摘要：平朔矿区供热主干管网根据地形变化情况以枝状方式采用架空与通行地沟相结合的方式进行敷设，由于矿区现有工业场地经过多年的建设，地下供水、供热、污水、通信等各类管线纵横交错，当外管网发生泄漏时，通过人工排查工作强度大，甚至需要对路面进行开挖，以便查找渗水点。为了提高供热质量，保证供热系统的安全性和可靠性，建立一个快速高效的供热管网泄漏点精确定位技术势在必行。
关键词：供热管网，快速高效，精确定位，泄漏点
1.矿区供热现状
平朔矿区矸石电厂二期集中供热工程供热首站设计供热能力为200.0MW，主要负责安太堡、安家岭、潘家窑区域建筑物供暖、矿井井筒保温以及生活热水供应。一次网供热管线全长34.2km，如此庞大的管网系统，现场缺乏必要的压力、流量监测数据及调度管理平台，管网管理未实现数据化、模型化，且矿区经过多年发展部分地埋供热管道逐步出现老化，出现漏水问题时很难做到及时发现并修复。当外网出现故障时，巡查人员仅能依靠经验或者全线巡查、局部开挖等方法来查找故障点，解决问题被动、耗时、效率低。
2.供热管网常用的检测方法
2.1.音听检漏法
音听检漏法分为阀栓听音和地面听音两种，前者用于查找漏水的线索和范围，简称漏点预定位；后者用于确定漏水点位置，简称漏点精确定位。漏点预定位是利用听漏棒、电子听漏仪或噪声自动记录仪来探测供水管道漏水范围的方法，根据使用仪器的不同，操作的方法也不尽相同，但其综合效果不好，该方法要求技术员经验丰富，环境噪声较小，一般需要在晚上进行，而且暖气管道有保温层，加之平朔矿区地下清水、污水、供热各类型管道错综复杂，使用听漏仪地面听音检测，效果不理想，绝大部分情况不能确定供热管道漏水点位置。
2.2.测温法
对于采暖管道，尽管漏出的水在向其它地方流动，但温度也在降低，漏点处温度最高。测温法就是测出温度最高处，从而找到漏点。测温法设备简单，投资小，操作简便。对于管道位置十分明确、供暖面积不大的区域具有一定的可行性，对于地形复杂，供暖面积广大的情况具有局限性。同时平朔矿区矸石回填区较多，部分回填区矸石因漏风氧化发生自燃造成地表温度较高，一定程度上增加采用该方法测定漏水点的难度。
2.3.超声波流量检漏法
超声波流量检漏法是将管道分成若干段，每一部分都安装上超声波流量计测定装置，应用流量平衡法来检测管道是否泄露。
该检漏法投资低、安装方便，简单而且容易实现。缺点是检测精度受到流量检测精度的限制，不能对泄露点进行定位。安太堡和安家岭区域供热管网敷设距离长，双管布置，支路管网较多，需加装大量的流量测定装置，且流量测定装置多安装于室外，电源接取较为困难，维护难度大。
2.4.分布式光纤泄漏监测
分布式光纤传感器应用于流体管道检测，它在实际物理量测量的同时可以实现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性，它有着传统传感器所无法比拟的优势。
3.分布式光纤泄漏监测系统简介
3.1.光纤管道测漏监测系统的工作原理
管道测漏监测系统利用单根光缆同时实现温度监测和信号传输，综合利用光纤拉曼散射效应（Raman scattering）、布里渊散射（Brillouin scattering）和光时域反射测量技术（Optical Time-Domain Reflectometry，简称OTDR）来获取空间分布信息。
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其中光纤拉曼散射效应（Raman scattering）用于温度测量，布里渊散射效应（Brillouin scattering）用于温度、应力测量，光时域反射测量技术（Optical Time Domain Reflectometer）用于定位，是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，测量距离可达30km—75km，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，特别适用于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。
3.2.光纤管道泄漏监测系统测漏原理
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、拉曼（Raman）散射、布里渊（Brillouin）散射三种。
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；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，因此矿区供热系统主要采集Raman 散射信号进行温度分析。
3.3.管道测漏监测系统定位原理
光学时域反射技术（OTDR）最初用于用于检验光纤损耗、光纤故障。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) （公式1）
其中：c是光在真空中的速度，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。
3.4.分布式光纤泄漏监测系统结构
分布式光纤泄漏监测系统能实现30km—75km长距离监测的光纤传感系统，可以实现30—75Km无中继的连续式泄漏监测和泄漏报警，包括单模/多模测漏光缆、分布式光纤泄漏监测主机、多路转换开关、管道泄漏监测软件及显示器几个部分。
分布式光纤泄漏监测系统主机是光纤分布式测漏监测系统的核心设备，一方面为现场测漏光缆提供激光脉冲信号，另一方面采集散射光信号进行分析，输出光缆沿线的温度数据和位置信息。单模测漏光缆作为分布式泄漏实时监测与信号传输的载体，外护套上带长度计米标志，通过E2000，FC/APC法兰与光纤测漏主机相连，可实现管道泄漏点的监测与定位，根据管道长度可定制不同长度和不同型号的光缆。
3.5.软件功能描述
(1)报警模式：管道异常情况将会发出报警信号。触发报警的事件可能为供热泄漏、施工破坏光缆、掘开填土而使管道外露等。
(2)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；
(3)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。
(4)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。
4.结论
平朔矿区供热管网分布范围广，距离长，因此埋地供热管道泄漏应侧重于采用以预防为主，监测为辅的手段。根据矿区供热管道泄漏引起的周围温度场变化特征，通过光纤分布式测漏监测系统主机对采集的散射光信号进行分析，即可输出光缆沿线的温度数据和泄漏位置信息，为矿区长达几十公里的供热管道泄漏监测预警指标的确定提供参考，具有实际指导意义。应用该技术后将会更大的保障矿区供热管道的安全运行、将泄漏事故造成的危害减少到最小。
参考文献
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[2]邹平华.热网故障与提高热网可靠性现状对比[J].暖通空调，2013.
[3]王宇青.供热工程.机械工业出版社，2017.
论文作者: 任华伟
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第05期
论文发表时间:2019/7/31
标签：光纤论文; 管道论文; 矿区论文; 管网论文; 温度论文; 信号论文; 分布式论文; 《科学与技术》2019年第05期论文;