OB欧宝第 卷增刊石 油 工 程 建 设 3577"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!分布式光纤温度检测技术!!!!在气体管道泄漏检测中的应用探讨!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"王志强，孙启昌（胜利工程设计咨询有限责任公司，山东东营 257026）摘 要 文章简要叙述了分布式光纤温度检测技术及其应用于泄漏检测的工作原理 介绍了此技术：，在哈萨克斯坦油田某原油处理生产线上的应用实例 展望了技术在国内输气管道中的应Tengiz，DTS用前景。关键词 分布式光纤温度检测 拉曼散射 泄漏检测：；；中图分类号： TH811TE973.6 文献标识码： A文章编号： 1001－2206 （2009 ） 增刊－0077－04引言伴随着管道敷设 检测管道的分布温度 就可以实，， 0自年英国南安普敦大学提出分布式光纤现管道的泄漏检测 并且具有很好的实时性和准确，1981 传感系统以来 分布式光纤传感系统逐渐性（DTS ） ，。 成为世界上很多国家研究的热点 利用光纤后向焦耳 汤姆逊效应。
1- 散射作为测温机理的分布式光纤传感系统主要有当气体在绝热的管道中流动时遇到一狭窄的孔 三种 分布式瑞利光纤温度传感器 分布式拉曼道 压力会显著下降 体积膨胀 温度也发生变：、，，， 光纤温度传感器和分布式布里渊光纤温度传感器。化 这种现象称为节流效应 也称作焦耳 汤姆逊，，- 其中分布式瑞利光纤温度传感器测温精度不高，效应 若把节流膨胀引起的温度变化用微分式表示。 对光纤有特殊的要求 难以形成产品化 分布式则有，。： 布里渊光纤传感器可达到多的测温长度 如，40 km坠Tμ J-T = # $（1）坠P 增加无源光中继器 则可以实现数百公里的测温H，，其中 为微分节流效应系数 表示经过节流 但由于其系统结构复杂 各种指标还有待提高μ J-T，，，膨胀后 气体的温度随压力的变化率 布里渊散射测温机制总体上还处于研究阶段 分，。。当输气管道出现泄漏时 产生焦耳 汤姆逊效，布式拉曼光纤温度传感器在工程技术上处于成熟-应 气体压力从管道工作压力下降为大气压力 泄 阶段。 1985 年英国的 Hartog 首次使用半导体激光石油泄漏检测，，漏点附近的温度也随之下降 只要测出沿管道的分 器作为光源 研制了分布式拉曼光纤温度传感器。
，布温度 就可以根据温度的变化趋势判断出有没有 实验装置 自此 分布式拉曼光纤温度传感器得，。 ，到了很大的发展 现技术已成熟出现泄漏。石油泄漏检测，。分布式光纤温度检测 （） 原理在 系统中 光纤既是传输媒体又是传感2DTS，DTS 媒体 它具有抗电磁干扰 电绝缘 耐腐蚀 本分布式光纤温度传感器的工作原理是采用光时，、、、 质安全 重量轻 体积小 可挠曲 对被测介质域反射法 (OTDR) 测量激光在光纤中传输时由光、、、、纤上各点产生的后向散射光 再根据拉曼散射光所 影响小等优点。，携带的温度信息 获取沿光纤路径的温度场的信技术应用于管道的泄漏检测 主要依据焦，，DTS 耳 汤姆逊效应 输气管道一旦发生泄漏 管道内息。。， - 高压气体泄漏到外部低压环境 由于焦耳 汤姆逊2.1 光的散射，-散射是光与物质相互作用的一种表现形式 当 效应 导致温度随之变化 基于这个原理 光纤。，。，石 油 工 程 建 设年 月782009 5 光通过介质时 大部分无方向改变 有小部分则中存在折射率的微观不均匀性 会产生散射 入射，，，。 偏离原来的方向而向空间散射开来 散射光在强光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为。
OB欧宝
t ， 度 方向 偏振态及频谱上都与入射光有所不同则激光脉冲在光纤中经过的路程为为光 、、，2L = vt 。 v 光散射的特性与介质的成分 结构 均匀性及物在光纤中的传播速度其中为真空中、、， v = C/n （ ， C 态变化都有密切的关系 光散射在宏观上可看作的光速 为光纤的折射率 在 时刻测量到的。， n）。 t 是由于介质的光学不均匀性或折射率的不均匀性是与光纤入射端距离为 处的背向散射光 在泄L。 所引起的 从量子理论的观点看 光散射是由光漏检测中 可以由此实现泄漏点的定位 另外。，，。， 子与微观粒子 原子 分子 电子及声子等 发生通过精确测量背向散射光的光功率 可以测量沿光( 、、)， 碰撞引起的 碰撞的结果是微观粒子吸收一个入纤长度上任一点的特性变化 以此可以确定光纤的。， 射光子 发射一个散射光子 同时发生能级跃迁损耗 光纤故障点及断点的位置曲线与光，，。、。 OTDR 在量子理论中 当光子入射到一个分子上时 如纤链路的对应关系如图 所示，，。2 果光子能量等于该分子某个等级的跃迁能 则有，机 可能将该分子转变到激发态 如果不等于该等级连械；终 熔接 熔 弯连终 跃迁能 其差值位于该跃迁能与最接近的实际状器结，结 接接 曲 接 态之间 则该分子可能被推到虚拟激发态 在绝，。
OB欧宝 大多数情况下 受激发分子将从虚拟激发态返回， 基态 在这种情况下 重新发射的光子具有与入，， 射光子相同的能量或频率 我们称这种情况为瑞。 利散射 有一小部分 约 -6处于（Rayleigh ） 。（ 10 ） 虚拟激发态的分子将回到某个激发态 因此再发， 射的光子能量 频率 比入射光的光子能量 频图2 OTDR 曲线与光纤链路的对应关系（ ）( 率 低 我们称这种光子为斯托克斯光光纤背向拉曼散射的温度效应 ) ，（Stokes ）2.3 子 有时入射光子碰到已处于激发态的分子 推散射光子计算 。，2.3.1 动该分子到某一虚拟激发态 然后直接衰变到基在频域里 拉曼散射光子分为斯托克斯和反拉，， 态 这时所发射的光子较入射光子具有较高的能曼斯托克斯散射光子 ，。 量 频率 我们称之为反斯托克斯拉曼斯托克斯散射频率（ ），（Anti-Stokes ）： v = v - Δv（2 ）s 0 光子 在这种情况下 光从介质中吸取了能量反拉曼斯托克斯散射频率。，，： v = v + Δv （3 ）s 0 发生的散射 称之为拉曼散射 根据热式中光纤的分子振动频率，（Raman ）。
Δv———，Δv = 1.32 × 平衡理论 已处于激发态的分子比例与温度有关13石油泄漏检测，。10 Hz ； 反斯托克斯光子比斯托克斯光子少得多 但用来测入射激光光子的频率，v0———。 量温度却非常有效 具体的散射光谱如图 所示在光纤 处的拉曼斯托克斯散射光子数为。1。L：N = K Sv4 N exp [- （α + α ） L] R （T） （4 ）ss0 ss入射光s e在光纤 处的反拉曼斯托克斯散射光子数为：L瑞利散射布里渊散射N = K S v4N exp [- (α + α ） L] R （T） （5 ）a a a e0 aa式中 Ks ， Ka——— 与光纤斯托克斯散射和反拉曼斯托克斯散射截面有关的系数； 反斯托克斯散射斯托克斯散射S——— 光纤的背向散射因子；vs ， va——— 斯托克斯和反拉曼斯托克斯散射光子频率；图 背向散射光谱1Ne——— 在光纤入射端的激光脉冲的光子数； 2.2 光纤光时域反射 （OTDR ） 原理分别为入射 拉曼斯托克斯α0 ， αs 、 αa———、激光脉冲以某一角度打入光纤中 由于光纤，散射 反拉曼斯托克斯散射、 第 卷增刊王志强等 分布式光纤温度检测技术在气体管道泄漏检测中的应用探讨 35：79光频率的光纤传输损耗；3.1 采用了光纤环网光纤待测处的长度将光纤从管道的一端沿管道敷设到另一端 然L———；，与光纤分子低能级和高后再沿管道敷设回来 组成一个环 激光源从光纤Rs（T）， Ra （T） ———，。
OB欧宝
能级上的布居数有关的一个端点发出激光脉冲进行测量 然后将激光源，的系数 并有切换到光纤的另一个端点 再一次进行测量 取几，：，，Rs （T ） = [1-exp （-hΔv / kT ）]-1（6 ） 何平均值作为最终测量结果。-1采用光纤环网进行测量提高了准确性 避免了Ra （T ） = [exp （- hΔv / kT ）-1]（7 ）， 式中普朗克常数由于沿光纤光损耗的不同所造成的不利影响 提高h———；，波尔兹曼常数了可靠性 即使光纤出现断点 仍然可以提供管道k———。，，解调方法全长的温度分布数据 保证数据的完整性 并且可，， 2.3.2用拉曼斯托克斯散射的 OTDR 曲线解调反拉以根据OTDR 原理指示出断点的位置。 曼斯托克斯散射的OTDR 曲线。3.2 双重冗余4采用两台设备 每台设备分别通过光纤，DTSNa Ka va=exp （-hΔv / kT ）! "传感器检测到压缩机站的管道和到注入站的管道。Ns Ks vs!"这样 即使一台设备出现故障 仍然可以得，，exp - （α -α ） L（8 ）DTSa s到完整的管道温度数据 如图 所示当T = T0 时 （T0 为已知起始温度），（8 ） 式为，3。
4Na （T0 ） = Ka va exp （-hΔv / kT ）压缩光纤传感器冗余回路! "0注入Ns （T0 ） Ks vs机站管汇exp ! （ ） "（9 ）- α -α La s式除以式 可得监控系统交叉连接（8 ）（9 ）石油泄漏检测，1 = 1 - k ln Na （T） Ns （T0 ） （10）T T0 hΔv ! Na （T0 ） Ns （T） "远程诊断由 （ ） 式可以得到 处的温度 。10LT从式中可以看出 这种测温方式测的是拉曼， 散射光中两种成分之比 与绝对值无关 因此即，， 使光纤随时间老化 沿程光损失增加 仍可消除，，远程监 光损失影响 保证测量精度，。控站 3 分布式光纤温度检测技术的应用案例图 双重冗余温度检测系统3哈萨克斯坦Tengiz 油田的原油处理厂采用的 是公司的光纤温度传感系统 实现了原油处三维的图形界面显示，Sensa3.3 理生产线的温度跟踪监视和泄漏检测。显示管道的三维走向 并且采用不同的颜色表，该处理厂处于高纬度地区 环境温度很低示管道的温度 使得温度分布一目了然，，，。
而且管道中的流体会释放出高含硫的气体 为了划分区域设定报警值。3.4 进行正常的操作 必须将管道温度维持在一个相根据不同管段的操作温度不同 可以将测温管，， 对较高的温度 如果加热设备出现故障或者管道道分为多个区域 每个区域可以独立设置报警值，，。 的绝缘材料受到破坏 则会产生如下危害 产生光纤敷设在管道的保温层内，：3.5 的会造成管道的腐蚀 液体会到达压缩机 现由于环境的低温影响 为了快速准确地测量管H S、、，2 场的低温会导致管道的破裂。道的分布温度 将光纤敷设在管道的保温层内 既，，为了避免上述危害 采用了公司的双重作为传感器 也作为传输媒体，Sensa，。 冗余温度检测系统 该系统基于采用感温光输气管道泄漏检测应用前景。DTS ，4 缆沿着酸气管道敷设 连续检测管道的温度分布随着我国输气管道的大量建设 了解输气管道，。， 系统具有如下特点：的泄漏情况对于保证生产的平稳运行以及对周边环石 油 工 程 建 设年 月802009 5 境人员的安全都是必要的保障 而以往比较成功多的应用，。 的用于液体输送管道泄漏的检测技术如负压波法、参考文献：张在宣 余向东 郭宁 等 分布光纤光子传感器系统的优 声波法等 都不太适用于气体输送管道[1]，， ， .Raman，。
化设计 光电子激光，， （ ）：而 DTS 技术从另一个角度——— 管道外部的温[J].1999 10 2 110-112.黄友锐 魏庆农 刘文清 等在光纤测试中的应用 阜阳 度场监测 给我们提供了一个新的解决方案 这[2]，，，.OTDR[J].石油泄漏检测，，师范学院学报 自然科学版（），2001 ，18（1）：12-14. 种方案的好处不仅能够实时监测管道的泄漏情况，蒋奇 分布式光纤温度传感技术在隧道检测中的应用 应用光[3] .[J]. 同时还避免了在管道上进行开孔安装的工作 保，学， ， （ ）：2005 26 3 20-22. 持了管道的完整性 减少了潜在泄漏点和维护点，。刘颖 光导纤维测温计及其在混凝土坝温度测量中的应用 贵[4] .[J]. 目前尚处于研究阶段的利用布里渊散射进行温度州水利发电，， （ ）：2000 14 4 81-84.丁辉 王立 张贝克 等 现代管道泄漏检测技术 现代科学仪器 场监测的技术也已崭露头脚 相信在不远的将来[5] ， ，， .[J].，，，，（ ）： 长距离输气管道的泄漏检测也可以采用DTS 技术进2005 6 11-15.张义强 杜永欣 吴国伟 等 油井分布式光纤测温系统研究与应 行检测。
OB欧宝[6]，，， .用 石油机械，， （ ）：[J].2003 31 6 6-8.就目前来讲 将分布式光纤温度检测技术应，盛建 张再宣 王建锋 等 公里远程分布光纤拉曼温度传感器[7] ，，， .30 用于输气管道的泄漏检测 在国内还很少见 可，，系统测试方法与技术的研究 计量技术，，（ ）：[J].2004 2 16-19. 供借鉴的经验不多 在施工方面还存在一些需要， 解决的技术问题 但是技术同其他的泄漏。， DTS作者简介 王志强男 山东诸城人 仪表工程：(1976-) ， ，， 检测技术相比 有它独特的优势 比如抗电磁干，，师年毕业于中国石油大学 华东 现从事油气田仪， 1998（ ）， 扰 本质安全 响应速度快 定位准确 可靠性表控制研究工作。 、、、、 高等 相信在气体管道的泄漏检测中会有越来越收稿日期： 2009-03-06， tion network, discusses the new techniques of pipeline optical fiber communication construction, including net- work hierarchy, rationalized network protection, discrepant service classification and functionalized communi- cation management.Key words: long-distance pipeline; optical fiber communication; network construction; mode （69 ） Automatic Control System at Gas Processing Plant in IndonesiaWANG Jing （ Shengli Engineering & Consulting Co., Ltd., Dongying 257026 ，China ）Abstract: The automatic control system at PBA Island Gas Processing Plant in Indonesia is an integrated control system (ICS), including process control subsystem (PCS) and security instrument subsystem. This paper reviews the general engineering situation of the plant and illustrates the configuration, function and integrating method of the automatic control system as well as the functional features of the two subsystems.Key words: Indonesia; natural gas processing plant; automatic control system （73 ） Control System of Emergency Heavy Sizing Reserve Depot（，），ZHANG Hua-dongShengli Engineering & Consulting Co., Ltd., Dongying 257026 ChinaZHAO Yan-liAbstract: In exploration, development and production of natural gas, it is quite necessary to establish an emergency heavy sizing reserve depot for ensuring safety of drilling and downhole gas test operations as well as for emergency handling and rescue in blowout accidents. The basic process flow of operation, configuration and function of control system of the emergency heavy sizing reserve depots are illustrated.Key words: emergency heavy sizing reserve depot; operation flow; control system （77 ） Discussion on Application of Temperature Detection Technique with Distributed Optic Fiber forGas Pipeline Leakage Detection（，）WANG Zhi-qiangShengli Engineering & Consulting Co., Ltd., Dongying 257026 China, SUN Qi-changAbstract: This paper depicts briefly the temperature detection technique with distributed optic fiber and its working principle for pipeline leakage detection, introduces the applied case in a crude oil treatment pro- duction line in Kazakstan Tengiz Oilfield, and gives the application prospects of DTS technique in domestic pipeline projects.Key words: temperature detection with distributed optic fiber; Raman scattering; leakage detection （81 ） Laser Monitor Technique of Natural Gas Pipeline Leakage in TunnelYU Dian-qiang （ Shengli Engineering & Consulting Co., Ltd., Dongying 257026 ，China ）Abstract: Existing electrochemical sensors and infrared light sensors are not suitable for pipeline safety monitoring in closed tunnelsbecause of their disadvantages such as short service life, frequent calibration needed and being sensitive to interference.Aimed at the field characteristics where the Puguangacid gas pipeline passes through the tunnel, a CH /H S leakage laser monitor instrument based on tunable semiconduc-4 2 tor laser spectrum has been developed for tunnel usage. Its main detection specifications are as follows: sensi-6 tivity 20 ×10 , response time ＜ 1 s, telemetering distance 1 km. The working principle, technical scheme and test results are introduced in this paper.Key words: natural gas; leakage; laser monitor; tunnel ··OFFSHORE ENGINEERING （83 ） Safety Consideration of Subsea Pipeline Construction in Chengdao OilfieldLIU Jin-kun ( China University of Petroleum (Huadong), Dongying 257061 ，China ), YAN Xiang-zhenAbstract: The special geophysical location and subsea geological condition, complicated pipeline network collocation and limited service life that depends mainly on corrosion problems as well as human factors such as dropping anchors and stealing oil, bringout hidden troubles and risks for the safe operation of subsea pipelines. In combination with the current status of subsea pipeline operation in Chengdao Oilfield, this paper analyses the main hidden safety troubles and puts forward improvement measures such as conducting periodic— 8—