一种天然气管道泄漏监测装置及方法与流程

1.本发明属于天然气管道泄漏检测技术领域，尤其涉及一种天然气管道泄漏监测装置及方法。


背景技术：

2.管道输送是天然气运输最常用的方式，具有安全可靠、能耗低、无污染且基本不受气候影响的优势。长输天然气管道经常穿越河流、山地、采空区等地形复杂的地区，管道极易遭受第三方损坏导致管道泄漏。如果不能及时发现管道裸露或泄漏并采取相应措施，必将对管道运营单位造成一定的经济损失，严重时可能会造成人员伤亡等重大事故。
3.管道泄漏通常会引起管道内部压力、流量、声波等特性的变化。因此，可以通过监测相关量的变化来检测管道泄漏。在过去的几十年里，科研人员提出了多种检测天然气管道泄漏的技术，常用的有声学传感技术、热成像技术、分布式光纤传感技术等。此外，中国专利cn105299477a公开了一种油气管道泄漏监控系统，包括监控中心、多个监控子站、光纤传感分析仪、激光器、传感光缆和分布式器气敏传感阵列，能够有效地监测油气泄漏现象、及时定位泄漏地点，减少人工排查的麻烦，减少损失和危害。
4.声学传感技术是利用泄漏源的声学特征和声波在管道中的传播规律进行管道的检测，但轻微的泄漏会产生很小的声音信号，系统无法检测到背景噪声，导致系统中出现许多误报。基于红外热像技术的管道泄漏检测难以区分正常压力波和泄漏，该方法仅对大规模瞬时泄漏有效，容易导致误报。采用分布式光纤声学传感技术在多点检测、抗环境干扰、定位精度提高、振动源类型自动识别等方面仍存在很多问题。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种天然气管道泄漏监测装置及方法，以解决上述技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明的一种天然气管道泄漏监测装置及方法的具体技术方案如下：一种天然气管道泄漏监测装置,包括传感管道，所述传感管道沿着地下天然气管道上方平行与天然气管道铺设，所述传感管道为可渗透气体，但不可渗透液体材料，天然气管道中泄漏的气体可进入传感管道内，所述传感管道内具有多个气体探测单元，所述气体探测单元与传感管道相嵌套并密封，所述气体探测单元用于探测传感管道中收集到泄漏气体的信号，所述传感管道端部伸出地面并连接抽气泵，所述抽气泵用于将传感管道中的气体往气体探测单元进行输送，标准光纤从地面伸入土壤连接每个气体检测单元后再从地面伸出连接信号分析单元，所述标准光纤输送激光光束到气体检测单元，信号分析单元分析气体检测单元的激光信号强度从而判断出是否存在甲烷泄漏。
7.进一步的，所述传感管道沿着天然气管道上方10-20cm平行与天然气管道铺设。
8.进一步的，所述传感管道包括一根带孔阵列的聚氯乙烯管，聚氯乙烯管外覆盖一
层乙烯-醋酸乙烯酯膜，所述乙烯-醋酸乙烯酯膜可渗透气体，但不可渗透液体，乙烯-醋酸乙烯酯膜外部包裹聚乙烯编织物。
9.进一步的，每个所述气体检测单元之间的间隔为5-10m。
10.进一步的，包括电流控制器、温度控制器、分布式反馈激光器和掺铋光纤功率放大器，所述电流控制器和温度控制器连接分布式反馈激光器，所述分布式反馈激光器连接掺铋光纤功率放大器，所述掺铋光纤功率放大器连接标准光纤；所述电流控制器用于控制分布式反馈激光器的输出电流；所述温度控制器用于控制分布式反馈激光器的工作温度；所述分布式反馈激光器用于发射激光光束；所述掺铋光纤功率放大器用于将分布式反馈激光器的输出功率进行放大。
11.进一步的，所述气体探测单元包括第一光纤耦合器、空芯光子带隙型光纤和第二光纤耦合器；所述标准光纤连接第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器连接空芯光子带隙型光纤，所述空芯光子带隙型光纤连接第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器连接下一段标准光纤，下一段标准光纤连接下一个气体探测单元。
12.进一步的，所述信号分析单元包括光电探测器、锁相放大器和数据处理中心，所述标准光纤伸出地面后连接光电探测器，所述光电探测器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接数据处理中心；所述光电探测器根据检测到的激光信号强度输出相应的电信号，所述锁相放大器用于检测光电探测器输出的电信号中的二次谐波信号；所述数据处理中心用于数据处理及显示，包括显示是否存在甲烷泄漏，甲烷泄漏浓度大小及根据二次谐波信号响应时间计算泄漏位置。
13.进一步的，所述空芯光子带隙型光纤长1m，一侧开有多个气孔。
14.本发明还公开了一种天然气管道泄漏监测的方法，包括如下步骤：步骤1：将抽气泵与传感管道相连接，打开抽气泵将传感管道中的气体从左往右进行输送；步骤2：将一个组合调制信号加载到电流控制器，然后设置温度控制器为27-30℃，控制分布式反馈激光器输出激光光束；步骤3：将分布式反馈激光器连接到掺铋光纤功率放大器，将分布式反馈激光器输出功率放大至160-200mw；步骤4：然后将通过掺铋光纤功率放大器后的激光通过标准光纤射入到气体探测单元，使得分布式反馈激光器的激光光束进入到空芯光子带隙型光纤9内；步骤5：当天然气管道发生泄漏时，传感管道将泄漏的甲烷气体收集到传感管道内并从左往右开始输送；步骤6：泄漏的甲烷气体进入空芯光子带隙型光纤内部时，根据朗伯-比尔定律，标准光纤输送分布式反馈激光器的激光光束与空芯光子带隙型光纤内部的甲烷气体接触并被吸收，激光强度变弱，此时光电探测器根据检测到的激光信号强度输出相应的电信号，其中，电信号中二次谐波项与泄漏气体的浓度成正比，锁相放大器检测出光电探测器输出的电信号中的二次谐波信号，根据二次谐波信号强度来确定泄漏气体浓度的大小；步骤7：最后数据处理中心根据锁相放大器检测出的二次谐波信号显示是否泄漏，根据二次谐波信号的幅值来反演甲烷泄漏浓度大小及根据二次谐波信号响应时间计算泄漏位置。
15.进一步地，所述步骤的调制信号包括一个幅值为800mv，5khz的高频正弦信号和10hz的锯齿波扫描信号，所述控制分布式反馈激光器输出中心波长1650nm的激光光束，功率为 3-5mw，线宽小于10mhz。
16.本发明的一种天然气管道泄漏监测装置及方法具有以下优点：本发明利用空芯光纤气体传感的优势，提供了一种空芯光子带隙型光纤气体传感的天然气管道泄漏监测方法，利用空芯光子带隙型光纤为气体吸收池来吸收传感管道中收集的痕量泄漏气体，然后通过光电探测器探测天然气管道泄漏的甲烷气体吸收信号，从而及时确定管道泄漏位置，在简化操作和降低成本的同时，能够对轻微泄漏的气体泄漏提供更高的检测精确度和灵敏度，更早的预警检修，降低事故发生概率。本发明提出的天然气管道泄漏检测方法比传统分布式光纤检测方法体积小、成本低、功耗较低，提高了仪器的稳定性和可靠性，同时也降低了设备的维护成本。
附图说明
17.图1为本发明的天然气管道泄漏监测装置结构示意图；图中标记说明：1.抽气泵；2.掺铋光纤功率放大器；3.分布式反馈激光器；4.电流控制器；5.温度控制器；6.气体探测单元；7.标准光纤；8.第一光纤耦合器；9.空芯光子带隙型光纤；10.第二光纤耦合器；11.光电探测器；12.锁相放大器；13.数据处理中心；14.传感管道；15.泄漏点；16.天然气管道；17.地下土壤。
具体实施方式
18.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种天然气管道泄漏监测装置及方法做进一步详细的描述。
19.如图1所示，天然气管道16埋在地下土壤17中，本发明的一种天然气管道泄漏监测装置包括传感管道14，传感管道14沿着天然气管道16上方10-20cm处平行于天然气管道16铺设，传感管道14由三部分组成，包括一根带孔阵列的聚氯乙烯管，聚氯乙烯管外覆盖一层薄的乙烯-醋酸乙烯酯膜，该膜可渗透气体，但不可渗透液体，最后外部用聚乙烯编织物保护。传感管道14的透气结构可以使天然气管道泄漏出来的气体容易进入传感管道内部。传感管道14端部伸出地面并连接一个抽气泵1，抽气泵1用于将传感管道中的气体从左往右进行输送。传感管道14内具有多个气体探测单元6，气体探测单元6与传感管道14相嵌套并密封，气体探测单元6用于探测传感管道14中收集到泄漏气体的信号，每个气体检测单元6之间的间隔约为5-10m。电流控制器4和温度控制器5连接分布式反馈激光器3，分布式反馈激光器3连接掺铋光纤功率放大器2，掺铋光纤功率放大器2连接标准光纤7，标准光纤7从地面伸入土壤连接每个气体检测单元6后再从地面伸出后连接信号分析单元。信号分析单元包括光电探测器11、锁相放大器12和数据处理中心13。标准光纤7伸出地面后连接光电探测器11，光电探测器11连接锁相放大器12，锁相放大器12连接数据处理中心13。标准光纤7用于将分布式反馈激光器3的激光光束导出。电流控制器4用于控制分布式反馈激光器3的输出电流。温度控制器5用于控制分布式反馈激光器3的工作温度。分布式反馈激光器3用于发射激光光束。掺铋光纤功率放大器2用于将分布式反馈激光器3的输出功率进行放大。光电探测器11根据检测到的激光信号强度输出相应的电信号，锁相放大器12用于检测光电探测器
11输出的电信号中的二次谐波信号。数据处理中心13为计算机，用于数据处理及显示，包括显示是存在甲烷否泄漏，甲烷泄漏浓度大小及根据响应时间计算泄漏位置。
20.当天然气管道16发生泄漏时，传感管道14吸收甲烷气体，并在抽气泵1的作用下使得气体在传感管道14内从左往右开始输送。泄漏的甲烷气体进入气体探测单元6，标准光纤7传送过来的激光被泄露气体吸收后强度减弱，光电探测器11根据气体探测单元6内的激光强度输出相应的电信号（包含各种噪声和各次谐波信号混合），锁相放大器12将光电探测器11输出的电信号中的二次谐波信号检测出，最后通过数据处理中心13得到甲烷泄漏浓度大小并根据二次谐波信号响应时间计算出泄漏位置。
21.具体的，气体探测单元6包括第一光纤耦合器8、空芯光子带隙型光纤9和第二光纤耦合器10。标准光纤7连接第一光纤耦合器8，第一光纤耦合器8连接空芯光子带隙型光纤9，空芯光子带隙型光纤9连接第二光纤耦合器10，第二光纤耦合器10连接下一段标准光纤7，下一段标准光纤7连接下一个气体探测单元6。空芯光子带隙型光纤9长1m，并在一侧开有10个直径微小的气孔，使得气体更充分的进入空芯光子带隙型光纤9内部。
22.分布式反馈激光器采用的是nanoplus公司生产的np-icl-1650-t066，中心输出波长为1650nm，功率为3-5mw, 线宽小于10mhz。
23.光电探测器采用的是vigo system公司生产的mct光电探测器。
24.锁相放大器采用stanford公司生产的sr830。
25.本装置的检测方法步骤为：步骤1：将抽气泵1与传感管道14相连接，打开抽气泵1将传感管道14中的气体从左往右进行输送。
26.步骤2：将一个组合调制信号，包括一个幅值为800mv，5khz的高频正弦信号和10hz的锯齿波扫描信号，加载到电流控制器4，然后设置温度控制器5为27-30℃，控制分布式反馈激光器3输出中心波长1650nm的激光光束，功率大于 3-5mw，线宽小于10mhz。
27.步骤3：将分布式反馈激光器3连接到掺铋光纤功率放大器2，将分布式反馈激光器3输出功率放大至160-200mw。
28.步骤4：然后将通过掺铋光纤功率放大器2后的激光通过标准光纤7射入到气体探测单元6，使得分布式反馈激光器3的激光光束进入到空芯光子带隙型光纤9内。
29.步骤5：当天然气管道泄漏点15发生泄漏时，传感管道14将泄漏的甲烷气体收集到传感管道14内并从左往右开始输送。
30.步骤6：泄漏的甲烷气体进入空芯光子带隙型光纤9内部时，根据朗伯-比尔定律，标准光纤7输送分布式反馈激光器3的激光光束与空芯光子带隙型光纤9内部的甲烷气体接触并被吸收，激光强度变弱，此时光电探测器11根据检测到的激光信号强度输出相应的电信号（包含各种噪声和各次谐波信号混合），其中，输出的电信号中二次谐波项与泄漏气体的浓度成正比，锁相放大器12检测出电信号中的二次谐波信号，根据二次谐波信号强度来确定泄漏气体浓度的大小。
31.步骤7：最后数据处理中心13可以根据锁相放大器12检测出的二次谐波信号显示是否泄漏，根据二次谐波信号的幅值来反演甲烷泄漏浓度大小及根据二次谐波信号响应时间计算泄漏位置。
32.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱
离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。