技术领域本发明涉及管道运输领域，具体而言，涉及一种分布式光纤泄漏监测系统。
背景技术：
管道运输是五大运输方式之一(铁路、公路、水运、空运、管道)，是石油和天然气产品的主要运输方式，是国家的能源动脉，因此，安全是油气管道的生命。泄漏是影响油气管道安全的主要因素。管道的腐蚀穿孔、突发性的自然灾害(如地震、滑坡、河流冲刷)以及人为破坏等都会造成管道泄漏乃至破裂，威胁到长输管道的安全运行。按损失程度的不同，泄漏可分为小漏(低于正常流量的3％)、中漏(在正常流量的3％～10％以内)、和大漏(超过正常流量的10％)三种。产生泄漏的原因可能千差万别。例如，小漏(或称为“砂眼”)通常发生于管道金属被周围介质腐蚀破坏时。埋地管线由于受土壤中电化学过程的作用，金属逐渐受到破坏，导致管壁上出现锈点和蜂窝，逐渐扩展到管道的全部壁厚。在土壤腐蚀的情况下，管壁穿孔速度可达6～7mm/年。发生泄漏的原因还可能是在管道施工过程中管道金属受到损伤，而在试压时又未能及时发现，这些呈小裂纹状的损伤在管线内外压力的作用下逐渐发展，从而导致出现砂眼或破裂。管线的工作压力过高，产生水击压力波，也可能使管线超压造成金属损伤和破裂。我国有大部分油气管道的运行时间已超过二十年，管道强度和涂层完整性都已进入危险期，整个油田管网已进入事故高发期，据统计，我国油田管道穿孔率为0.66次/(km.a)左右。近年来，由于原油价格上涨，国内不法分子受利益驱动疯狂地在输油管道上打孔盗油，严重干扰了正常的输油生产，给油田造成了巨大的经济损失。例如，胜利油田油气集输公司仅在1999年10月一个月内就发生盗油破坏泄漏点13处，损失原油数千吨，直接经济损失200多万元。虽然采取了加大巡查力度，重奖举报考或发现泄漏及时封堵等措施，但收效甚微。长距离输油管道盗油事件也时有发生，且呈蔓延之势。例如中洛输油管道严重时每年发生盗油泄漏事故达300余起之多，给管道造成了严重的经济损失，同时造成了严重的环境污染。管道泄漏产生的原因可归纳如下⑴管道材质不良，由于材质开裂，存在砂眼；⑵管道涂层损坏、脱落，造成管道腐蚀穿孔；⑶管道接头、阀门安装不良造成泄漏；⑷地下管道拥挤，在施工其他地下工程时影响所致；⑸高层建筑工程的重压，使地基下沉，致使管道开裂；⑹地质构造原因使地基下沉，造成管道开裂(如地震、地下水位下降等)；⑺穿越公路的管道由于重载车辆的通行而造成管道开裂；⑻人为盗油，造成管道穿孔。长输管道发生泄漏事故极其危险，因为除了损失油气产品之外，还会酿成爆炸或火灾事故，严重威胁管道沿线国家和人民的生命财产安全。另外，油气产品泄漏还会造成严重的环境污染，尤其是油品流入土壤和河流的危害更大，会污染水土介质，造成灭绝动植物。输油管道泄漏的污染面积可按下列经验公式估算：S＝53.5q0.89式中：S—污染面积(m2)q—泄漏量(m3)。因此，在油气管道的运行管理中，及时发现管道泄漏并确定漏点位置，对于保证管道的安全运行、减少因泄漏造成的经济损失和对环境的污染、防止爆炸和火灾事故的发生具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明提供一种分布式光纤泄漏监测系统，用以克服现有技术存在的至少一个问题。为达到上述目的，本发明提供了一种分布式光纤泄漏监测系统，其特征在于，包括：敷设在管道周围的多模感温光缆、分布式光纤测温主机以及运行在所述分布式光纤测温主机的测温软件，其中：多模感温光缆与分布式光纤测温主机相连，测温软件通过采集和分析入射光脉冲从多模感温光缆的一端注入后在多模感温光缆内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息，并根据得到的每一点的温度和位置信息得到关于整根多模感温光缆的不同位置的温度曲线；以及根据异常温度变化启动报警。进一步地，触发报警的事件分为以下三种类型：定温报警：设定报警阈值，当实测温度值超过阈值启动报警；温差报警：某个区域最高温度与最低温度之间的温度差值，当温度差值超过阈值时启动报警，阈值可设定；基于时间的温差速率报警：当超过报警阈值时，启动报警报警阈值可设定。进一步地，三种报警模式单独或组合使用。进一步地，当海底管道发生泄漏后，有大量高温热油渗漏到海泥中，改变管道周围海泥温度场，采用有限容积法处理饱和含水淤泥多孔介质流固耦合传热模型，根据这一特征得到控制方程如下：质量守恒方程：∂ρf∂t+▿(ρfU)=0---(1.2.1)]]>式中：U为流体速度m/s；ρf为流体密度kg/m3；t为时间s.动量守恒方程：∂(ρfu)∂t+▿(ρfuu)=-▿p+▿(uu)+(μαu+C212ρf|u|u)+(1-β)2(β2+ϵ)Amu---(1.2.2)]]>∂ρfv∂t+▿(ρfvv)=-▿p+▿(uv)+(μαu+C212ρf|v|v)+(1-β)2(β2+ϵ)Amv+ρfgα(T-Tref)---(1.2.3)]]>式中：u,v分别为U在x,y方向上的速度分量，m/s；p为孔隙压力，pa；μ为流体动力粘度，pa·s；α为流体膨胀系数，1/k；为多孔介质渗透率，m2；为惯性损失系数，m-1；Am为固液糊状区域常数；β为液相分数。能量守恒方程：∂∂t[ϵ(γρfhf+(1-γ)ρshs)+(1-ϵ)ρphp]+▿(v→(ρfhf))=▿[keff▿T]---(1.2.4)]]>其中：γ为液体所占空隙分数；hf为液相介质的焓,j/kg；hs为相变后固相介质的焓,j/kg；keff＝εkf+(1-ε)ks+(1-ε)kp,为有效导热率，w/m·k；kf为液相导热率，W/m·k；ks为固相导热率，W/m·k；kp为多孔介质骨架导热率，W/m·k；ρs＝ρf[1-α(T-Tref)]为固相介质密度，kg/m3。边界条件：y＝y0处，Tk为底层海水与海泥交界处温度，k；x＝-l,l处，∂T∂x|x=-l,x=l=0;]]>r＝RN处，α1为原油管道与管道内壁的当量换热系数，120w/(m3·k)；y＝0处，T＝TM为海底恒温层，这里取275k.附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1a为海底输油管的分布式光纤泄漏监测系统示意图；图1b为海底输油管横截面示意图；图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图2f、图2g分别为解决误报漏报所建立的数学模型的屏幕截图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。分布式光纤管道测泄漏系统原理：分布式光纤测温(DistributedTemperatureSensing)(DTS)技术最早示范成功是在1981年，Southampton大学在通讯光纤上测试成功。DTS系统于1986年正式投入商业化运作，在随后的时间里，伴随着光纤通讯的飞速发展，半导体激光器等一系列新技术、新产品的使用使得光纤传感行业也经历了前所未有的发展，光纤的本征特性和越来越多成功的案例充分证明光纤分布式测温系统已成为解决越来越多温度监测难题、火情预警与探测方面最佳解决方案。系统的优点：系统主要由两部分构成：分布式光纤测温主机和线性多模感温光缆。分布式光纤测温主机内部封装光器件、激光器、数据处理等部分组成，主要用于整个系统的参数配置、信号采集、信号分析和分析结果输出等功能。多模感温光缆作为线型传感器，光缆内含2根光纤，一根光缆可以长至数公里，甚至数十公里，通过分析光缆内不同位置上的光散射信号得到相应的温度信息。DTS系统可以准确地测量整根光纤上成千上万位置点温度信息，光纤固有的优良特性使得DTS系统具有如下优点：(1)在分布式光纤测温系统中，光缆既是温度传感器又是信号传输通道，不再需要其它的测量或传输装置；(2)一根光缆能够提供上万个测量点的信息，安装快捷简便且成本低廉，安装后无需维护；(3)光纤具有耐高温(能够承受超过1000℃的高温)、抗腐蚀、抗雷击和长寿命的特质，适用于各种复杂、有害或恶劣环境；(4)光纤具有抗射频和抗电磁干扰的特质，适用于高压场合；(5)光纤具有无静电、无辐射的特质，不会产生电火花，适用于易燃易爆环境；(6)光纤本身轻细纤柔，体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设等。(7)能提供管道、容器的全方位的实时温度信息，生成2D图表，对温度异常点能实现准确探测和定位DTS系统的工作原理：DTS系统同时利用单根光缆实现温度监测和信号传输，综合利用光纤拉曼散射效应(Ramanscattering)和光时域反射测量技术(OpticalTime-DomainReflectometry，简称OTDR)来获取空间温度分布信息。其中光纤拉曼散射效应(Ramanscattering)用于实现温度测量，光时域反射测量技术(OpticalTimeDomainReflectometer)用于实现温度定位，是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高科技技术，它能够连续测量光纤沿线的温度分布情况，测量距离在可达30公里，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。DTS测温原理：激光光脉冲射入传感用的光纤之中，在光脉冲向前的传播过程中，由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射现象，有一部分的散射光会按照入射光相反的方向传播，称之为背向散射光，返回的背向散射光包括：瑞利(RayLeigh)散射，由光纤折射率的微小变化引起，其频率与入射光脉冲一致；拉曼(Raman)散射，由光子与光声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差几十太赫兹；布里渊(Brillouin)散射，由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用引起。其频率与入射光脉冲相差几十吉赫兹；针对温度检测需求，Rayleigh散射信号对温度变化不敏感；Brillouin散射信号的变化与温度和应力有关，但信号剥离难度大；Raman散射信号的变化与温度有关，而且Raman散射信号相对容易获取和分析，因此工业应用主要采集Raman散射信号进行温度分析。Raman散射会产生两个不同频率的信号：斯托克斯(Stokes)光(比光源波长长的光)和反斯托克斯(Anti-Stokes)光(比光源波长短的光)，光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用此原理可实现对沿光纤温度场的分布式测量。DTS定位原理：光学时域反射技术(OTDR)最初用于评价通信光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗、光纤故障的手段。一般将DTS测温原理和定位原理称为ROTDR，其工作机理是向被测光纤发射光脉冲，发生拉曼散射现象，在光纤中形成背向散射光和前向散射光。其中，背向散射光向后传播至光纤的起始端(也就是光脉冲的注入端)，由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点，因此，根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置。d＝(c×t)/2×(IOR)其中，c是光在真空中的速度，而t是信号发射后到接收到信号(双程)的总时间，IOR是光纤折射率。通过采集和分析入射光脉冲从光纤的一端(注入端)注入后在光纤内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息，在得知每一点的温度和位置信息后，就可以得到一个关于整根光纤的不同位置的温度曲线。DTS系统：DTS能实现75Km长距离监测的高科技企业，可以实现75Km无中继的连续式温度监测和火灾报警，打破了国外光纤拉曼技术在长距离监测领域的长期技术垄断。DTS系统组成及主要功能：DTS提供了一个实时、多对象、多监测点、高精度、高可靠性、费用低廉的解决方案。将光缆直接敷设在待测物表面，在不影响待测物温度场的情况下，使光缆能直接感触待测物温度信息。分布式光纤测温系统包括如下组件：多模感温光缆：与分布式光纤测温主机采用E2000或者FC/APC相连，根据测温要求和测温环境具体定制光缆长度、规格；分布式光纤测温主机：2U标准机箱，机柜式；多路转换开关：多路转换开关的型号以通道数目来划分，最少2个通道，最多16个通道，每个通道接1根光缆；测温软件继电器输出模块液晶显示器4.2.5软件功能描述光纤多点测温应用软件提供以下主要功能：报警模式：异常温度变化报警。触发报警的事件分为以下三种类型：定温报警：设定报警阈值，当实测温度值超过阈值启动报警；温差报警：某个区域最高温度与最低温度之间的温度差值，阈值可设定；温差速率报警(基于时间)：报警阈值可设定；报警功能和设置：用户可以定制报警参数和报警模式，三种报警模式可以单独或组合使用；系统故障报警：系统自行监视激光强度、检测光纤健康状态，实现自我诊断和测试，并及时提示系统故障事件；报警与确认：当报警发生时，系统默认软件报警，可外接声光报警器，软件报警和声光报警均支持人工复位，报警信息将被自动存作历史资料。报警信息将按顺序显示，不会被覆盖或取消，并记录警报是否已被确认，报警音响可定制。周期性报表：系统将提供自动和手动报表(日/周/月)，并允许使用者按具体日期生成报表。具体功能如下：系统将按照所设定的参数收集和储存数据。报表将由软件编辑工具(诸如Excel)生成并自动存档，使用者还可透过该软件来定义报表格式；报表自动生成并自动存档。报表也可以在指定时段的指定时间自动生成；所有的报表可自动做成备份至硬盘；日期和修改将被记录在所有报表上。2D/3D曲线图：系统具有温度曲线图显示功能，可以显示实时数据或历史数据。趋势图将提供以下功能：某时段监测对象不同位置的温度分布曲线；某天监测对象某点的温度变化曲线；某时段监测对象某点的温度变化曲线；某天最高温度变化曲线。4.2.6主要技术参数光纤管线泄漏监测原理：分布式光纤泄漏检测装置采用温度检测和微应变混合检测，检测精度更高。在气输管道的泄漏处，由于管内的高压气体从管道泄漏处向外迅速外泄膨胀，从而导致泄漏处环境温度的变化，所以通过监测管道周围温度的变化就可以有效检测泄漏的发生。同时对于地下管线人为破坏挖沟接管等时候，也能产生温度的变化。利用分布式光纤测温系统连续测量沿管道的温度分布，当管道的温度变化超过一定的范围，就可以判断发生了泄漏。装置还可以通过检测管线周围环境的微应变来判断是否有偷盗天然气管线行为发生，当管线周围的土壤遭到破坏，土壤会产生震动，震动产生的应变力会迅速传到光纤上，主机会在几秒或十几秒内，分析判断出应变力发生的准确地点。通过解析软件就可以分析出泄漏和破坏点，分布式光纤泄漏监测装置可以在很短的时间(几秒或者十几秒)内准确测量管线泄漏的位置，通过生成的2D/3D图形给客户提供了强有力的指导。图1a为海底输油管的分布式光纤泄漏监测系统示意图；图1b为海底输油管横截面示意图；土壤作为一种多孔介质内部流动及相变过程相对复杂，而海泥相对土壤可以看做饱和含水土壤介质。由于海底管道敷设的条件特殊，当管道发生泄漏后，会有大量高温热油渗漏到海泥中，改变管道周围海泥温度场，采用有限容积法处理饱和含水淤泥多孔介质流固耦合传热模型。相变过程符合boussinesq近似。根据这一特征得到控制方程如下：质量守恒方程：∂ρf∂t+▿(ρfU)=0---(1.2.1)]]>式中：U为流体速度m/s；ρf为流体密度kg/m3；t为时间s.动量守恒方程：∂(ρfu)∂t+▿(ρfuu)=-▿p+▿(uu)+(μαu+C212ρf|u|u)+(1-β)2(β2+ϵ)Amu---(1.2.2)]]>∂ρfv∂t+▿(ρfvv)=-▿p+▿(uv)+(μαu+C212ρf|v|v)+(1-β)2(β2+ϵ)Amv+ρfgα(T-Tref)---(1.2.3)]]>式中：u,v分别为U在x,y方向上的速度分量，m/s；p为孔隙压力，pa；μ为流体动力粘度，pa·s；α为流体膨胀系数，1/k；为多孔介质渗透率，m2；为惯性损失系数，m-1；Am为固液糊状区域常数；β为液相分数。能量守恒方程：∂∂t[ϵ(γρfhf+(1-γ)ρshs)+(1-ϵ)ρphp]+▿(v→(ρfhf))=▿[keff▿T]---(1.2.4)]]>其中：γ为液体所占空隙分数；hf为液相介质的焓,j/kg；hs为相变后固相介质的焓,j/kg；keff＝εkf+(1-ε)ks+(1-ε)kp,为有效导热率，w/m·k；kf为液相导热率，W/m·k；ks为固相导热率，W/m·k；kp为多孔介质骨架导热率，W/m·k；ρs＝ρf[1-α(T-Tref)]为固相介质密度，kg/m3。边界条件：y＝y0处，Tk为底层海水与海泥交界处温度，k；x＝-l,l处，∂T∂x|x=-l,x=l=0;]]>r＝RN处，α1为原油管道与管道内壁的当量换热系数，120w/(m3·k)；y＝0处，T＝TM为海底恒温层，这里取275k.图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图2f、图2g分别为解决误报漏报所建立的数学模型的屏幕截图；从图中可以看出，随着时间的变化，温度场在变化。DTS管线泄漏监测的应用优点：在0.14Mpa压力下，泄漏孔径为2.0mm时，可以监测出0.3％泄漏量，定位误差小于1％；能对管线提供24小时实时监测，从管道开始泄漏到被监测出泄漏的时间非常短，事件一发生立即就被监控到；定位精度高，DTS管道测泄系统的定位精度为0.25米；系统运行稳定，发生死机现象的概率较低；误报率和漏报率较传统设备大大降低；对不同的管道环境具有很高的抗干扰性；系统所能提供的性能与建设、运行及维护费用的性价比高；算法先进、高滤波性、特征数据完善，光缆选型和铺设方式改进。本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。