基于光纤传感技术的易燃易爆气体泄漏监测研究.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 005 基于光纤传感技术的易燃易爆气体泄漏监测研究* 刘 洋 1， 高文傲2， 李登科2， 李明明2， 余 凡 2， 陈先锋2 （1.武汉电力职业技术学院电力工程系， 武汉430079；2.武汉理工大学资源与环境工程学院， 武汉430070） 摘 要 针对目前易燃易爆气体泄漏监测手段的不足， 提出了一种使用光纤光栅传感技术进行实时监测的 方法。根据实际工况搭建了管道输气系统， 使用空气作为传输介质模拟了易燃易爆气体发生泄漏的过程。 通过对监测点管道的振动加速度进行采集， 利用降噪和傅里叶、 变换的信号处理手段， 对振动波形进行分析。 结果表明 在管道发生泄漏时， 管道振动的振动加速度会发生一定程度的减小， 振动主频会略微变大。通过 光纤光栅传感技术， 对振动特征参数进行分析和计算， 可实现管道泄漏点准确定位。 关键词 气体；泄漏；光纤光栅；监测 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0022 －05 Research on Leakage Monitoring of Flammable and Explosive Gas based on Optical Fiber Sensing Technology LIU Yang1，GAO Wen-ao2，LI Deng-ke2，LI Ming-ming2，YU Fan2，CHEN Xian-feng2 （1. Department of Electrical Engineering，Wuhan Electric Technology College， Wuhan 430077，China；2. Department of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China） Abstract Aiming at the deficiency of the current monitoring means of flammable and explosive gas leakage，a of real-time monitoring using fiber Bragg grating sensing technology is proposed. According to the actual working conditions，the pipeline gas transmission system is built，and the use of air as the transmission medium simu- lates the process of flammable and explosive gas leakage. By collecting the vibration acceleration of the monitoring point pipeline，using the signal processing of denoising and Fourier trans，the vibration wave is ana- lyzed. The results show that when pipeline leakage occurs，the vibration acceleration of pipeline vibration will de- crease to a certain extent，the frequency of vibration will be slightly larger. Through the fiber Bragg grating sensing technology，the vibration characteristic parameters are analyzed and calculated，and the pipeline leakage point positio- ning can be realized well. Key words gas；leakage；fiber grating；monitoring 收稿日期2017 －12 －05 作者简介刘 洋（1977 －） ， 女， 讲师、 硕士， 研究方向为自动化控制 与监测预警系统开发， （E-mail）109795408＠ qq. com。 通讯作者陈先锋（1975 －） ， 男， 教授、 博士， 研究方向为工业安全与 防火防爆技术， （E-mail）cxf618＠ whut. edu. cn。 基金项目国家重点研发计划（2017KYC0804705） ； 国家自然科学基 金（NSFC51774221） 天然气、 氢气、 乙炔等气体是现代工业进行生产 和加工的必需品， 由于这类气体本身具有易燃、 易爆 的特性， 必须对其进行科学的管理和使用。近年来由 易燃易爆气泄漏导致的事故频发， 如2014年台湾高 雄“81” 燃气泄漏爆炸事故， 造成32人死亡，321人 受伤；2015年安徽芜湖“1010”重大燃气泄漏爆炸 事故， 造成17人死亡， 财产损失约1500万元。据不 完全统计， 仅2016年我国发生的燃气爆炸事故就多 达900多起， 造成120多人死亡，1100多人受伤。鉴 于燃气泄漏的危险性， 广大学者不仅在易燃易爆气体 万方数据 的储存和运输方面进行了分析［ 1-3］， 也在泄漏的监测 手段上进行了深入的探讨。目前， 国内外对输气管道 泄漏模型的研究较多， 监测方法大致分为两类 管内 监测法和管外监测法。管内监测法往往使用微小的 探测器， 通过探测管内的压力、 噪声或漏磁等， 实现较 为精准的泄漏定位。但探测器易在管道内发生堵塞、 不适合连续性监测和造价较高等缺点也较为明显［ 4］。 管外监测法手段较为丰富， 主要有人工巡检法、 瞬变 压力检测法、 流量平衡检测法、 负压波检测法、 声波检 测法、 热红外检测法和光纤检测法等［ 5-7］。其中， 光纤 检测法具有定位准确、 灵敏度高、 便于铺设、 抗干扰强 等优点， 是近年来研究的热门。 1 光纤布拉格光栅（FGB）传感原理 光纤布拉格光栅（FGB） 本质上是一种无缘滤波 器件， 其核心是通过紫外光曝光成栅技术改变内部 纤芯折射率， 使沿纤芯轴向的折射率发生周期性变 化， 从而产生布拉格光栅效应。光经过光纤布拉格 光栅时， 满足这个效应波长被反射， 其他波长则直接 透射， 如图1所示。 图1 光纤布拉格光栅传感原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of fiber Bragg grating sensing 反射光谱的中心波长λB与纤芯的有效折射率 neff和栅距Λ关系如下 λB＝ 2neffΛ（1） 由关系式（1） 可知， 反射光谱的中心波长λB受 纤芯的有效折射率neff和栅距Λ影响， 而影响这两 个因素的一般是外界作用， 因此通过λB的大小变 化可反推出相应的外界因素变化。 2 实验平台搭建 为减少环境的振动影响， 实验采用高压气瓶供 气并以压缩干燥空气作为传输介质。主管道为 DN50的镀锌钢管， 总长18 m。在主管道不同位置 设置了两套尺寸一样的泄漏模拟系统， 由DN15的 镀锌钢管、 闸阀以及常闭电磁阀串联构成， 当管道内 流通气体时， 可使用闸阀控制泄漏口的大小， 接通电 磁阀可模拟泄漏发生的情况。主管道尾端转接了一 段长0. 5 m的DN15镀锌管道， 结合阀门起到控制 流速以及稳压的作用。定制光纤采用紧贴方式沿主 管道上壁面铺设， 可对4个位置进行监测， 整个系统 由若干平稳的铁支架架空， 离地约10 cm。实验平 台布置如图2所示。 其中D1监测点距G1泄漏口水平距离1 m，D2 监测点距G1泄漏口水平距离4 m；D3和D4监测点 距G2泄漏口水平距离均为0. 5 m。实验时管内压 力约为0. 16 MPa， 主管道流量约15 m3／ h。进行泄 漏模拟实验时， 整个监测系统运行原理如图3所示。 当模拟泄漏时， 泄漏点引起的管道参数变化将 被贴在管道上的监测点光纤光栅检测到， 采集的数 据经由高频光纤解调器解调， 在电脑端经由分析软 件进行数据显示、 分析， 从而实现气体泄漏监测。 A －高压气瓶；B －减压阀；C1、C2－全通径球阀；D1 D4－光纤光栅监测点； E1、E2－气体流量计；F1、F2－压力传感器；G1、G2泄漏点；H －排气口 图2 实验平台布置图（ 单位m） Fig. 2 Layout of experimental plat（unitm） 32第34卷 第4期 刘 洋， 高文傲， 李登科， 等 基于光纤传感技术的易燃易爆气体泄漏监测研究 万方数据 图3 光纤光栅监测系统运行图 Fig. 3 Operation of fiber grating monitoring system 3 实验结果分析 本实验进行时只使用一个泄漏口进行模拟， 另 一个泄漏口处于关闭状态。实验设置的采样率为 4000 Hz， 将多组实验所得原始数据导入origin后生 成的图像极为相似（理论上各监测点采集的波形是 一样的， 只是由于光纤光栅的位置不同导致图像对 应的时间有微小的差异） ， 现给出D1和D2采集的 一组数据图像， 如图4所示。 可以看出当电磁阀开启后， 发生泄漏使得管道 振动加速度明显降低， 且管道正方向的振动加速度 明显大于负方向的振动加速度， 这与整个管道系统 的重力影响有关。图中出现的异常峰在电磁阀开启 时产生， 作为模拟泄漏瞬间产生的异常振动波被光 纤光栅传感器捕捉， （tDi，aDi）代表Di监测点检测到 的异常振动波波谷坐标， 将数据进一步进行降噪处 理后得到图像如图5所示。 图4 管道振动参数的变化 Fig. 4 The variation of pipe vibration parameters 图5 降噪处理后的异常振动波显示 Fig. 5 The abnormal vibration wave after noise reduction 表1为经过降噪后， 泄漏口G1开启时测得的实 验数据。 表1 G1泄漏时异常振动波传播到D1、D2的时刻 Table 1 When the G1leakage occurs，the moment of abnormal vibration wave propagates to the D1and D2 组别XD1／ sXD2／ s Δt （XD2－ XD1）／ s 第一组18. 3007518. 301500. 00075 第二组20. 3285020. 329250. 00075 第三组15. 1442515. 144750. 00050 平均值0. 00067 由已知的监测点位置， 按简单公式（2）可计算 出该异常振动波沿管壁传播的实际波速约 4477. 6 m／ s。 距离s ＝时间差Δt 波速v（2） 表2为经过降噪后， 泄漏口G2开启时测得的实 验数据。 使用表1数据测得的振动波速度， 结合表2数 据经过公式（2）简单计算可知， 理论上泄漏口G′ 2位 置应位于D4监测点一侧，距离实际泄漏口G2约 42爆 破 2017年12月 万方数据 0. 12836 m处， 这个数值与实际位置较为接近， 证明 泄漏点的定位效果良好。 表2 G2泄漏时异常振动波传播到D3、D4的时刻 Table 2 When the G2leakage occurs，the moment of abnormal vibration wave propagates to the D3and D4 组别 XD3／ sXD4／ s Δt （XD2－ XD1）／ s 第一组24. 2467524. 246750. 000000 第二组25. 7982525. 798500. 000250 第三组28. 4325028. 432500. 000000 平均值0. 000083 本实验进一步分析， 对原始数据进行傅里叶变 换。按照公式（3）将时间变量转化成频率变量， 做 了频谱分析（ 该过程使用MATLAB软件进行） 。 Fft ＝ － ∞ ＋ ∞fte － iωtdt（3） 最终得到的管道振动主频信息如图6所示。 实验条件下， 多组数据显示管道通气后振动的 主频大致在350 450 Hz之间， 发生泄漏时管道振 动主频率略微升高， 但总体而言变化不明显。 4 结论 （1） 当输气管道发生泄漏时， 光纤光栅传感系 统可捕捉到管道振动参数的变化。研究表明， 发生 气体泄漏会导致管道壁面振动加速度发生一定的降 低， 这一现象可作为判断泄漏是否发生的重要依据。 图6 管道主频分析 Fig. 6 Pipeline frequency analysis （2）当输气管道发生泄漏时， 管道主频会有略 微的升高， 但不能排除未知因素造成了影响。 （3） 通过本实验中的光纤光栅传感系统对管道 状态进行监测， 对采集的数据进行分析、 处理和计 算， 可准确地实现泄漏点的定位。 参考文献（References） ［1］ 刘乐荣.天然气运输中的安全管理分析［J］.河南科 技，2014（1） 239. ［1］ LIU Le-rong. 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