热力管道泄漏光纤光栅检测技术研究

论文摘要

热力管道属生命线工程,一旦发生破坏,将会对取暖和热力生产造成严重的影响,产生直接经济损失和不良社会影响。管道的泄漏,特别是微小泄漏,如能及时发现,将为管道的及时维修、保养提供科学的预测信息,以便预防大的泄漏发生。因此,对管道泄漏的检测研究具有极为重要的现实意义。热力管道泄漏时,泄漏出的热水与周围环境存在温度差,通过关键点处的光纤光栅温度传感器可感知温度变化,从而判断泄漏的发生。该项研究可为石油、天然气、热力等管道的泄漏检测提供一种新方法。在总结管道泄漏检测的研究现状和发展趋势的基础上,论文针对热力管道泄漏,进行了实验研究、理论分析和仿真计算,并结合实际工程应用,为建立管道泄漏光纤光栅温度监测系统提供了理论依据和应用经验。研究表明,这一系统可推进管道运行的现代化管理、减少故障判定时间、减小泄漏事故的经济损失及社会影响,并能够实现管网的终身功能监测。论文进行的研究工作如下:一、介绍了光纤光栅传感技术的特点、应用情况及光纤光栅的工作原理,分析了光纤光栅对应力和温度的敏感特性,叙述了光纤光栅的解调方法和光纤光栅组成准分布式系统的工作原理,阐述了光纤光栅温度传感系统检测热力管道泄漏的可行性。二、设计了检测埋地热力管道泄漏的室内实验装置,测试了实验模型泄漏前、后的埋地管道周围土壤温度场,研究了管道泄漏后热水的渗流和温度场的耦合,得到了热力管道周围土壤温度场的变化规律。实验表明可通过周围土壤温度场的变化判断热力管道的泄漏,实验结果为数值计算模型的建立及数值模拟提供了依据。三、根据前人的研究成果,给出了热力管道泄漏前土壤温度场的物理和数学模型,将土壤这一半无限大区域简化为有界的区域。泄漏前管道周围土壤温度场将作为管道泄漏后非稳态土壤温度场计算的初始条件。在此基础上,建立了热力管道发生点泄漏后的三维非稳态的管道周围土壤温度场的物理和数学模型,以及热力管道发生线泄漏后的二维非稳态管道周围土壤温度场的物理和数学模型,并给出了相应的边界条件。四、确立了数值仿真计算模型及具体的计算参数,应用Fluent软件进行了管道泄漏前、后的管道周围土壤温度场的实验室模型和某一实际供热工程的仿真计算。利用数值仿真对泄漏前、后管道周围非稳态土壤温度场的分布变化规律进行总结,建立了泄漏量与温度影响区域的关系,进行曲线拟合。与实验数据对比分析,仿真效果较好。五、结合光纤光栅温度传感系统在大庆市某段10公里长热力管道工程的实际应用,总结了泄漏监测系统的设计和施工经验,并为检验该监测系统的工程应用效果创造了条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 管道泄漏检测的研究现状
• 1.2.1 管道内检漏法
• 1.2.2 管道外检漏法
• 1.2.3 管道泄漏检测技术的发展趋势
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 光纤光栅温度传感技术检测热力管道泄漏的系统构成
• 2.1 光纤光栅传感技术的应用
• 2.2 光纤光栅的基本原理
• 2.3 布拉格光栅的应力和温度的敏感性
• 2.4 光纤光栅波长解调
• 2.5 光纤光栅温度传感系统工作原理
• 2.6 光纤光栅温度传感技术检测热力管道泄漏判定原理和系统构成
• 2.7 小结
• 第三章 热力管道泄漏室内实验研究
• 3.1 实验系统的建立
• 3.2 实验系统的安装布置
• 3.3 实验工况
• 3.4 实验数据和分析
• 3.5 小结
• 第四章 泄漏前管道周围土壤温度场模型
• 4.1 土壤温度场物理模型
• 4.1.1 土壤温度场深度方向恒温层的确定
• 4.1.2 土壤物理模型及简化
• 4.2 泄漏前管道周围土壤温度场的物理模型和数学模型
• 4.2.1 埋地热力管道周围土壤温度场分析
• 4.2.2 埋地热力管道周围土壤温度场恒温层的确定
• 4.2.3 埋地热力管道周围土壤温度场水平方向绝热面的确定
• 4.3 埋地热力管道周围土壤温度场的传热物理模型及简化
• 4.4 热力管道周围土壤温度场数学模型
• 4.4.1 土壤温度场的数学模型
• 4.4.2 管道周围土壤非稳态温度场的导热微分方程及边界条件
• 4.5 泄漏前管道周围土壤非稳态三维温度场模型的建立
• 4.5.1 三维物理模型的建立
• 4.5.2 三维数学模型的建立
• 4.6 小结
• 第五章 泄漏后热力管道周围土壤温度场模型建立
• 5.1 物理模型
• 5.2 点泄漏三维数学模型及边界条件
• 5.2.1 控制方程的建立
• 5.2.2 边界条件
• 5.3 裂缝泄漏二维数学模型和边界条件
• 5.3.1 控制方程
• 5.3.2 边界条件
• 5.4 小结
• 第六章 仿真计算
• 6.1 计算流体力学软件Fluent简介
• 6.1.1 计算流体力学（CFD）概述
• 6.1.2 CFD求解过程
• 6.1.3 计算流体力学软件Fluent
• 6.2 多孔介质的处理方法
• 6.3 实验室模型简化
• 6.4 仿真参数和边界条件确定
• 6.5 室内实验模型仿真及分析
• 6.5.1 三维点泄漏温度场仿真结果及分析
• 6.5.2 仿真计算与实验结果对比分析
• 6.5.3 泄漏量与温度影响区域的关系
• 6.6 二维线泄漏温度场仿真结果及分析
• 6.7 实际工程仿真计算
• 6.8 小结
• 第七章 光纤光栅温度传感系统检测热力管道泄漏应用
• 7.1 热力管道工程简介
• 7.2 光纤及传感器铺设
• 7.3 传感器布置方案
• 7.4 仪器设备安装和波长解调
• 7.5 FBG240光纤光栅网络分析仪工作原理
• 7.6 检测热力管道泄漏系统运行数据
• 7.7 系统安装过程中出现的问题和解决办法
• 7.8 一些经验
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要成果和结论
• 8.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 获得奖励
• 致谢