周　智，郝孝偉，范廣文2，3，劉新宇3，賈正旺3，金小青3，楊炳雄4

（1.大連理工大學(xué)智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究所，遼寧 大連 116024；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；3.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰救A北氣分公司，北京 101300；4.大連蘭特科技有限公司，遼寧 大連 116021）

LPG儲(chǔ)配庫氣體微泄漏超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

周智1，郝孝偉1，范廣文2，3，劉新宇3，賈正旺3，金小青3，楊炳雄4

（1.大連理工大學(xué)智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究所，遼寧 大連 116024；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；3.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰救A北氣分公司，北京 101300；4.大連蘭特科技有限公司，遼寧 大連 116021）

液化石油氣（liquefied petroleum gas，LPG）儲(chǔ)運(yùn)過程泄漏導(dǎo)致的安全問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，目前尚沒有長期可靠的微泄漏監(jiān)測手段。針對北京順義LPG儲(chǔ)配庫的丙烷泄漏安全監(jiān)測問題，研制開發(fā)一套基于高性能激光氣體傳感器的LPG微泄漏超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。在介紹紅外激光測試氣體濃度原理的基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體試樣為參考，進(jìn)行性能測試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)的誤差＜6%，響應(yīng)時(shí)間≤2s，距離覆蓋達(dá)30m，丙烷測試分辨率達(dá)到100mg/L。將該系統(tǒng)應(yīng)用到北京順義LPG儲(chǔ)配庫，實(shí)現(xiàn)無線集成，監(jiān)測結(jié)果符合實(shí)際泄漏情況。該系統(tǒng)具有良好的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)免維護(hù)長期工作，具有良好的市場前景。

液化石油氣；安全監(jiān)測；激光氣體傳感器；微泄漏；超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

0　引　言

自1892年問世以來，隨著石油化工業(yè)的發(fā)展，LPG作為一種化工原料和新型燃料，越來越受到人們的重視。LPG氣態(tài)密度是空氣的1.5～2.5倍，爆炸極限為1.5%～9.5%，屬于一級可燃?xì)怏w［1］。對其儲(chǔ)運(yùn)管理不當(dāng)，極易造成泄漏甚至爆炸。由于LPG在儲(chǔ)運(yùn)過程中是以氣液共存的形式存在于儲(chǔ)罐中，儲(chǔ)罐的內(nèi)外溫度場會(huì)影響儲(chǔ)罐內(nèi)部LPG的飽和蒸汽壓，溫度越高，飽和蒸汽壓越大；另外，儲(chǔ)罐內(nèi)液位若過高，允許由于溫度變化造成液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)換的空間就越小，也會(huì)導(dǎo)致飽和蒸汽壓增大。若罐內(nèi)飽和蒸汽壓過大，會(huì)造成儲(chǔ)罐的物理性爆炸，或者頂開安全閥，均會(huì)造成LPG的泄漏［2］。與此同時(shí)，輸送管道會(huì)由于自身質(zhì)量問題（如焊接缺陷等）、LPG內(nèi)有害雜質(zhì)的沉積導(dǎo)致腐蝕作用或者多次裝卸導(dǎo)致的疲勞效應(yīng)而變形，造成LPG泄漏。除此之外，儲(chǔ)罐及管道閥門位置，連接法蘭等位置會(huì)由于人為操作因素，使得構(gòu)件破壞，造成LPG泄漏。

在20世紀(jì)60年代初期，可燃?xì)怏w泄漏造成的事故頻發(fā)，引起了人們的高度重視。國內(nèi)外學(xué)者對于LPG安全監(jiān)測做了大量研究。在1963年5月，由日本新宇宙電機(jī)株式會(huì)社開發(fā)出了第一臺接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，目前催化燃燒式監(jiān)測技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油化工、礦井隧道、造船等行業(yè)［3-9］，本文介紹的北京順義液化石油氣儲(chǔ)配庫也是用的此類傳感器。該類傳感器穩(wěn)定性較高，價(jià)格便宜，但壽命短，需要頻繁校準(zhǔn)，容易發(fā)生催化劑中毒。1969年2月，日本的科研人員又開發(fā)了世界上第一臺半導(dǎo)體式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器［4-8］。該類傳感器靈敏度高，響應(yīng)快，壽命長，但是選擇性較差，需在高溫下工作，氣體選擇性差，不夠穩(wěn)定，通常用于民用監(jiān)測可燃?xì)怏w泄漏。另外不論是催化燃燒性氣體傳感器還是半導(dǎo)體氣體傳感器在工業(yè)使用時(shí)均為以點(diǎn)式分布的形式存在的，監(jiān)測到的范圍受到一定限制，響應(yīng)時(shí)間也隨之變長。近年來隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外監(jiān)測技術(shù)在石油化工行業(yè)得以廣泛應(yīng)用［10-11］。其中，非色散紅外吸收技術(shù)相對來說結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、壽命周期內(nèi)不需要校準(zhǔn)、免維護(hù)，已廣泛應(yīng)用于氣體濃度在線監(jiān)測［12］。但非分散紅外技術(shù)光譜寬、氣體選擇性相對較差，特別受水汽影響較大。激光氣體傳感器的工作原理和非分散紅外監(jiān)測技術(shù)基本相同，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、原理上壽命周期內(nèi)不需要校準(zhǔn)、免維護(hù)的特點(diǎn)，另外相比非色散紅外吸收技術(shù)來說，激光紅外技術(shù)光譜很窄、氣體選擇性好、不受任何氣體（包括水汽）的交叉影響。傳感器性能對比如表1所示。

表1　常用監(jiān)測氣體泄漏傳感器性能對比

針對北京順義LPG儲(chǔ)配庫的丙烷泄漏安全監(jiān)測問題，本文研制開發(fā)基于丙烷激光氣體傳感器LPG微泄漏超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，作為原有安全監(jiān)測系統(tǒng)的補(bǔ)充，提高了庫區(qū)的安全性。

1　激光氣體傳感器

1.1原理

激光氣體傳感器是利用氣體的紅外吸收光譜作為監(jiān)測機(jī)制［13］，在明確氣體吸收譜線的基礎(chǔ)上，找出合適設(shè)計(jì)要求的紅外區(qū)吸收峰，并依此決定測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。氣體濃度換算依據(jù)的是郎伯-比爾定律，即當(dāng)光通過某種介質(zhì)的時(shí)候，光頻電磁波與組成介質(zhì)的原子、分子發(fā)生相互作用，使光的強(qiáng)度減弱［14］。利用這種光通過介質(zhì)光強(qiáng)度衰減的特性可以研制吸收型光纖氣體傳感器。經(jīng)過氣體吸收后，輸出光功率和輸入光功率的關(guān)系為

式中：I0（ν）——半導(dǎo)體激光器輸出光功率；

I（ν）——光電探測器接受的光功率；

S——光收集效率；

C——被測氣體的體積濃度；

L——?dú)怏w吸收光路的長度；

α（ν）——頻率ν處單位濃度、單位長度的介質(zhì)對光的吸收系數(shù)。

1.2丙烷激光氣體傳感器的性能特征

本文研制開發(fā)的激光氣體傳感器的光譜很窄，具有高度選擇性，不受其他氣體、水蒸氣、粉塵等的干擾，在一定程度上也就避免了誤報(bào)。另外該傳感器測量范圍較大，準(zhǔn)確度較高，可測量0～50 000 mg/L范圍濃度的丙烷氣體，其分辨率在100mg/L。其響應(yīng)時(shí)間快，通常不超過2s。在惡劣環(huán)境下，傳感器的穩(wěn)定性能超過兩年，日常近乎免維護(hù)。

為驗(yàn)證、校核該傳感器特性，對其測量不同標(biāo)準(zhǔn)濃度的丙烷標(biāo)準(zhǔn)氣體的基本誤差和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行檢測。性能檢測是在環(huán)境溫度為-30～65℃、大氣壓力為80～116kPa、相對濕度不超過99%的條件下進(jìn)行，分別對8個(gè)探頭進(jìn)行性能測試，遙測距離設(shè)置為30 m，布置如圖1所示。

對于基本誤差檢測是在遙測范圍內(nèi)分別放置1000，5000，10000，50000，100000mg/L的標(biāo)準(zhǔn)氣樣墻，依次進(jìn)行測試。每種氣樣測4次，取后3次的算術(shù)平均值作為測量值，其與氣樣的差值，即為基本誤差。其表達(dá)式為

式中：D——標(biāo)準(zhǔn)氣樣值；

Di——某次測量值。相對誤差的表達(dá)式為

對于響應(yīng)時(shí)間檢測，首先固定檢測儀的檢測距離，待其零點(diǎn)穩(wěn)定后，再在檢測距離范圍內(nèi)放入厚度為1m且充滿10000 mg/L氣樣的氣樣墻，并記錄顯示值。拿掉氣樣墻，待檢測儀零點(diǎn)穩(wěn)定后，迅速放上氣樣墻，并開始記錄檢測儀的指示值達(dá)到原測量值90%所需要的時(shí)間，測量4次，取后3次的算術(shù)平均值，即為響應(yīng)時(shí)間。

傳感器在正常環(huán)境下，對標(biāo)準(zhǔn)濃度的丙烷氣體檢測的基本誤差的絕對值及響應(yīng)時(shí)間如表2所示。該傳感器在低濃度氣體范圍內(nèi)（0～10 000 mg/L），相對誤差＜5%；在高濃度范圍內(nèi)（10000～1000000mg/L），最大相對誤差為5.87%；響應(yīng)時(shí)間均不超過2s。

圖1　性能測試設(shè)備布置

表2　試驗(yàn)結(jié)果

2　北京順義LPG儲(chǔ)配庫微泄漏超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

2.1工程介紹

北京順義液化石油氣儲(chǔ)配庫區(qū)內(nèi)有7個(gè)氣罐，包括3個(gè)1000m3的球罐、3個(gè)400m3的球罐和1個(gè)50m3的臥罐，總計(jì)4250m3，除此之外，南罐區(qū)包括8臺烴泵。該氣庫于2003年建立了完整的信息化管理系統(tǒng)，包括溫度、壓力、液位監(jiān)測系統(tǒng)等部分，已經(jīng)安全運(yùn)行了12年。但是，針對安全管理的核心部分，LPG的泄漏難題，包括泄漏成因、泄漏事件以及泄漏危害等缺少有效的監(jiān)測手段?，F(xiàn)有泄漏監(jiān)測報(bào)警器主要利用催化型可燃?xì)怏w檢測儀，缺乏氣罐外部溫度和管線變形監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2工程方案

2.2.1監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

在需求分析與技術(shù)選型的基礎(chǔ)上，為了使得系統(tǒng)功能劃分明確，采用層次設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出LPG泄漏監(jiān)測系統(tǒng)［14］。

系統(tǒng)共包含4層架構(gòu)，如圖2所示，圖中虛線為無線傳輸，實(shí)線為有線傳輸。從底層到頂層分別是：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)層、互聯(lián)網(wǎng)傳輸層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層。各層的功能分別如下：數(shù)據(jù)采集層主要利用本文激光氣體傳感器來捕捉氣體泄漏的濃度信息。數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)層是將數(shù)據(jù)采集層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、解調(diào)，再將信號通過GPRS無線傳輸模塊傳輸至互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)傳輸層借助互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商（聯(lián)通、移動(dòng)、電信）搭建的網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測主機(jī)。遠(yuǎn)程監(jiān)控層的數(shù)據(jù)服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)收集現(xiàn)場的氣體濃度數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程PC客戶端可以登錄遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器并通過瀏覽器訪問氣體濃度數(shù)據(jù)，手機(jī)客戶端也可通過APP對氣體質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。

2.2.2激光氣體傳感系統(tǒng)布設(shè)

北罐區(qū)使用掃描監(jiān)測的方式，將激光氣體傳感器G1底座安裝180°水平旋轉(zhuǎn)云臺，使其可以在罐區(qū)內(nèi)進(jìn)行橫向掃描，每隔15°停頓2min，用以完成數(shù)據(jù)的處理及傳輸。平面位置如圖3所示，高度距地面0.3m，用以監(jiān)測1#～3#儲(chǔ)罐近地面LPG質(zhì)量濃度。南罐區(qū)內(nèi)激光氣體傳感器G2～G4平面位置如圖4所示，高度距地面0.3 m，用以監(jiān)測4#～7#儲(chǔ)罐及泵組近地面LPG濃度。壓縮機(jī)間內(nèi)的激光氣體傳感器G5、G6平面位置如圖5所示，高度距地面0.3m。用以監(jiān)測壓縮機(jī)及傳輸管道下方LPG濃度裝車島內(nèi)的激光氣體傳感器G7平面位置如圖6所示，高度距地面0.3 m，用以監(jiān)測裝車機(jī)下方LPG質(zhì)量濃度。棧橋內(nèi)的激光氣體傳感器G8、G9平面位置如圖7所示，高度距地面0.3m，用以監(jiān)測裝車機(jī)下方LPG質(zhì)量濃度。各方案圖中，紅色線表示激光，藍(lán)色表示反射板，G1～G9為激光氣體傳感器。

圖2　監(jiān)測系統(tǒng)框架

圖3　北罐區(qū)傳感器布設(shè)

圖4　南罐區(qū)傳感器布設(shè)

圖5　壓縮機(jī)間傳感器布設(shè)

圖6　裝車島傳感器布設(shè)

圖7　棧橋傳感器布設(shè)

圖8　南罐區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)

3　現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖8～圖11為利用激光氣體傳感器對庫區(qū)內(nèi)4個(gè)區(qū)域（不包括區(qū)域1北罐區(qū)）某15h內(nèi)氣體質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果。北罐區(qū)因?yàn)槭┕ひ蛩?，暫時(shí)還未安裝監(jiān)測元件。

如圖8，南罐區(qū)氣體泄漏幾乎為0，在下午18：00左右有些許泄漏是由于庫區(qū)進(jìn)行泵組過濾器的清洗和安全閥的更換，持續(xù)時(shí)間約為40min，泄漏濃度遠(yuǎn)低于爆炸極限；如圖9，壓縮機(jī)間氣體質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果為0，未發(fā)生泄漏現(xiàn)象；如圖10和圖11裝車島和棧橋位置，氣體質(zhì)量濃度有些許浮動(dòng)，因?yàn)檠b卸車過程中，需要預(yù)先排盡管內(nèi)空氣，會(huì)有LPG泄漏到空氣中，但其質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于爆炸極限。以上監(jiān)測結(jié)果符合實(shí)際情況。

圖9　壓縮機(jī)間監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖10　裝車島監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖11　棧橋監(jiān)測數(shù)據(jù)

4　結(jié)束語

本文針對北京順義LPG儲(chǔ)配庫的丙烷泄漏安全監(jiān)測問題，研制開發(fā)了一套基于高性能激光氣體傳感器的LPG微泄漏超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并將多套系統(tǒng)應(yīng)用到工程實(shí)際，取得良好的效果。該系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間短、距離覆蓋大、測試精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有施工工藝簡便、穩(wěn)定性好、維護(hù)周期長等優(yōu)點(diǎn)，相比之前市場上較為通用的催化燃燒型氣體傳感器來說，實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)式監(jiān)測擴(kuò)展為線式監(jiān)測，進(jìn)一步提高了庫區(qū)的安全性，改善了庫區(qū)的自動(dòng)化管理模式。

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（編輯：李剛）

The micro-leakage advanced prediction system of gas detection for LPG storage and distribution field

ZHOU Zhi1，HAO Xiaowei1，F(xiàn)AN Guangwen2，3，LIU Xinyu3，JIA Zhengwang3，JIN Xiaoqing3，YANG Bingxiong4
（1.Institute of Smart Structures，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.Petroleum and Natural Gas Engineering Institute，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；3.Petro China KunLun Gas Company North China Branch，Beijing 101300，China；4.Dalian Light M&C Technologies INC，Dalian 116021，China）

The safety issues caused by LPG leaks in the process of storage and transportation have long been a focus of attention.However，there has been no reliable means of micro-leakage detection for a long time.For the safety detection of propane leak in LPG storage and distribution field in Shunyi，Beijing，a set of LPG micro-leakage forecast systems based on high-performance laser gas sensor is developed.Based on the introduction of the theory of gas concentration test by infrared laser，the performance test was carried out while taking the gas sample in standard concentration as a reference.Test results showed that the error rate of this system for detection can be lower than 6%，whose response time is less than 2 s.Meanwhile，its detection distance can reach 30 meters，and test resolution for propane of the system is 100 mg/L.This system is applied to the project of LPG storage and distribution field in Shunyi，Beijing，which has achieved wireless integration.The monitoring results are consistent with the case of leakage.The micro-leakage detection system is reliable and can operate for a long time without maintenance，hence has a good market outlook.

liquefied petroleum gas（LPG）；safety detection；laser gas sensor；micro-leakage；advanced prediction system

A

1674-5124（2016）07-0059-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.012

2016-03-10；

2016-04-18

周智（1973-），男，湖南永州市人，教授，博士，研究方向?yàn)橹悄軅鞲衅髋c結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。