煤矿管道泄漏监测系统设计.pdf

第 4 2卷 第 1 O期 2 0 1 6年 1 O月’ 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i n e Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 0 0c t ．2 O 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 1 2 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 0 3 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 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 1 2 1 5 ． 煤矿管道泄漏监测系统设计 赵 林 ， 王 纪 强 ， 侯 墨 语 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2 5 0 0 1 4 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 中图分类号 T D6 7 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 9 3 0 1 0 2 4 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 9 3 0 ． 1 0 2 4 ． 0 1 9 ． h t m1 De s i g n o f pi p e l i n e l e a k a ge mo n i t o r i n g s y s t e m f o r c o a l mi n e ZHAO Li n， W ANG J i q i a n g，HOU Mo y u Ke y L a b o r a t o r y o f Op t i c a l Fi b e r S e n s i n g Te c h n o l o g y o f S h a n d o n g Pr o v i n c e ，La s e r Re s e a r c h I n s t i t u t e o f S h a n d o n g Ac a d e my o f S c i e n c e s ，J i n a n 2 5 0 0 1 4 ，C h i n a Ab s t r a c t For pr o bl e m s e x i s t e d i n ma n ua l i ns pe c t i on me t ho d o f p i p e l i n e r u nn i ng mo ni t or i ng i n c o a l m i n e un de r gr o un d s u c h a s l a bo r i o us c on s u m p t i on， t i me c on s u mpt i on，di f f i c u l t l e a k po i n t d e t e c t i on un de r s u dd e n c o n di t i o ns a nd S O on，a p i pe l i ne l e a k m o n i t o r i ng s y s t e m f or c o a l mi n e wa s d e s i g ne d wh i c h wa s b a s e d on o p t i c a l f i b e r s e ns i n g t e c h no l o gy a n d n e ga t i v e p r e s s u r e wa v e s i g na l d e t e c t i o n a nd l o c a t i o n p r i nc i pl e ． St r u c t u r e o f t he s y s t e m wa s i n t r o du c e d a s we l l a s ke y t e c hn ol og i e s i nc l ud i ng e n ha n c e m e nt s e ns i t i vi t y s t r uc t ur e of f i b e r p r e s s u r e s e ns o r a nd a c c u r a t e a c q u i s i t i o n t e c hno l o gy o f ne ga t i v e p r e s s u r e wa ve f a l l i ng e d ge s i g n a 1 ．Lo n g t i me r u n n i n g t e s t a n d r e l i a b i l i t y t e s t o f t h e s y s t e m we r e t a k e n o u t ．Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m c a n i de n t i f y n or ma l o pe r a t i o n s t a t u s o f v a l v e a nd pu m p，a n d l o c a t e p i p e l i n e l e a ka g e p oi nt u nd e r s u d de n c o nd i t i on wi t h I o c a t i o n e r r o r o f I e s s t ha n 1 ，wh i c h ha s s t a bl e a n d r e l i a bl e o pe r a t i on． Ke y wo r d s c o a l mi n e p i p e l i n e ；l e a k a g e mo n i t o r i n g；l e a k a g e p o i n t l o c a t i o n；f i v e r s e n s i n g；n e g a t i v e pr es sur e Wave 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 j 。 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 ] ， 设计 了一种煤 矿 收稿 日期 2 0 1 6 0 2 2 6 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 8 0 5 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 山东省 自主创新成果转化重 大专项资助项 目 2 0 1 4 z z c x O 3 4 O 5 。 作者简介 赵林 1 9 8 1 一 ， 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 ～ ma i l l i n z h a o 1 2 2 5 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 6年 第 1 O期 赵 林等 煤 矿 管道 泄漏监 测 系统设 计 1 3 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 ] 。 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 铷。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 I g ] 。 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『 1 。 。 。 管 道泄 漏 监测 及定 位原 理如 图 1所示 。 压力传感器 A 泄漏点C ￡ 压力传感器 B 图 1 管 遭 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 t ， 传到光纤压力传感器 B 的时间为 t e ， 则负压波信号全程传播时间为 t L t A t B 1 理想状况下 ， 设负压波在流体介质 中的传播速 度为 ， 则有 t L L ／ ， t A LA c ／ v ， t B Lc B ／ ， 其 中 L ， L 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 △￡ t A t B 2 由式 1 、 式 2 得 t A t L t ／ 2 3 由此可得泄漏 点 C与光纤压力传感器 A 的距 离 为 一 一 号 一 ㈤ 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 R S 4 8 5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 3 ． 1 光 纤压 力传 感器增 敏 结构 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 F B G 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 F B G拉伸或收缩， 光栅 中心波 长 发 生 偏 移 ， 通 过 检 测 的 变 化 即可 得 到压 力值 。 图 3 光纤压力传感器结构 3 ． 2 负压 波 下降 沿信 号精 确 获取技 术 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 1 4 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 识别 困难 。煤矿管道泄漏监测 系统 的采样 频率为 2 0 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 采 样误 差 为 3 0 0 ms ， 进 而造 成 1 5 0 1 8 0 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_ 1 ； 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 1 1 ． 6 k m， 管道内径 1 0 0 mm， 排水量为 8 0 r n 。 ／ h ； 瓦斯抽放管 道全 长 5 ． 8 k m， 内径 1 0 0 mm。 4 ． 1长期 运行试 验 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 1 5℃左 右 波 动 ， 波 动范 围 约为 1 O℃， 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 2 3 0 m。 。T 2时 间 段 因 系统 关 闭 ， 系统数据库没有监测数据； 在 T 3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 T 。 ， 丁 4 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 。 2 01 4 ． 0 9 ． 27 2 01 4 - l 0 ． 0 7 2 0l 4 ． 1 O ． 1 7 2 0l 4 ． 1 0． 2 7 时间／ 年． 月． 日 图 5 23 2 0 2 31 ． 5 2 31 ． 0 2 3 0 ． 5 瓦斯抽放管道温度长期监测数据 2 Ul 4 - 0 9 - 0 5 2 0l 4 - 0 9 - l 7 2 Ul 4- 0 9 - 29 2 0l 4 - l O - l l 时间／ 年． 月． 日 图 6 供水管道累计流量长期监测数据 4 ． 2可靠性试 验 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 mi n ， 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 1 0 S 内报警 。 5 结语 将光纤传感技术引人煤矿井下管道监测领域， 2 0 1 6年第 1 O期 赵林等 煤矿管道泄漏监测系统设计 1 5 表 2 系统 对管道泄漏 的监测及泄漏 点定 位试验结果 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 。 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 。 参考文献 [1 ] 许斌 ， 刘广文 ， 谭东 杰． 管道泄 漏监 测系 统及方 法 中 国 2 0 1 4 1 0 01 0 6 3 0 ． 7 [- P-] ． 2 0 1 4 0 5 0 7 ． [2 ] 林 伟 国， 刘 超 源． 一 种 管 道 泄 漏 定 位 方 法 中 国 ， 2 0 1 2 1 0 0 5 5 0 3 9 ． 4 E P ] ． 2 0 1 2 0 7 1 8 ． [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 E J - 1 ． 无损 检测 ， 2 0 1 2 ， 3 4 1 6 1 6 5 ． [4 ] 杭利军 ， 何存 富， 吴斌 ， 等． 新型分 布式 光纤 管道泄 漏 检测技 术 及 定 位 方 法 研究 [ J ] ． 光 学 学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 1 1 2 3 1 2 7 ． r 5] HANG Li j u n， HE Cu n f u， W U B i n ． No v e l di s t r i bu t e d op t i c a l f i be r a c ou s t i c s e ns or a r r a y f o r l e a k d e t e c t i o n [ J ] ． O p t i c a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，4 7 5 41 45． [ 6] 李 明 ， 王 晓霖 ， 吕高 峰 ， 等． 光 纤传感 及其 在管道 监测 中应 用 的 研 究 进 展 [ J ] ．当 代 化 工 ， 2 0 1 4 ， 4 3 1 5 4 5 7． [ 7] 廉小亲 ， 苏维 均 ， 田黎明． 基 于负压波法的输油管道 泄 漏检测 定 位 系统 [ J ] ． 计 算 机 工 程 与设 计 ， 2 0 0 7 ， 2 8 9 2 1 9 9 2 2 0 2 ． [ 8] 靳世久 ， 王立 宁 ， 李健． 瞬态 负压波结构模 式识别法 原 油管 道 泄 漏 检 测 技 术 E J ] ． 电子 测 量 与 仪 器 学 报 ， 1 9 9 8， l 2 1 5 9 6 4 ． [9] 马小林 ， 王泽根 ， 谢静文． 负压波在管道泄漏检测 与定 位 中的应用 E J ] ． 管道 技术与设 备 ， 2 0 1 3 ， i 3 1 7 1 9 ． [ 1 0 3 陈浩． 流体运输管道泄漏负压波模拟与信号处理研 究 [ D] ． 大庆 东北石油 大学 ， 2 0 1 2 ． [ 1 1 ] 王正 ， 王洪诚 ， 傅 磊 ， 等． 基 于多 压力传感 器 负压波 的 管道 检 测 法 [ J ] ． 传 感 器 与 微 系 统 ， 2 0 1 5 ， 3 4 5 ]] 5 一 ] 】8 ． 国家安全监督管理总局开展 2 0 1 6年 破解安全生产 难题科技攻关工作 为推进 实施“ 科技 强安” 战略 ， 进一步提升 防范和遏制重特大事故科技保障能力 ， 国家安全监督管理总局开展 了 2 0 1 6 年破 解安全生 产难 题科技攻关工作 ， 主要涉及矿 山“ 机械化换人 、 自动化减人” 领域 。 综 放工作面安全 自动化水 平提升 主要研 究放煤过程 中液压 支架 立柱和平 衡千斤 顶压 力规律 ， 预测 顶煤放 出率 ， 研究 自 动化放 煤方法 ； 研究 支架活柱 下 缩量 和多 位态 监 测 系统 及评 价 方法 ； 研 发 基 于煤矸 灰 度识 别 的矸 石超 放 视频 监测 方 法 和 系统 。 煤矿井下主运输 系统无人 值守 主要研 究主运输系统运行参数监测技术 、 基 于多传感器融 合技术 的带式输送 机载荷分布 检测技术 及装置 、 故 障预诊断和应急控制技术 、 主运输 系统安全 运行关键状态参 数监测技 术 、 主运输系统联 动策略等 ； 解决井 下 主运输 系统的工况 、 状态 、 环境 等关键参数 的监测监视 、 故障诊断 、 智能联动控制等技术难题 。 煤 矿综采工作面 自动找直关键 技术 主要研 究智能化综采工作面 自动 找直模型 和算 法 ， 基 于 国产惯 性导航技术 的工作 面 直线 度检测技术和系统 ， 基于激光矩 阵找直、 视频辅助 找直 、 光纤应变 找直 的检测技 术和系统 ， 电液控 制系统精确 推溜拉架控 制技 术和液压 阀精准控制 技术 ， 智 能化 综采工作面 自动找直技术井下 原理 性工业实 验等 ， 实现智能化综 采工作 面全 自动连续 推进 和智能化开采 。 金属 、 非金 属矿山井下无轨设备精 确定 位与防碰撞 主要 研究适 应金 属 、 非 金属矿 山井 下无轨设 备 的地 下空 间无 线动态 高精 度定位与导航技术 、 基于车载激光 雷达和 S L AM 的巷道轮廓感知 与精确 匹配定位技术 、 井下无 轨设备周 界动态碰撞探测 及 预警技术等 。 金属 、 非金 属矿山 固定设施远程安 全无 人值守集成化 主要研 究金属 、 非金 属矿 山多个信 息系统 的高可 靠接入 技术与装 备 、 组态式 固定设施远程安全元人 值守快速集成信息平 台、 矿 山固定设施远程故 障诊 断与预维护等关键技术 。 武福 生