煤矿管道泄漏监测系统设计

(山东省科学院激光研究所山东省光纤传感技术重点实验室，山东济南　250014)

摘要：针对煤矿井下管道运行情况监测采用人工巡查法存在的耗费人力、物力及突发状况下难以发现泄漏点的问题，基于光纤传感技术及负压波信号检测与定位原理设计了一种煤矿管道泄漏监测系统，给出了系统结构，介绍了光纤压力传感器增敏结构、负压波下降沿信号精确获取技术等系统关键技术，并对系统进行了长期运行试验和可靠性试验。试验结果表明，该系统运行稳定、可靠，能有效识别阀门开闭、泵启停等正常工况变化，并能对突发的管道泄漏进行定位，定位误差小于1%。

关键词：煤矿管道；泄漏监测；泄漏点定位；光纤传感；负压波

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1024.019.html

0　引言

煤矿井下自然环境恶劣，井下供水、通风及瓦斯抽放管道长期遭受淋水侵蚀、巷道变形等因素的影响，管道泄漏或压力不足情况时有发生，不仅浪费了宝贵资源，也给煤矿企业造成了巨大经济损失。

目前普遍采用人工巡查方法检查井下管道运行情况，不仅耗费大量的人力、物力，而且在发生突发事故时难以及时发现泄漏点，造成大规模资源浪费。近几年出现了电子式管道泄漏检测系统，但由于煤矿井下瓦斯聚集严重，该系统用于井下存在严重安全隐患，所以未得到大规模推广应用[1-2]。

本文基于光纤传感技术的本质安全、可靠性高、复用性强、传输距离远等特点[3-5]，设计了一种煤矿管道泄漏监测系统。该系统采用光纤传感技术监测井下供水、瓦斯抽放管道的温度、压力、流量，实时反映管道压力变化情况，对管道泄漏等异常情况进行报警并进行泄漏点定位，能最大限度地缩短因压力不足对采掘工作面造成的影响[6]。

1　管道泄漏监测及定位原理

管道发生泄漏时，管道内外压差变大，流体迅速流失，导致泄漏点处局部液体密度减小，压力瞬间降低[7-8]。管道中的流体由于流动连续性，不会立刻改变流速，引起泄漏点上、下游区域内的流体向泄漏区域迅速填充，导致泄漏点相邻区域流体密度减小、压力降低，这种压力下降的趋势逐渐向管道两端扩散，形成负压波[9]。因此，可在管道两端分别安装光纤压力传感器，实时监测管道负压波信号。对于不同的泄漏点，负压波到达管道两端光纤压力传感器的时间差也不同。根据管道长度、负压波传播速度及时间差，即可实现管道泄漏点定位[10]。

图1　管道泄漏监测及定位原理

设光纤压力传感器A，B之间的管道长度为L，泄漏点为C，泄漏点C产生的负压波信号传到光纤压力传感器A的时间为tA，传到光纤压力传感器B的时间为tB，则负压波信号全程传播时间为

理想状况下，设负压波在流体介质中的传播速度为v，则有tL=L/v，tA=LAC/v，tB=LCB/v，其中LAC，LCB分别为泄漏点C到光纤压力传感器A，B的距离。

泄漏点C产生的负压波信号到达光纤压力传感器A，B的时间差为

2　系统结构

煤矿管道泄漏监测系统由1台工控机和若干远端传感器采集终端组成，具体包括光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤激光瓦斯传感器、光纤流量传感器、单模光纤、耦合器、多芯光缆、光纤光栅解调仪、光纤瓦斯解调仪、工控机等，如图2所示。光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤流量传感器通过单模光纤连接耦合器，耦合器通过多芯光缆连接光纤光栅解调仪。光纤激光瓦斯传感器通过多芯光缆直接连接瓦斯解调仪，光纤光栅解调仪、光纤瓦斯解调仪通过网口与RS485接口连接工控机。工控机对检测信号进行解析处理，实时监测管道内部温度、压力、瓦斯浓度、流量及负压波信号，通过对管道运行状态进行实时多参数综合分析，实现管道泄漏监测及管道运行状态综合评估。

图2　煤矿管道泄漏监测系统组成

3　系统关键技术

系统采用高灵敏度、快速响应光纤压力传感器，通过研发光纤压力传感器动态模型，选取优良的弹性力学材料，优化膜片直径与厚度比值，仿真分析感应膜片表面应变分布规律及感应灵敏度，提高了传感器响应频带及固有频率；设计了动态标校系统，对光纤压力传感器进行瞬态标校，并通过实验分析、测试传感器的快速响应性能，计算响应误差。

光纤压力传感器结构如图3所示。光纤光栅(FBG)的一端粘贴在螺丝固定的基片上，另一端粘贴在与连杆焊接在一起的粘贴平台上。当外界压力发生变化时，在膜片左右形成压差，膜片会发生位移，同时带动连杆动作，导致FBG拉伸或收缩，光栅中心波长λB发生偏移，通过检测λB的变化即可得到压力值。

图3　光纤压力传感器结构

管道实际运行过程中，受各种干扰因素的影响，负压波信号强度较弱且特征不明显，负压波下降沿识别困难。煤矿管道泄漏监测系统的采样频率为20 Hz，若因负压波下降沿不清晰造成突变点捕获误差6个特征点，会导致Δt采样误差为300 ms，进而造成150～180 m的定位误差。

系统采用无相移滤波降噪方法处理泄漏发生时负压波下降沿拐点的幅值与相位信息，去除泄漏负压波高频噪声信号影响，保留负压波有效低频信号，获取清晰、稳定的负压波下降沿信息[11]；同时根据泄漏点上下游光纤压力传感器捕捉的负压波信号幅值衰减规律，确定泄漏诊断过程中上下游光纤压力传感器负压波拐点评判标准，精确定位有效信号特征点。系统实际运行中，对管道两端光纤压力传感器监测的负压波信号进行滤波降噪处理后的结果如图4所示。

图4　经滤波降噪处理后的负压波信号

4　系统测试

在某公司排水管道及瓦斯抽放管道对煤矿管道泄漏监测系统进行测试。排水管道全长11.6 km，管道内径100 mm，排水量为80 m3/h；瓦斯抽放管道全长5.8 km，内径100 mm。

图5为瓦斯抽放管道远端直管温度长期监测数据，可看出管道内温度在15 ℃左右波动，波动范围约为10 ℃，每次波动最高温度在每天中午时间段，最低温度在每天早晨时间段，与日间正常温度变化相符。

图6为供水管道累计流量长期监测数据，管道基准累计流量为230 m3。T2时间段因系统关闭，系统数据库没有监测数据；在T3时间段，系统工控机电源损坏，系统停止工作，数据库没有监测数据；在T1，T4时间段，供水管道水泵开启，供水管道内有水流通过光纤流量传感器，使得供水管道累计流量呈阶梯状上升。

图5　瓦斯抽放管道温度长期监测数据

图6　供水管道累计流量长期监测数据

在管道正常工况下，分别对管道系统进行停启泵、开关阀门操作，每次停泵时间为3～4 min，以检验系统对管道正常工况变化的有效识别能力，试验结果见表1。可看出系统能够有效识别管道运输过程中停启泵、开关阀门等正常操作，实验过程中未出现泄漏误报等异常情况。

表1　系统对管道正常工况变化的识别试验结果

为了进一步测试系统监测管道泄漏的可靠性及泄漏点定位能力，通过开关安装在管道上的4个阀门模拟管道泄漏过程。试验结果见表2。可看出系统能对管道突发的泄漏事故进行有效判断，并能对泄漏点进行定位，定位误差小于1%，满足实际应用要求。另外，在4次试验中，系统均在管道发生泄漏后10 s内报警。

5　结语

将光纤传感技术引入煤矿井下管道监测领域，开发了一种煤矿管道泄漏监测系统。该系统误报率低，定位精度高，运行稳定可靠，能够根据管道实际工况有效监测泄漏事故的发生。另外，该系统本质安全，无需供电，适用于煤矿恶劣环境下的管道泄漏监测及整体性能评估。

表2　系统对管道泄漏的监测及泄漏点定位试验结果

该系统已成功应用于煤矿供水及瓦斯抽放管道泄漏监测，为后期整个管道的状态评估提供了长期、大量、全面、可靠的数据。目前该系统存在的问题是单纯采用负压波信号，只能监测突发性的管道泄漏事件，对于因管道腐蚀等引起的管道长期缓慢泄漏，系统监测效果不理想。下一步将研究多参数、多种泄漏监测技术相结合的煤矿管道泄漏监测系统。

[1]　许斌,刘广文,谭东杰.管道泄漏监测系统及方法：中国：201410010630.7[P].2014-05-07.

[2]　林伟国,刘超源.一种管道泄漏定位方法：中国,201210055039.4[P].2012-07-18.

[3]　冷建成,周国强,吴泽民,等.光纤传感技术及其在管道监测中的应用[J].无损检测,2012,34(1)：61-65.

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[5]　HANG Lijun,HE Cunfu,WU Bin.Novel distributed optical fiber acoustic sensor array for leak detection[J].Optical Engineering,2008,47(5):41-45.

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Design of pipeline leakage monitoring system for coal mine

(Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology of Shandong Province,Laser Research Institute of Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014,China)

Abstract：For problems existed in manual inspection method of pipeline running monitoring in coal mine underground such as laborious consumption,time consumption,difficult leak point detection under sudden conditions and so on,a pipeline leak monitoring system for coal mine was designed which was based on optical fiber sensing technology and negative pressure wave signal detection and location principle.Structure of the system was introduced as well as key technologies including enhancement sensitivity structure of fiber pressure sensor and accurate acquisition technology of negative pressure wave falling edge signal.Long-time running test and reliability test of the system were taken out.The test results show that the system can identify normal operation status of valve and pump,and locate pipeline leakage point under sudden condition with location error of less than 1%,which has stable and reliable operation.

Key words：coal mine pipeline; leakage monitoring; leakage point location; fiver sensing; negative pressure wave

文章编号：1671-251X(2016)10-0012-04　　　DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.003

赵林，王纪强，侯墨语.煤矿管道泄漏监测系统设计[J].工矿自动化，2016,42(10)：12-15.

基金项目：山东省自主创新成果转化重大专项资助项目(2014ZZCX03405)。

作者简介：赵林(1981-)，男，山东淄博人，助理研究员，硕士，主要从事光纤传感及管道监测技术的研究工作，E-mail：linzhao1225@126.com。

煤矿管道泄漏监测系统设计

0 引言

1 管道泄漏监测及定位原理

2 系统结构

3 系统关键技术

4 系统测试