田野 潘誠 陳海艷

1國家管網(wǎng)集團西部管道有限責(zé)任公司2中國石油塔里木油田公司

與站外長輸管道相比，天然氣站場的設(shè)備設(shè)施多，工藝流程復(fù)雜，焊接和密封點分布高度集中，更容易發(fā)生泄漏事件[1-8]。站場天然氣一旦泄漏，小則影響生產(chǎn)運行，大則發(fā)生火災(zāi)、爆炸等惡性事故，造成人員傷亡和環(huán)境污染。根據(jù)GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》中6.1.6 要求：“天然氣凝液和液化石油氣廠房、可燃氣體壓縮機廠房和其他建筑面積≥150 m2的甲類火災(zāi)危險性廠房內(nèi)，應(yīng)設(shè)可燃氣體檢測報警裝置。天然氣凝液和液化石油氣罐區(qū)、天然氣凝液和凝析油回收裝置的工藝設(shè)備區(qū)應(yīng)設(shè)可燃氣體報警裝置。其他露天或棚式布置的甲類生產(chǎn)設(shè)施可不設(shè)可燃氣體檢測報警裝置?！蹦壳埃烊粴庹緢龅膲嚎s機廠房都安裝有固定點式可燃氣體探測器，未布置露天區(qū)域可燃氣體檢測設(shè)施，露天區(qū)域的可燃氣體泄漏主要依靠人工巡檢。

隨著區(qū)域化運維建設(shè)的不斷推進，現(xiàn)有的天然氣站場將逐漸形成無人站或少人站，采用人工定時巡檢的方式已不能滿足區(qū)域化運維的管理需求。同時，在站場的非巡檢時段，若天然氣泄漏不能及時報警，或?qū)⒁l(fā)十分嚴(yán)重的后果。因此，有必要研究天然氣站場露天區(qū)域可燃氣體泄漏的實時和有效檢測技術(shù)，提高應(yīng)急處置效率，完善油氣站場在線感知體系，為智能管道、智慧管網(wǎng)建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 可燃氣體泄漏檢測技術(shù)分析

常用可燃氣體泄漏檢測技術(shù)主要利用泄漏氣體的理化特性和泄漏時產(chǎn)生的各種信號，采用催化、紅外[9]、激光[10-11]、光纖、壓力監(jiān)測、聲波[12]等手段實現(xiàn)泄漏檢測。按照安裝方式不同，可以分為固定點式、對射式和云臺式三種。各類技術(shù)性能指標(biāo)對比見表1。

表1 各類泄漏檢測技術(shù)比對分析Tab.1 Comparison and analysis of various leakage detection technologies

固定點式可燃氣體探測器的探測原理主要采用紅外吸收和催化燃燒兩種檢測方式，只有在探測器布置點周圍形成一定濃度的天然氣聚集才能實現(xiàn)有效檢測，天然氣站露天工藝裝置區(qū)面積大，且存在沙塵、雨雪、風(fēng)等自然干擾，可燃氣體不易產(chǎn)生聚集，易誤報或故障報警。對于泄漏可聞噪聲檢測原理的探測器，由于容易受到可聞背景噪音的影響，尤其是風(fēng)聲和雨聲等露天環(huán)境常見的噪音會造成頻繁誤報。對于光纖振動原理的探測器，由于安裝時會破壞所監(jiān)測管道的防腐層，且工程量較大，經(jīng)濟性較差。實踐證明，露天區(qū)域可燃氣體泄漏檢測應(yīng)用效果較好的有開路式激光可燃氣體探測、超聲氣體泄漏探測、云臺掃描式激光可燃氣體探測。

1.1 開路式激光可燃氣體探測

開路式激光探測器目前主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種為發(fā)射端和接收端單獨設(shè)置的探測器結(jié)構(gòu)形式，另一種為發(fā)射端和接收端一體化設(shè)計+反光板的探測器結(jié)構(gòu)形式。兩種結(jié)構(gòu)形式探測器分別如圖1 和圖2 所示。一般開路式激光原理探測器的量程為0～1 LEL · m，其一級報警濃度為0.2 LEL·m，二級報警濃度為0.4 LEL·m，檢測的最小精度可以達到2×10-6m，需要定期進行設(shè)備功能檢查和標(biāo)定。

圖1 發(fā)射端+接收端探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of transmitting end+receiving end of the detector

圖2 發(fā)射端和接收端一體化+反光板探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of integrated transmitter and receiver+reflector of the detector

開路式激光探測器是基于可調(diào)諧激光光譜吸收（TDLAS）原理而研發(fā)的一款新型氣體傳感器，通過氣體的分子吸收波長，且不同氣體分子之間具有互不干擾的波長吸收特性，對目標(biāo)氣體的濃度進行測量。開路式激光探測器由發(fā)射端和接收端組成，當(dāng)泄漏的天然氣氣體（主要成分為甲烷）經(jīng)過檢測激光光路時，甲烷分子會吸收特定波長的光，且對光的吸收量與甲烷氣團的厚度和濃度成比例。根據(jù)接收端接收到的光束變?nèi)醯某潭龋涂梢詼y得發(fā)射端和接收端之間的甲烷氣體濃度。

采用發(fā)射端+接收端單獨設(shè)置的探測器結(jié)構(gòu)形式時兩個設(shè)備之間的激光光路需要較高的對中要求，施工難度較大，但最大檢測距離可達120 m；采用發(fā)射端和接收端一體化+反光板探測結(jié)構(gòu)形式時，施工難度較小，安裝便捷，最大檢測距離為100 m。當(dāng)采用開路式激光探測器作為檢測手段時應(yīng)優(yōu)先選用發(fā)射端和接收端一體化+反光板的結(jié)構(gòu)形式設(shè)備。

開路式激光探測器受天然氣泄漏后氣體云走向影響嚴(yán)重，必須保證激光路徑內(nèi)出現(xiàn)氣體云才能激發(fā)探測器報警裝置。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用測試和模擬計算結(jié)果可知，當(dāng)測量＞200×10-6的天然氣泄漏，探測器的最大橫向覆蓋距離為35 m，開路式激光探測器響應(yīng)時間在4 s 左右，誤差在5%以內(nèi)，在日照、有色薄膜、透明薄膜、雨天、沙塵、鏡頭污染等的影響下不影響其探測性能，對中偏差小于0.5°角時能發(fā)揮正常的探測效果。

開路式激光探測器每年應(yīng)進行一次功能測試，可采用設(shè)備廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)樣氣裝置進行現(xiàn)場測試。將標(biāo)準(zhǔn)樣氣與探測器的檢測數(shù)值進行比對：當(dāng)探測器顯示數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)樣氣數(shù)值偏差≤0.01%F.S（線性度）時，探測器的檢測精度和示值偏差滿足測試要求，可繼續(xù)使用；當(dāng)示值偏差大于＞0.01%F.S 時，則探測器的偏差不滿足測試要求，需對探測器進行重新校準(zhǔn)，校準(zhǔn)合格后方可繼續(xù)使用。

1.2 超聲氣體泄漏探測器

超聲探測器是通過一種捕獲超聲波泄漏信號用于工業(yè)領(lǐng)域泄漏檢測、氣密性檢測和預(yù)測性維護的設(shè)備。當(dāng)輸氣管道內(nèi)壓強高于外部壓強時，由于內(nèi)外壓差較大，一旦發(fā)生泄漏，氣體就會從漏孔沖出，漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時，沖出氣體就會形成湍流，湍流在漏孔附近會產(chǎn)生超聲波。由于泄漏產(chǎn)生的超聲波是高頻短波信號，其強度隨著聲源距離的增加而迅速衰減。利用這個特征，即可判斷出泄漏的大概位置。超聲波氣體泄漏檢測器即通過對泄漏聲音中超聲波部分聲波的探測、采集和分析來對管道泄漏做出報警。

超聲探測器對環(huán)境背景噪聲影響非常敏感，其中超聲（20～100 kHz）背景噪聲的大小直接影響泄漏監(jiān)測設(shè)備的選型和有效覆蓋面積。按照聲壓等級，背景噪聲分為高背景噪聲、中等背景噪聲、低背景噪聲3 類，背景噪聲的分類推薦按照表2 進行。

表2 背景噪聲等級劃分Tab.2 Classification of background noise level

實際應(yīng)用測試發(fā)現(xiàn)，超聲氣體泄漏探測器泄漏響應(yīng)時間在1 s 以內(nèi)，在探測距離內(nèi)均能較好地探測到低壓（1 MPa）、高壓（10 MPa）以及更小孔徑的泄漏，測試初期有少量誤報，但隨著測試的進行，誤報率逐漸降低。

超聲氣體泄漏探測器每年應(yīng)進行一次功能測試，可采用設(shè)備廠家提供的背景噪音檢測設(shè)備與超聲氣體泄漏探測器的數(shù)值進行現(xiàn)場比對。當(dāng)數(shù)值偏差≤1 dB 時，超聲氣體泄漏探測器的檢測精度和示值偏差滿足測試要求，可繼續(xù)使用；當(dāng)示值偏差＞1 dB 時，則探測器的偏差不滿足測試要求，需對探測器進行重新校準(zhǔn)，校準(zhǔn)合格后方可繼續(xù)使用。

1.3 云臺掃描式激光可燃氣體探測器

云臺掃描式激光探測器是是基于光譜吸收原理，對特征氣體濃度進行實時在線監(jiān)測的儀器設(shè)備。通過單片機控制電路對激光器進行電流調(diào)制，控制激光器發(fā)出所需波長的激光，激光穿過氣體監(jiān)測區(qū)域后，到達反射面（氣體管道、天花板、墻體、地板、地面等）并被反射回激光探測器。若激光穿過的氣體區(qū)域中存在被檢測的特征氣體，激光將與該氣體作用并被吸收，特征氣體濃度越高，吸收量越大，激光探測器將監(jiān)測到激光強度的變化并反饋至單片機控制電路進行處理，最終由信號輸出電路將濃度結(jié)果傳輸出去。其主要用于遠程測量甲烷和含甲烷氣體的濃度。通過將一束激光指向檢測點，測量檢測點的可燃氣體濃度，并通過攝像頭顯示現(xiàn)場畫面。其檢測原理見圖3 和圖4。

圖3 云臺掃描式探測器原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the principle of PTZ scanning detector

圖4 云臺掃描式探測器掃描軌跡示意圖Fig.4 Schematic diagram of PTZ scanning detector scanning track

云臺掃描式激光探測器具有預(yù)置點和巡檢軌跡兩種自動巡檢方式。預(yù)置點巡檢方式為探測器自動依次對各預(yù)置點進行定點檢測，可設(shè)置定點檢測的時長，預(yù)置點最大可設(shè)置為1 000 個，并能夠通過軟件手段有效控制機械傳動誤差，確保預(yù)置點與實際巡檢點的一致性；巡檢軌跡方式可以將軌跡設(shè)置為自由曲線，探測器自動、精確地沿軌跡進行連續(xù)檢測。

實際應(yīng)用測試發(fā)現(xiàn)，設(shè)備響應(yīng)時間＜1 s，在夜間、陰天和晴天下的探測極限距離差距較大。晴天正午探測極限距離＞25 m。陰天條件下探測極限距離＞45 m，約為100 m 左右，在該距離下示值存在較大的誤差，約為20%左右；而50 m 以內(nèi)的探測則示值誤差小，約在5%以內(nèi)。將其布置在較高位置，可實現(xiàn)蒸氣云高度方向上的全覆蓋。

云臺掃描式激光可燃氣體探測器的檢驗測試要求與開路式激光探測器一致。

2 可燃氣體檢測技術(shù)要求和配置方案

英國安全與健康執(zhí)行局按照可能會引起潛在災(zāi)害的程度，將泄漏率分為3 個等級。泄漏率在0～0.1 kg/s 為微量泄漏；泄漏率在0.1～1 kg/s 為中型泄漏；泄漏率在1 kg/s 以上為大量泄漏。并明確了0.1 kg/s 的臨界微量泄漏標(biāo)準(zhǔn)為4 mm（0.16 in）泄漏孔徑和45 bar 泄漏壓力。

為兼顧可靠性和可行性，天然氣站場露天區(qū)域可燃氣體探測器的選擇應(yīng)能滿足天然氣泄漏率在中型泄漏及大型泄漏的檢測與報警。同時，還應(yīng)能滿足一定微量泄漏量的天然氣泄漏檢測。

開路式激光探測器在開放式工藝裝置區(qū)的檢測效果受風(fēng)向影響嚴(yán)重，應(yīng)采用漏報率最低的邊界式布置方案，但采用該方案時單個工藝區(qū)需設(shè)置4 臺探測器，經(jīng)濟性大幅降低。

超聲探測器用于露天工藝區(qū)泄漏檢測不受惡劣天氣的影響，對一定天然氣泄漏量具有及時、有效的檢測優(yōu)勢。由于其探測半徑為15 m，所以針對較大的工藝裝置區(qū)需要設(shè)置多臺設(shè)備才能實現(xiàn)檢測半徑內(nèi)有效的覆蓋。根據(jù)應(yīng)用測試和超聲探測器的特點，超聲探測器由于采用超聲測量原理，具有響應(yīng)時間短、抗環(huán)境干擾能力強等特點，適用于氣體不宜聚集開放性區(qū)域，但探測器宜受調(diào)節(jié)閥節(jié)流工況、氣動執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)閥排氣、站場放空等可發(fā)出超聲噪音等工況的影響而產(chǎn)生一定的誤報率，通過設(shè)置延遲報警時間可有效降低誤報率。天然氣站場中長時間產(chǎn)生超聲噪音的設(shè)備主要為壓力或流量調(diào)節(jié)閥，由于超聲聲強值隨距離的增大而減小，為保證設(shè)備的探測半徑，減少誤報率，超聲探測器布置位置距調(diào)節(jié)閥的直線距離應(yīng)≥3 m。

云臺式激光探測器采用主動探尋的激光檢測原理，可適用于開放式區(qū)域的天然氣泄漏檢測。云臺式激光探測器精度高，可測量微量泄漏。為保證微量泄漏檢測的精度，探測器的掃描路徑應(yīng)盡量靠近泄漏源上方1～2 m。由于激光光束無法穿透遮擋物，當(dāng)站場工藝管道布置高低錯落且數(shù)量較多時，不宜選擇云臺式激光探測器。結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用測試結(jié)果，當(dāng)泄漏點與探測器之間的距離大于50 m 時，探測器示值和標(biāo)準(zhǔn)氣數(shù)值之間偏差較大，為保證探測器的測量精度及響應(yīng)時間，最大探測半徑應(yīng)≤70 m。

3 結(jié)論

（1）對于易發(fā)生大風(fēng)天氣的天然氣站場開放式工藝裝置區(qū)，微量的天然氣泄漏后不宜形成氣體云。采用激光對射式可燃氣體探測器受風(fēng)向影響存在一定的漏報；云臺掃描式激光可燃氣體探測器在大風(fēng)環(huán)境下天然氣泄漏檢測效果較差；超聲氣體泄漏探測器對于微量泄漏檢測效果較差，但針對中型及以上泄漏檢測效果較好，且不受風(fēng)速影響。

（2）一般天然氣站場露天區(qū)域可燃氣體泄漏檢測推薦采用云臺掃描式激光可燃氣體探測器，其中大風(fēng)環(huán)境的站場露天區(qū)域可燃氣體泄漏檢測采用云臺掃描式激光可燃氣體探測器和超聲氣體泄漏探測器結(jié)合的方式；對于壓縮機廠房內(nèi)可燃氣體泄漏檢測采用開路式激光可燃氣體探測器；對于壓縮機廠房地下管溝可燃氣體泄漏檢測可采用固定式紅外可燃氣體探測器。

（3）云臺式激光探測器建議選擇自動巡檢模式，設(shè)置的預(yù)定軌跡應(yīng)根據(jù)季節(jié)或時間段的泄漏特點進行自動切換。