 1 度；)施工简便(无需在管道本体上焊接等操作。施工周期短，费用低，只用一芯或二芯光纤。)误报率低(系统本身受干扰因素少，而且可通过滤波算法将干扰因素消除，如降雨、降雪、混输温变等；)本质安全(系统现场为无电检测，不会给泄漏带来打火、引雷隐患；)无盲区(管道长度范围内连续性监测，不受如扫线、清管、内检测等作业的影响。)预警功能（在实现泄漏监测的同时能对盗采、挖掘破坏等进行预警）3.3、光纤传感技术特点 在各种光纤传感技术中，分布式光纤传感技术对于管道健康监测具有广阔的 9 应用前景。分布式光纤传感器是将传感光纤沿场布放，并采用独特的监测技术，对沿管线传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。这类传感器只需一个光源和一条探测线路，集传感和传输于一体，可对沿光纤传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息(如温度、扰动等)进行测量与监控，同时获得的信息量大，单位时间所需要的费用大大降低，从而可获得较优的性价比。3.4、传感器介绍 3.4.1、振动、泄漏监测 本系统的振动和泄漏监测所使用的传感部件即为光纤本身，同时由于感测光纤可以与通讯光缆同体，因而只须按照正常通讯光缆的需要进行各种维护即可，解调设备置于各个首末站或中间站内，安装简单，配置方便，易于维护。3.4.2、位移、沉降监测（一）阵列式位移传感器：是一种新型的监测仪器，内部由三轴微电子机械系统（MEMS）加速度计组成。它采用微机电感应方式和阵列式计算原理，实时的获取连续变形曲线。通过对数据的分析可以测得管道在重力方向的垂直变形。阵列式位移传感器的优点（1）高精度：一根 24m 的传感器测量精度优于1mm。（2）高稳定性：长度 32m 的传感器，连续进行 3 年的稳定性试验，累积误差小于 1.5mm。（3）高重复性：对传感器合理的设计和特殊的埋设方式，使传感器在管道监控量测中可以重复利用。（4）大量程：可保证 20cm 以上的变形量程，适用于大变形管道及重点 10 地段（如断裂带等）收敛变形的实时监测。（5）标准化程度高：传感器安装流程简单，数据采集、传输、转换、入库、上传及预警等操作均使用软件实现，可方便进行标准化管理。（6）信息化程度高：传感器数据采集、传输、转换及上传等流程均无需人工参与，避免了人为误操作。（7）自动化程度高：可全天候对管道进行实时监测，最小采样间隔小于 1秒，通过大样本量监测数据的拟合分析，对即将发生危险做到准备预判，及时报警。（8）抗干扰能力强：不受洞内粉尘、振动及噪声影响；无需占用施工道路，只在安装时对施工略有影响。（9）免维护：在量程范围内无外力破坏情况下，可长期免维护。（10）使用性广：可水平、垂直或任意角度安装，并可量测振动（二）电子水平尺：用于测量管廊内相邻管道的管道的差异沉降。电子水平尺参数 量程30 精度：0.03 分辨率：0.01 DC 728 宽电压输入（推荐电压 9V、12V、24V）宽温工作-20+80 IP68 防护等级 11 高抗振性能2000g 尺寸：904026mm（可定制）（三）静力水准仪：用于监测管廊内管片的沉降及建筑物倾斜、沉降 静力水准仪参数 精度：0.1mm 分辨率：0.01mm 量程：100mm 工作温度：-20+80 高：330mm 直径：150mm （四）测量机器人：用于测量管片水平位移 （五）激光传感器：用于监测管片收敛 12 激光传感器参数 量程：0.2-30m 精度：1mm 分辨率：0.1mm 工作温度：-20+80 光源：红色激光（620-690nm）激光等级：二级激光（0.95mW）3.5 系统结构图 1、管廊沉降变形监测 13 2、管道振动监测 3、管道变形沉降监测 14 4、燃气管道泄漏监测 5、系统整体平台建设结构图 系统整体平台建设结构图 15 各站的处理主机设备以通讯终端形式接入管道沿线的光通讯网络，各站数据在首站计算机中进行整合、处理、存储，并实现数据共享，首站整合数据可在沿线各站进行访问、调用和显示，从而在各站都可实现对管线全线状态的监视。首站数据整合和处理后，可以以标准形式通过预留数据接口，实现与上一级信息系统或其他网络的通讯，其组织结构如下图所示。通讯与数据组织 3.6 系统优点 本系统通过采集各高精度传感器对管廊、管道实时状态的监测数据，能够实现振动预警、位移、沉降监测及临界值预警、管道的泄漏报警、定位监测。所有历史数据均存储于数据库中，供监测部门分析、决策。4、管道振动、泄漏监测系统 分布式光纤感温监测系统单元，可实现管道全区域监控，达到无人值守设计 16 效果，实时将报警信息上传至监控中心，可大大减少日常系统运行的管理人员，同时具有标准的数据通信和总线设备通讯接口，可以方便地扩展连接其他传感数据。通过对多元数据的信息挖掘和智能识别分析，综合进行判断泄漏和盗采事件的发生位置并进行报警，降低系统的误报率和漏报率。4.1、管道振动监测系统 用于管道沿线振动监测系统为分布式光纤振动传感系统，该系统分为两个子系统，第一部分为信号解调单元设置于首站；第二部分为稳定单元，设置于末站，该系统采用本公司具有专用信号解调进行振动监测和定位。系统优点 传感现场无需供电，不受电磁干扰，安全可靠；无漏报，少误报，且能精确定位；系统兼容性高，可与其他系统连动；维护成本低，可忽略不计。17 4.2、管道泄漏监测系统 用于管道沿线泄漏监测的系统为分布式光纤温度传感系统，温度传感系统采用本公司专有信号解调技术对管道沿线温度进行测量。温度传感系统主要配备及具体性能指标如表1所示。表 1 性能指标 项目 指标 测量距离 8km；16 km；30 km；50 km 测温范围-40C+400C(取决于测温光缆)测温精度 0.5（816 km）；1C（3050 km）；空间分辨率(最小感温长度)1m（816 km）；2 m（3050 km）；定位精度 1m（816 km）；2 m（3050 km）；传感光纤类型 单模光纤；62.5/125um 多缆光纤 通道数 1、2、4、8 通道 18 光纤接口 FC/APC E2000 4.3、感测光缆 本方案采用多芯通讯光缆作为振动及测温的感知设备，若客户有铺设好的多芯光缆则不再单独铺设传感光纤。(一芯作为振动，另一芯用于测温)，若考虑采用冗余，可再预留 1 根。4.4、应用层技术 本系统应用层主要在管理终端上实现，应用层的软硬件模块主要包括：集中监测模块、实时监控模块、地理信息警示模块、供电模块等 5 部分。其中：集中监测模块、实时监控模块、地理信息警示模块为软件模块，供电模块为硬件模块。4.4.1 集中监测模块 在该模块中，同一个管理终端同时可以实时的监测控制多套光纤传感系统，进而实现对多段线路的集中式监测。中间站设置两台温度传感系统，首末站各设置一台温度传感系统。监控终端软件界面中可以配置多条(段)监控线路，可以同时监测管理地图中连接上的多条(段)线路状况。同一个信息处理单元，可以同时被两个甚至多个管理终端来监测管理。客户可根据管理上的需求，灵活地配置一点对多点或多点对一点的运行模式。4.4.2 实时监控模块 实时监控模块以声音、文字、图形等显示告警事件信息，方便管理人员及时掌握线路上发生的泄漏和破坏事件。在下图所示监控界面中，将展示监测的光缆线路的温度、振动信息、当天发生的所有告警事件的图表和警报声音、线路的地形图、当前告警事件的详细信息和告警指示灯。一旦监测的光缆线路发生告警事件，管理人员立即可得到发生告警的相关信息，如：告警的地理位置、持续时间、等级、告警类别、处理建议等，并能即刻在系统中记录处理。也能灵活的查看当 19 天所发生的所有告警事件。图 1 实时监控界面 4.4.3 地理信息模块 地理信息模块可以将系统线路参数和定位信息录入，方便直观地显示在合适比例的地图上。地图可以根据线路的实际长度，设置为可缩放，一旦某处出现告警，会在线路全图上凸显告警位置，用户可以点击该处，进行地图放大详细的显示，同时给出位置具体数据，方便准确地确定事件地点。4.5、管理层技术方案 本系统管理层主要实现以下功能：(1)为顶层监控人员提供远程登录的服务，使其能够与分站的管理人员一样，实现现场管理终端上同样功能;(2)可以设置用户管理员权限，查看系统操作日志。登录站点管理界面，查看线路长度，修改地理铺设示意图，线路相关特征参数等信息，修改站 20 点说明信息。(3)当出现告警情况时，监控中心能够及时将告警信息推送至管线巡检人员的管理平台，执行控制指令。本系统管理层的主要模块包括：查询、分析与远程登录模块；4.6、数据管理模块 系统提供针对告警事件的历史查询和报表工具，通过选择开始和结束日期，可组合生成周、月、季、年等报表，以满足业务管理上的需求。以柱状图的形式展示在某一时间段光缆线路区段上发生的告警事件频度，从而了解线路上发生的告警事件规律。模块可以实现的主要功能为：(1)远程登录 该功能可以实现远程用户对系统管理现场的管理系统登录和修改功能，实现对系统管理的逐级管理和直接管理。(2)历史告警查询 对于已经发生的告警事件，可以在此功能模块中查看，对于不同区域的报警，在报警列表中予以详细列出。通过选择时间可以了解整个线路已发生告警情况。(3)统计分析功能 以报表等形式直观显示某时间段内的报警统计，以柱状图显示光缆线路区段发生告警的频度。4.7、站点管理模块 站点管理模块主要实现的是监测现场的数据即时处理和后台管理功能，该管理模块主要实现的功能为：(1)站点数据管理 该功能可方便管理人员查看并修改线路长度、地理铺设、线路相关参数、21 系统操作日志、站点说明等信息。(2)用户管理功能 该功能可提供添加、删除用户，修改用户权限，修改用户信息等功能。4.8、警示处理模块 在监测系统应用层上，可实现温度变化及扰动的及时预警；在管理层面上，可对温度传感系统、振动传感系统感知的各类扰动行为进行识别，具体实现的功能为：(1)振动信号警示处理 a)如果人为破坏正好就在光纤所在处，光纤必然断裂，温度传感系统也可准确的对管道的人为破坏进行定位；b)如果发生触碰光芯、触碰接头盒、切割光缆、触碰光缆、轻微触碰光缆等，可基于业务标准，灵活的组合上述几类扰动的持续时间信息，形成告警事件的等级以及相应的处理建议；c)当某些管线的路由经过特殊位置，从而产生的已知的固定区段固定模式的扰动，管理人员可以通过适当的配置对此线路的警告信息予以排除。(2)温度信号警示处理 温度传感系统能够实现-40400范围(根据具体光纤配置)的温度测量，温度精度1，空间分辨率 2m，可以对管线泄漏及腐蚀进行可靠地监视及预警、报警。如果人为破坏或者金属管壁的自身腐蚀，导致管壁破裂引起泄漏，必然引起管道应变和温度的微小变化，温度传感系统可在第一时间监测到并报警。22(3)后期修改功能 由于该监测系统在使用中，不可避免的会遇到各种客观条件、用户要求的变化，因此针对不同线路的情况，管理人员可方便的修改告警事件等级的定义配置，以充分适应现场的客观条件更动。5、系统维护和升级管理 系统建成后，随着运行时间的延长，不可避免地存在系统的维护和升级问题，在系统建设初期即应当予以考虑。可以将首末站和中间站的其他传感设备接入至本系统，本系统配备标准的工业PC系统，可以方便的进行扩展。各站终端软件均开放升级接口，保证软件系统运行的可靠性和根据用户需求进行更改。当客户需求或本公司软件版本更新时，可对本项目的系统管理软件进行必要升级。测量光纤采用了随管道铺设的普通通讯光缆，由于通讯光缆具有多纤芯结构，传感系统仅采用几根即可完成测量，因而即使出现故障，也可迅速切换至其他空余光纤进行测量。同时，本系统还可以通过光开关进行多通道切换测量，实现冗余配置。