一种冻土区油气管道监测系统技术方案

本发明专利技术是一种基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道监测系统。在冻土区的油气管道(2)表面及其周围安装温度传感器组，在油气管道(2)周围安装含水量传感器组，在油气管道(2)一侧安装光纤光栅位移传感器组，所有传感器串联熔接，由光缆(12)引到监测站里，光缆(12)与光开关(13)连接，光开关(13)与光纤光栅解调仪(14)连接，光纤光栅解调仪(14)与下位机(15)连接，下位机(15)预处理后的数据通过卫星通信模块(16)传输至低轨道卫星(17)，低轨道卫星(17)将数据转发至卫星通信模块(18)，卫星通信模块(18)将接收到的数据传输到上位机(19)进行分析和处理。本发明专利技术精度高、稳定性高、低成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道监测系统，涉及长度的测量、温度的测量、其它类不包括测量、一般的控制系统和管道系统

技术介绍
冻土是一种特殊的土类，温度为负温或零温，并且含有冰的土，称为冻土。按土的冻结状态保持时间的长短，冻土一般又可分为短时冻土(数小时至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(两年以上)。我国冻土非常发育，多年冻土面积约为211万平方公里，占我国国土总面积的23％，在世界上占第三位，主要分布在青藏高原、西部高山和东北大、小兴安岭；季节性冻土面积约为514万平方公里，约占国土总面积的53.5％。其中，中深度季节冻土(＞1m)约占国土面积的1/3，主要分布于东北三省、内蒙古、甘肃、宁夏、新疆北部、青海和川西等地。发达国家输油管道建设已有100多年历史，很多冻土地区蕴藏有巨大的油气资源，相应地油气管道工程设计和施工成为这些地区石油工业最新的挑战。从20世纪60年代开始，大口径管道开始主导北美北部和西伯利亚多年冻土地区油气田输运市场。二战期间，克努儿(Canol)管道从加拿大罗曼井输运原油到美国的阿拉斯加州费尔班克斯市(Fairbanks)；1956年管径为203mm的油管从阿拉斯加州海因斯市(Haines)到费班克斯市修筑成功；20世纪70年代早期，前苏联多年冻土区已有输油管道；1977年，长1280km、直径为1220mm的输油管道将美国阿拉斯加州北坡低温多年冻土区的原油源源不断地输运到阿拉斯加南部的天然不冻港瓦尔迪斯(Valdez)，然后油轮将原油输运到加州。20世纪80年代中期，从加拿大罗曼井到加拿大阿尔波特(Alberta)省北部咱马(zama)湖、长869km、口径30.5cm的环境温度管道按时完成铺设，罗曼井管道是加拿大多年冻土区第一条完全埋设的输油管道。这些管道在运营期间，均受到冻土区冻胀融沉灾害的威胁甚至破坏。其中，克努儿(Canol)管道在开始运行后前9个月，管道沿线约有700x104L原油泄漏。Mackenzie河岸上一个12700m3的储油库破裂，大部分储油流入河流中。1945年日本投降后，该管道很快就被拆除；罗曼井管道沿线途经不连续多年冻土，施工和运行中遇有冻胀和融沉问题，通过长达17年的监测，发现管道沿线多年冻土持续融化和沉降导致融化深度达3-5m(湖相沉积)或5-7m(粗颗粒矿质土)，以及显著的地面沉降。我国在多年冻土地区修建的第一条长输油气管道，即格尔木-拉萨输油管道(简称格拉线)，格拉线于1972年由中国人民解放军施工，1977年基本建成，长达1076km，管径159mm，管壁厚6mm，投资2.3x108元。格拉线工程修建和维护十分困难，全线穿越河流108条，穿越公路123处，900多公里管线在海拔4000m以上(最高处海拔5200m)，560km位于多年冻土区，冻结期长达8个月。格拉线自1977年运行以来，冻胀、融沉问题已经造成多次“露管”现象。中俄原油管道北起漠河首站中俄黑龙江边界线，南至大庆末站，全长960多公里，途经两省五市十二个县区，穿越440公里原始森林，11条大中型河流，5个自然保护区。管道沿线地势北高南低，北部地形起伏较大，沿线为大兴安岭低山、丘陵及河谷地貌，南部为松嫩平原，地形平坦开阔；漠河-加格达奇段约460km为山区、林区、多年冻土区，多年冻土总长度约314km，其中少冰、多冰多年冻土209km，饱冰、富冰多年冻土62km，冻土沼泽43km。管道面临着严重的冻胀融沉灾害威胁。针对管道面临的冻胀融沉问题，国内外运营单位采取了积极的应对措施。罗曼井管道1985年投产后，管道日常监测计划作为项目运行的重要组成部分一直在实施，除每周一次的飞机空中巡线外，还在管道沿线安装了大量的检测仪表以记录运行数据，并在每年9月，即管道沉降最大时进行一次现场勘测以完成管道沿线的实地调查、仪器数据的记录和滑坡地段的现场评估等工作。1989年后，罗曼井管道采用管道内检测器进行每年一次的内检测，以评估不稳定土体运动和差异性融沉对管道的影响程度，随着检测数据的不断积累和扩充，为管道技术性能的评估提供了良好的基础。Norman wells管道是第一条埋设于加拿大北部多年冻土区的油气管道，由加拿Enbridge公司负责管理和运营，在各种条令法规的要求下，已建立了一个计划周密、操作性强的监测系统，其中包括冻土融沉监测、管道内检测、翘曲上拱检测、折皱检测、边坡检测、木屑层状况检测和温度监测等七个方面的内容。格拉管道也通过定期巡线、安装压力、温度传感器等监测冻土的变化。虽然国内外管道运营单位采取了积极的措施应对冻土区的冻胀融沉灾害，但是由于冻胀融沉灾害的形成机理非常复杂，而且不同地区的冻土特性各不相同，目前国内外并未见有成熟的监测技术，可以监测冻胀融沉灾害对管道的影响。针对上述情况，本专利技术提出了基于光纤光栅传感技术的冻土区管道的监测系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是专利技术一种高精度、高稳定性、低成本的基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道的监测系统。本专利技术提出了一种基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道的监测系统。系统采用光纤光栅传感技术，对冻土及其影响下的油气管道进行联合监测。并构建了监测系统，实现了数据的实时自动采集、远程传输和自动分析。本专利技术提出的基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道监测系统，其监测内容包括三部分：管体位移监测、冻土区温度监测、冻土区含水量监测。其中，管体位移监测采用光纤光栅位移传感器实时在线监测，冻土区温度监测采用光纤光栅温度传感器实时在线监测，冻土区含水量监测采用光纤光栅含水量传感器实时在线监测。本冻土区油气管道监测系统如图1所示，该系统分为现场数据采集传输子系统和数据分析显示子系统，具体包括光纤光栅位移传感器组、光纤光栅温度传感器组、光纤光栅含水量传感器组、现场监测站、远程监控中心。冻土区油气管道监测系统的总体构成如图1所示。在冻土区1的油气管道2表面及其周围安装多个光纤光栅温度传感器a3、光纤光栅温度传感器b4、光纤光栅温度传感器c5组成的温度传感器组，在油气管道2周围安装多个光纤光栅含水量传感器a6、光纤光栅含水量传感器b7、光纤光栅含水量传感器c8、光纤光栅含水量传感器d9组成的含水量传感器组，在油气管道2一侧，安装多个光纤光栅位移传感器a10、光纤光栅位移传感器b11，所有传感器串联熔接，然后通过光缆12引到监测站里，光缆12与光开关13连接，光开关13与光纤光栅解调仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冻土区油气管道监测系统，其特征是该系统分为现场数据采集传输子系统和数据分析显示子系统，具体包括光纤光栅位移传感器组、光纤光栅温度传感器组、光纤光栅含水量传感器组、现场监测站、远程监控中心；冻土区油气管道监测系统的总体构成为：在冻土区1的油气管道2表面及其周围安装多个光纤光栅温度传感器a(3)、光纤光栅温度传感器b(4)、光纤光栅温度传感器c(5)组成的温度传感器组，在油气管道(2)周围安装多个光纤光栅含水量传感器a(6)、光纤光栅含水量传感器b(7)、光纤光栅含水量传感器c(8)、光纤光栅含水量传感器d(9)组成的含水量传感器组，在油气管道(2)一侧，安装多个光纤光栅位移传感器a(10)、光纤光栅位移传感器b(11)，所有传感器串联熔接，然后通过光缆(12)引到监测站里，光缆(12)与光开关(13)连接，光开关(13)与光纤光栅解调仪(14)连接，光纤光栅解调仪(14)与下位机(15)连接，下位机(15)预处理后的数据通过卫星通信模块(16)传输至低轨道卫星(17)，低轨道卫星(17)接收到数据后将数据转发至卫星通信模块(18)，卫星通信模块(18)将接收到的数据传输到上位机(19)进行分析和处理，从而实现对冻土区油气管道的安全监测；多个光纤光栅温度传感器a(3)、光纤光栅温度传感器b(4)、光纤光栅温度传感器c(5)、光纤光栅含水量传感器a(6)、光纤光栅含水量传感器b(7)、光纤光栅含水量传感器c(8)、光纤光栅含水量传感器d(9)、光纤光栅位移传感器a(10)、光纤光栅位移传感器b(11)分别将管道周围的温度、水分及管体位移信号经光缆(12)传到光开关(13)，经光纤光栅解调仪(14)解调传至下位机(15)，下位机(15)调用自编的程序，控制光开关(13)和光纤光栅解调仪(14)，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过卫星通信模块(16)传输至低轨道卫星(17)，低轨道卫星(17)接收到数据后将数据转发至卫星通信模块(18)，卫星通信模块(18)将接收到的数据传输到上位机(19)进行分析和处理，判断冻土区管道的安全状态。...

【技术特征摘要】
1.一种冻土区油气管道监测系统，其特征是该系统分为现场数据采集传
输子系统和数据分析显示子系统，具体包括光纤光栅位移传感器组、光纤光
栅温度传感器组、光纤光栅含水量传感器组、现场监测站、远程监控中心；
冻土区油气管道监测系统的总体构成为：在冻土区1的油气管道2表面及其
周围安装多个光纤光栅温度传感器a(3)、光纤光栅温度传感器b(4)、光纤光栅
温度传感器c(5)组成的温度传感器组，在油气管道(2)周围安装多个光纤光栅含
水量传感器a(6)、光纤光栅含水量传感器b(7)、光纤光栅含水量传感器c(8)、
光纤光栅含水量传感器d(9)组成的含水量传感器组，在油气管道(2)一侧，安装
多个光纤光栅位移传感器a(10)、光纤光栅位移传感器b(11)，所有传感器串联
熔接，然后通过光缆(12)引到监测站里，光缆(12)与光开关(13)连接，光开关(13)
与光纤光栅解调仪(14)连接，光纤光栅解调仪(14)与下位机(15)连接，下位机(15)
预处理后的数据通过卫星通信模块(16)传输至低轨道卫星(17)，低轨道卫星(17)
接收到数据后将数据转发至卫星通信模块(18)，卫星通信模块(18)将接收到的数
据传输到上位机(19)进行分析和处理，从而实现对冻土区油气管道的安全监测；
多个光纤光栅温度传感器a(3)、光纤光栅温度传感器b(4)、光纤光栅温度
传感器c(5)、光纤光栅含水量传感器a(6)、光纤光栅含水量传感器b(7)、光纤
光栅含水量传感器c(8)、光纤光栅含水量传感器d(9)、光纤光栅位移传感器
a(10)、光纤光栅位移传感器b(11)分别将管道周围的温度、水分及管体位移信号
经光缆(12)传到光开关(13)，经光纤光栅解调仪(14)解调传至下位机(15)，下位机
(15)调用自编的程序，控制光开关(13)和光纤光栅解调仪(14)，实现数据的采集
并对数据进行预处理；预处理后的数据通过卫星通信模块(16)传输至低轨道卫星
(17)，低轨道卫星(17)接收到数据后将数据转发至卫星通信模块(18)，卫星通信
模块(18)将接收到的数据传输到上位机(19)进行分析和处理，判断冻土区管道的
安全状态。
2.根据权利要求1所述的一种冻土区油气管道监测系统，其特征是其原理
框图为：它分为现场数据采集传输子系统和数据分析显示子系统；系统又包括位移
监测装置、温度监测装置和含水量监测装置三部分；现场数据采集传输子系统的组
成是：光纤光栅位移传感器、光纤光栅温度传感器和光纤光栅含水量传感器的输
出接光开关的输入，光开关的输出接光纤光栅解调仪的输入，光纤光栅解调仪输
出接下位机的输入，下位机输出接卫星通信模块；现场数据采集传输子系统通过低
轨道卫星与数据分析显示子系统连系；数据分析显示子系统的组成是：卫星通信模
块输出接上位机的输入，上位机输出有冻土区温度场动态显示、冻土区管道位移
动态显示、冻土区水分场动态显示。
3.根据权利要求1或2所述的一种冻土区油气管道监测系统，其特征是该
系统的电原理为：光纤光栅温度传感器组、光纤光栅含水量传感器组和光纤光栅位
移传感器组的FC接头分别与光开关的FC输入端口1、FC输入端口2、FC输入端
口3连接，光开关的R232端口接下位机的R232端口1，光开关的FC输出端口接
光纤光栅解调仪的FC输入端口，光纤光栅解调仪的LAN端口接下位机的LAN端口，
下位机的VGA与显示器的VGA连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭东杰，马云宾，周琰，宋宁，许斌，王禹钦，余东亮，冯毅，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：