一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置论文和设计-尹恒

全文摘要

一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，其特征在于，管道模拟系统、分布式光纤声波监测部和气体模拟管路；所述分布式光纤声波监测部设置在管道模拟系统的外壁，所述气体模拟管路对管道模拟系统进行输气以模拟天然气在管道中传输。所述管道模拟系统包括模拟天然气管道的管筒单元，根据模拟的需要将多个所述管筒单元之间通过孔板连接件相连。本实用新型利用管筒单元与孔板连接件的任意组合实现模拟不同位置、不同堵塞程度、不同堵塞长度情况下天然气管道堵塞的声音，结合分布式光纤声波监测装置的响应情况，为实际生产过程中的天然气管道堵塞监测和排查提供技术思路，最终达到模拟实验的目的。

主设计要求

1.一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，其特征在于，包括管道模拟系统、分布式光纤声波监测部和气体模拟管路；所述分布式光纤声波监测部设置在管道模拟系统的外壁，所述气体模拟管路对管道模拟系统进行输气以模拟天然气在管道中传输。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，其特征在于，所述管道模拟系统包括模拟天然气管道的管筒单元，根据模拟的需要将多个所述管筒单元之间通过孔板连接件相连，其中所述孔板连接件上通过设置不同尺寸规格的孔，以模拟天然气管道内的堵塞情况。

3.根据权利要求2所述的一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，其特征在于，所述分布式光纤声波监测部包括：钢铠装光缆和分布式光纤声波监测装置，所述钢铠装光缆设置在所述管筒单元的外壁上。

4.根据权利要求1所述的一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，其特征在于，所述气体模拟管路包括气体注入端管路和气体输出端管路；所述气体注入端管路包括：空气压缩机、气体稳压罐、流量调节阀和气体综合测量仪依次相连，并最终与所述管道模拟系统相连；所述气体输出端管路包括：与所述管道模拟系统相连的回压控制阀。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，属于油气安全工程的技术领域。

背景技术

天然气长输管道是我国油气工业的重要组成部分。天然气长输管道运输的气质条件多变，全线的气候条件复杂，很容易发生管道堵塞，如形成水合物堵塞。天然气管道堵塞不但影响正常的管线生产运营，而且后期的堵塞排查工作也会消耗大量的人力、物力和财力。如果能在管道发生堵塞的初期及时发现，就能提前采取清管措施，避免引起严重的管道堵塞事故。因此，寻求一种实用、可靠、实时的天然气管道堵塞监测方法显得尤为重要。通过对管道的实时监测，在管道形成堵塞的初期发现堵塞位置，可为管道运营者提供制定排堵计划的参考信息，从而规避管道发生完全堵塞的可能，保证管道的稳定运行。

中国专利文献CN207609997U公开了一种油气管道堵塞及泄漏工况监测系统，包括进气液管线、出气液管线和并联有堵塞检测管线的试验管线所述进气液管线的介质输出口接入试验管线的介质输入口段，所述出气液管线的介质输入口连接试验管线的介质输出口段。该系统的每个监测点配合配套的压力传感器、流量传感器、温度传感器等监测设备使用，将试验情况实时变化进行监测统计，对比前后的瞬态变化进行泄漏和堵塞故障的展示。

虽然现有技术中已经存在检测油气管道堵塞的监测系统，但是其模拟工况时难以做到定量模拟，而且整个监测过程中传感器数量设置较多，导致后续系统维护的复杂度提高，信号采集的准确度下降。

由于管道堵塞时，管道过流断面减小，引起流体节流流动，从而产生流动噪声。近年来，随着分布式光纤声音监测技术的发展，为管道堵塞的分布式、实时监测提供了一种重要手段。分布式光纤声音监测技术的主要原理是利用相干光时域反射测量的原理，将相干短脉冲激光注入到光纤中，当有外界振动作用于光纤上时，由于弹光效应，会微小地改变纤芯内部结构，从而导致背向瑞利散射信号的变化，使得接收到的反射光强发生变化，通过检测管道沿程的瑞利散射光信号的强度变化，即可探测并定位发生的堵塞情况。

因此，建立一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置是十分有必要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型公开一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，其特征在于，管道模拟系统、分布式光纤声波监测部和气体模拟管路；所述分布式光纤声波监测部设置在管道模拟系统的外壁，所述气体模拟管路对管道模拟系统进行输气以模拟天然气在管道中传输。

根据本实用新型优选的，所述管道模拟系统包括模拟天然气管道的管筒单元，根据模拟的需要将多个所述管筒单元之间通过孔板连接件相连，其中所述孔板连接件上通过设置不同尺寸规格的孔，以模拟天然气管道内的堵塞情况。

根据本实用新型优选的，所述分布式光纤声波监测部包括：钢铠装光缆和分布式光纤声波监测装置，所述钢铠装光缆设置在所述管筒单元的外壁上。

根据本实用新型优选的，所述气体模拟管路包括气体注入端管路和气体输出端管路；所述气体注入端管路包括：空气压缩机、气体稳压罐、流量调节阀和气体综合测量仪依次相连，并最终与所述管道模拟系统相连；所述气体输出端管路包括：与所述管道模拟系统相连的回压控制阀。

本实用新型的技术优势：

本实用新型公开一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，采用分布式光纤声波监测装置可以实现天然气管道分布式、实时的堵塞状况进行模拟检测，并通过调整在管筒单元之间的孔板连接件上孔的尺寸模拟不同的堵塞面积。进一步，本实用新型还利用管筒单元与孔板连接件的任意组合实现模拟不同位置、不同堵塞程度、不同堵塞长度情况下天然气管道堵塞的声音，结合分布式光纤声波监测装置的响应情况，为实际生产过程中的天然气管道堵塞监测和排查提供技术思路，最终达到模拟实验的目的。

附图说明

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型做详细的说明，但不限于此。

图1是本实用新型所述模拟实验装置的结构示意图；

图2是本实用新型所述模拟实验装置在S7管筒单元处I-I截面的结构示意图；

图3是本实用新型所述模拟实验装置在S7和S8管筒单元之间II-II截面的结构示意图；

图4为用不同孔板尺寸模拟不同堵塞情况下的声音信号监测结果示意图。

在图1中，1、空气压缩机；2、气体稳压罐；3、流量调节阀；4、气体流量计；5、分布式光纤声波监测装置；6、回压控制阀；21、第一流动管线；22、第二流动管线；23、第三流动管线；24、流入管线；25、流出管线；50、钢铠装光缆；100、管道模拟系统；其中S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13均为管筒单元；其中P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13均为孔板连接件，根据模拟实验的需要，当需要模拟正常管路时，相邻连接的管筒单元之间通过所述孔板连接件相连，其孔板连接件上的孔的直径与管筒的直径一致；当需要模拟堵塞管路时，相邻连接的管筒单元之间通过所述孔板连接件相连，其孔板连接件上的孔的直径小于管筒的直径；P1、上游板阀；P14、下游板阀。

图2中，R1是孔板连接件上的孔的内半径；R2是管筒的内半径；

图3中，L是孔板连接件上的孔的长度；

图4中，所述70mm孔板是指所述孔板连接件上孔的孔径为70mm；80mm孔板是指所述孔板连接件上孔的孔径为80mm；90mm孔板是指所述孔板连接件上孔的孔径为90mm；无孔板是指所述孔板连接件上孔的孔径与管筒的内径一致，为模拟无堵塞效果的情况。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示，一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，包括：管道模拟系统100，空气压缩机1，气体稳压罐2，流量调节阀3，气体综合测量仪4，分布式光纤声波监测装置5，回压控制阀6，钢铠装光缆50；所述的空气压缩机1通过第一流动管线21与气体稳压罐2相连，气体稳压罐2通过第二流动管线22与压力调节阀3相连，压力调节阀3通过第三流动管线23与气体综合测量仪4相连，气体综合测量仪4通过流入管线24与管道模拟系统100相连，管道模拟系统通过流出管线25与回压控制阀6相连；分布式光纤声波监测装置5与钢铠装光缆50相连；钢铠装光缆50紧密附着在管道模拟系统100外壁；

所述管道模拟系统100由管筒单元S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13分别经孔板连接件P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13逐一连接而成；管筒单元S1左端与上游板阀P1相连，管筒单元S13右端与下游板阀P14相连；所述管道模拟系统100中管筒单元的数量可以是3段、13段、20段，也可以是任意多段，但至少为3段，如图1所示，其中管筒单元为13段；所述孔板连接件数量等于管筒单元总数减1。

所述管筒单元S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13为等直径、等壁厚的中空钢制管材；所述管筒单元的直径、壁厚符合GB\/T9711-2017石油天然气管线输送系统用钢管所规定的规范；所述管筒单元S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13的长度可以是等长度，也可以是不等长度，其长度可以是1米、3米、5米，也可以是任意多米；所述管筒单元为钢管段。

根据模拟实验的需要，当需要模拟正常管路时，相邻连接的管筒单元之间通过所述孔板连接件相连，其孔板连接件上的孔的直径与管筒的直径一致；

当需要模拟堵塞管路时，相邻连接的管筒单元之间通过所述孔板连接件相连，其孔板连接件上的孔的直径小于管筒的直径；

在本实施例中，所述的孔板连接件的结构与天然气管道流量计量中所采用的孔板流量计中的孔板结构完全相同，通过螺纹与管筒单元连接；

所述的钢铠装光缆50由一根高灵敏度、高精度单模感声光纤经无缝不锈钢管铠装而成；钢铠装光缆50中的高灵敏度、高精度单模感声光纤的一端与分布式光纤声波监测装置5相连，作为激光信号输入端，同时也作为信号传输介质将反射信号传输到分布式光纤声波监测装置5中；所述的分布式光纤声波监测装置5将采集到的反射信号经过处理后在空间-频率域以瀑布图方式显示信号强度分布，如图4所示；所述的分布式光纤声波监测装置5可以记录1秒、1分钟、1小时的声音信号，也可以是任意时间长度的声音信号。

所述管道模拟系统100中设置了背景参考监测管筒单元S3以及管道堵塞模拟监测管筒单元S9和S10；钢铠装光缆50通过缠绕方式紧密附着在背景参考监测管筒单元S3以及管道堵塞模拟监测管筒单元S9和S10的外壁；钢铠装光缆50在除背景参考监测管筒单元S3以及管道堵塞模拟监测管筒单元S9和S10以外的地方，采用直线布置方式紧密附着在管筒单元外壁；钢铠装光缆50在背景参考监测管筒单元S3以及管道堵塞模拟监测管筒单元S9和S10的管筒单元外壁上的缠绕间距为0.5cm到5cm范围内的任意数值；

所述的分布式光纤声波监测装置5发射的激光脉冲长度可以为50ns、100ns、1000ns，也可以是任意ns；所述的分布式光纤声波监测装置5的采样频率可以为1kHz、10kHz、40kHz，也可以是任意kHz；

所述的气体稳压罐2的最高压力为20MPa；所述的流量调节阀3调节进入管道模拟系统100中的气体体积流量；所述的气体体积流量可以在0到2000m^{3<\/sup>\/h范围内进行调节；所述的气体综合测量仪4计量进入管道模拟系统100中的气体流量和测量进入管道模拟系统100中的气体压力；所述的回压控制阀6控制管道模拟系统100中气体的排出压力；所述的排出压力可以为0.1MPa、1MPa、2MPa，也可以是任意MPa，但不能大于20MPa。}

应用例一、

如实施例所述的一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，以图1所示，对本实用新型对应操作的实施步骤进行详细说明，步骤如下：

步骤1：安装本实用新型所述的一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置，选择13段长度为3m、内径为100mm的管筒单元，该管筒单元为钢管段，采用12个孔板连接件(该孔板连接件中孔的直径与所述管筒的直径相一致)将13段钢管顺序连接，安装上游板阀P1和下游板阀P14，完成管道模拟系统100组装；将回压控制阀6与流出管线25连接后通过下游板阀P14接入管道模拟系统100；将空气压缩机1通过第一流动管线21与气体稳压罐2相连，将气体稳压罐2通过第二流动管线22与流量调节阀3相连，流量调节阀3通过第三流动管线23与气体综合测量仪4，气体综合测量仪4与流入管线24连接后通过上游板阀P1接入管道模拟系统100；

步骤2：在管筒单元S3以及管筒单元S9和S10的外壁上按照2.5cm间距紧密缠绕钢铠装光缆50；在管筒单元S4至管筒单元S8之间采用直线布置方式将钢铠装光缆50紧密附着在钢管外壁上；将钢铠装光缆50与分布式光纤声波监测装置5相连；

步骤3：启动空气压缩机1，向气体稳压罐2输入空气，直到气体稳压罐2的压力达到最高压力20MPa为止；

步骤4：启动分布式光纤声波监测装置5，设置采样频率为40kHz；向钢铠装光缆50中的高灵敏度、高精度单模感声光纤中注入脉冲长度为100ns的激光；记录1分钟时间的初始背景声音信号I；

步骤5：将回压控制阀6的压力设置为0.1MPa，调节流量调节阀3，直到气体综合测量仪4上显示的气体流量为100m^{3<\/sup>\/h；}

步骤6：当气体流动达到稳定时，从综合测量仪4上记录下气体流量和气体压力；在分布式光纤声波监测装置5上记录1分钟时间的声音信号II；

步骤7：将步骤6记录的声音信号II减去步骤4记录的声音信号I，即可得到管道中无堵塞情况下在当前气体流量下的流动声音信号，如图4底部所示无孔板情况下的声音示意图；

步骤8：调节流量调节阀3和回压控制阀6，重复步骤5至步骤7，得到不同气体流量和不同回压下的管道中无堵塞情况下的流动声音信号。

应用例二、

如图2、3所示。

以图1所示模拟实验装置模拟在管筒单元S9和S10之间发生管道堵塞为例，但并不限于模拟1个管道堵塞位置，对本应用例所涉及的模拟实验装置的方法及其实施步骤进行详细说明，步骤如下：

步骤1：安装本实用新型所述模拟实验装置，选择13段长度为3m、内径为100mm的管筒单元；与应用例一不同的是，在所述管筒单元S9和管筒单元S10之间采用的孔板连接件的孔直径为90mm，长度为0.5m，安装上游板阀P1和下游板阀P14，完成管道模拟系统100组装；将回压控制阀6与流出管线25连接后通过下游板阀P14接入管道模拟系统100；将空气压缩机1通过第一流动管线21与气体稳压罐2相连，将气体稳压罐2通过第二流动管线22与流量调节阀3相连，流量调节阀3通过第三流动管线23与气体综合测量仪4，气体综合测量仪4与流入管线24连接后通过上游板阀P1接入管道模拟系统100；

步骤2：在管筒单元S3以及管筒单元S9和S10的外壁上按照2.5cm间距紧密缠绕钢铠装光缆50；在管筒单元S4至管筒单元S8之间采用直线布置方式将钢铠装光缆50紧密附着在管筒单元外壁上；将钢铠装光缆50与分布式光纤声波监测装置5相连；

步骤3：启动空气压缩机1，向气体稳压罐2输入空气，直到气体稳压罐2的压力达到最高压力20MPa为止；

步骤5：将回压控制阀6的压力设置为0.1MPa，调节流量调节阀3，直到气体综合测量仪4上显示的气体流量为100m^{3<\/sup>\/h；}

步骤6：当气体流动达到稳定时，从综合测量仪4上记录下气体流量和气体压力；在分布式光纤声波监测装置5上记录1分钟时间的声音信号II；

步骤7：首先将步骤6记录的声音信号II减去步骤4记录的声音信号I，得到模拟堵塞段管筒单元S9和S10处发生堵塞情况下在当前气体流量下的流动声音信号，如图4中90mm孔板情况下的声音示意图；

步骤8：调节流量调节阀3和回压控制阀6，重复步骤5至步骤7，得到不同气体流量和不同回压下模拟管道中管筒单元S9和S10处发生堵塞情况下的流动声音信号；

步骤9：再次选定孔板连接件的相应参数(如孔板直径、孔板长度以及管道模拟系统100中的孔板连接件位置和数量等)，将更换后参数的孔板连接件进行安装至本实用新型的实验装置，然后每次重复步骤1至步骤8，得到不同堵塞模拟工况下的流动声音信号；

步骤10：将上述实验得到的如图4所示的声音示意图进行对比(图中还显示有，将孔板连接件的孔直径分别调整为80mm、70mm时的堵塞时声音信号)，通过观察声音信号强度的变化，即可定性得到不同管道堵塞情况下的声音响应规律。

设计图

一种利用分布式光纤声波监测天然气管道堵塞的模拟实验装置论文和设计

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