分布式光纤油气长输管道泄漏检测及预警技术研究

摘要

目前，我国国民经济的持续高速发展对能源特别是油气资源的需求越来越迫切。管道由于自身具备的诸多优势，已成为主要的油气资源运输手段。但由于种种自然或人为原因，管道泄漏事故时有发生，有时会伴随着巨大的生命财产损失和环境污染。目前，常用的油气管道安全监测装置主要通过管道输送压力、流量以及温度等参数的变化来判断泄漏是否发生。该类方法容易受输送介质特性、工艺等因素影响，且报警都在发生泄漏之后。 本文在课题组前期工作基础上，对分布式光纤油气长输管道泄漏检测及预警技术展开了深入研究，并构建了一套分布式光纤油气管道泄漏检测及预警系统。该系统不仅能检测到管道泄漏并对泄漏点定位，而且能在威胁油气管道安全的异常事件发生时进行预警并对事发点定位。 本文主要进行以下几方面的研究工作： 1、分析了分布式光纤振动传感器机理、灵敏度和影响其灵敏度因素，同时分析了单模光纤中光波偏振态不稳对传感器的影响并比较几种解决方案。 2、提出将基于小波包分解的“能量-模式”检测信号特征提取方法、基于经验模态分解（EMD）的检测信号特征提取方法、基于多尺度混沌特性分析的检测信号特征提取方法用于对管道沿线检测信号的特征提取。 3、提出将径向基（RBF）神经网络和支持向量机（SVM）两种模式识别方法用于对管道沿线检测信号类型的识别。 4、设计了一套实验装置，通过大量现场实验对分布式光纤油气长输管道泄漏检测及预警技术中的识别及定位性能进行验证，实验结果证明该技术对管道沿线发生的包括泄漏在内的异常事件的监测、预警、识别及定位是有效的。 5、设计了一套分布式光纤油气管道泄漏检测及预警系统，在一条成品油管道上试运行。结果表明，本系统能够实时发现管道沿线异常事件并准确地对其进行识别和定位。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2管道运输发展状况

1.3油气管道存在的安全问题

1.4油气管道安全监测方法

1.5油气管道安全预警监测的重要意义

1.6本课题研究的意义及主要研究内容

第二章分布式光纤泄漏检测及预警机理

2.1引言

2.2分布式光纤振动传感器机理

2.2.1相位调制机理

2.2.2外力对光纤干涉仪的相位影响

2.2.3分布式光纤振动传感器测试原理

2.3分布式光纤振动传感器灵敏度分析

2.4影响分布式光纤振动传感器灵敏度因素分析

2.4.1初始相位对灵敏度的影响及其解决措施

2.4.2传感光纤结构对灵敏度的影响

2.5光波的偏振特性对系统的影响

2.5.1单模光纤中的双折射原因

2.5.2解决偏振衰落的方法

2.6小结

第三章分布式光纤泄漏检测及预警信号的特征提取

3.1引言

3.2非平稳信号处理技术

3.2.1非平稳信号

3.2.2非平稳信号的分析方法

3.3基于小波包分解的检测信号特征提取技术

3.3.1小波分析基本理论

3.3.2小波包算法

3.3.3基于小波包分解的检测信号特征提取方法

3.3.4现场检测信号特征提取

3.4基于经验模态分解的检测信号特征提取技术

3.4.1经验模态分解基本理论及算法

3.4.2基于经验模态分解的检测信号特征提取方法

3.4.3现场检测信号特征提取

3.5基于多尺度混沌特性分析的检测信号特征提取技术

3.5.1混沌与非线性动力系统

3.5.2混沌特征计算方法

3.5.3检测信号多尺度混沌特征计算方法

3.6 小结

第四章分布式光纤泄漏检测及预警信号模式识别方法研究

4.1引言

4.2基于径向基神经网络的识别方法

4.2.1人工神经网络

4.2.2径向基神经网络模型

4.2.3径向基神经网络学习方法

4.2.4采用径向基神经网络对管道沿线异常事件进行识别

4.3基于支持向量机的识别方法

4.3.1统计学习理论与支持向量机

4.3.2统计学习基本理论

4.3.3支持向量机基本算法

4.3.4采用支持向量机对管道沿线异常事件进行识别

4.4小结

第五章分布式光纤油气管道泄漏检测及预警系统设计

5.1引言

5.2分布式光纤油气管道泄漏检测及预警系统组成

5.3分布式光纤振动传感器设计

5.3.1光源选择

5.3.2光源驱动及其保护电路设计

5.3.3光电探测模块设计

5.4基于虚拟仪器技术的系统软件平台设计

5.4.1虚拟仪器技术及其特点

5.4.2 LabVIEW主要特性和功能

5.4.3数据采集模块设计

5.4.4系统软件框架设计及功能

5.4.5软件复杂算法设计问题

5.4.6软件系统功能模块及用户界面

5.5系统滤波技术研究

5.5.1数字滤波器

5.5.2 FIR数字滤波器设计

5.6系统定位技术研究

5.6.1系统对事发点定位原理

5.6.2时间差测量方法的选择

5.6.3相关分析法

5.6.4相关函数的计算问题

5.6.5系统自动定位模块设计

5.7小结

第六章现场实验与应用研究

6.1引言

6.2在线识别管道沿线振动信号类型实验

6.2.1实验现场基本情况

6.2.1在线动作识别实验

6.3管道沿线侵入事件定位实验

6.3.1实验现场基本情况

6.3.2现场传感光缆OTDR测试结果

6.3.3定位实验波形及结果

6.4分布式光纤油气管道泄漏检测及预警系统应用情况

6.5小结

第七章总结与展望

7.1总结

7.2下一步的研究目标

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢