錢濟人,張富誠,丁艷軍,李永華,徐 階,劉 標(biāo),彭志敏

(1.浙江浙能天然氣運行有限公司,浙江 杭州 310000；2.華北電力大學(xué)動力工程系,河北 保定 071000；3.清華大學(xué)能源與動力工程系,北京 100084)

1 引 言

隨著社會環(huán)保意識的增強,天然氣作為一種綠色清潔能源,因其熱值高、燃燒污染小、價格低廉等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于燃氣電廠、城市供熱、化工工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[1]。天然氣依靠管道輸送,在輸送的過程中,由于焊接、振動、氣流沖刷管道彎頭、壓力變化及腐蝕等多種原因造成管道、法蘭、閥門及螺紋處天然氣泄漏。天然氣的主要成分為甲烷(CH4),占比90 %以上,其無色無味,與空氣混合形成易爆炸的混合危險氣體,雖然其毒性不高,但是容易造成急性缺氧中毒,同時CH4是一種溫室氣體,較于CO其溫室效應(yīng)更加嚴重[2-3]。若天然氣站發(fā)生天然氣泄漏,不僅會浪費大量天然氣,帶來較大的經(jīng)濟損失,污染大氣環(huán)境,還容易造成爆炸事故,危害人身安全。天然氣在送達用戶前需經(jīng)過天然氣分輸站的分配,許多天然氣分輸站為無人場站,長期處于無人監(jiān)管的狀態(tài)。目前針對天然氣無人站分輸站天然氣泄漏主要采用傳統(tǒng)人工定期巡檢方式,檢測方法主要包括人耳辨音、噴灑肥皂水和手持便攜式檢測儀等。但傳統(tǒng)人工定期巡檢無法快速準確判斷泄漏點位置信息且難度大、效率低,易造成極大的安全隱患和經(jīng)濟問題。

目前,天然氣泄漏監(jiān)測成為亟待解決的問題,因此應(yīng)用于天然氣站的天然氣泄漏檢測設(shè)備隨之發(fā)展起來,主要測量原理有超聲波法、紅外法、電化學(xué)法和氣相色譜法等。管道及閥門發(fā)生天然氣泄漏時,會產(chǎn)生一定頻率的超聲波,超聲波是一種彈性機械振動波,傳播具有較強指向性,可聚成定向狹小的線束,其隨著傳播距離的增加而迅速衰減,利用超聲波的該特性可實現(xiàn)泄露檢測及泄露點大致位置推斷。但是超聲波法檢測極限距離會受到泄漏壓力、孔徑和角度等因素的影響,泄漏檢測距離小,很難實現(xiàn)天然氣站整個工藝區(qū)內(nèi)的微量泄漏監(jiān)測[4-5]。紅外法利用氣體紅外吸收光譜得到氣體的濃度信息,該法受外界環(huán)境中的熱源和光源影響較大,工業(yè)現(xiàn)場測量效果達不到預(yù)期效果。電化學(xué)法采用電化學(xué)傳感器測量濃度,屬于單點式測量,其電極使用壽命非常短,傳感器自身存在“中毒”問題,需經(jīng)常性進行標(biāo)定,其自由擴散式的取樣方式響應(yīng)速度慢,且受風(fēng)向影響比較明顯。氣相色譜法利用色譜柱和檢測器對混合氣體先分離、后檢測,檢測器將樣品組分準變?yōu)殡娦盘?通過電信號大小分析出待測氣體濃度,但是該方法需要采樣及預(yù)處理,系統(tǒng)復(fù)雜,容易受到其他氣體干擾,不適合天然氣場站開放環(huán)境測量[6]。

近年來,隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)發(fā)展,基于可調(diào)諧二極管吸收光譜(TDLAS)原理的氣體分析技術(shù)在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展[7-8],相較于上述原理技術(shù),該技術(shù)具有波長選擇性強、響應(yīng)速度快、測量精度高、靈敏度高等優(yōu)點[9-10],可實現(xiàn)微泄漏遙感檢測。目前天然氣泄漏監(jiān)測方案多采用云臺掃描式激光氣體遙測儀,該方案在天然氣無人站內(nèi)布一臺或多臺掃描式激光氣體遙測儀進行預(yù)置位巡航監(jiān)測,預(yù)置位多選在各個閥門與管道連接處。另外,也有監(jiān)測方案采用多點多線布多個開放式激光氣體遙測儀,通過多條平行激光穿過工藝區(qū)進行定點檢測,實現(xiàn)天然氣站部分區(qū)域的“線監(jiān)測”。這些方案采用單臺監(jiān)測設(shè)備存在監(jiān)測區(qū)域范圍小,漏洞大,無法實現(xiàn)整個天然氣場站的泄漏監(jiān)測；采用多臺監(jiān)測設(shè)備可進行多點多線監(jiān)測,但配件消耗量大,數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,后期維護量大。不論采用單臺或多臺監(jiān)測設(shè)備,只能實現(xiàn)天然氣泄漏的 “線監(jiān)測”,無法實現(xiàn)較大區(qū)域的“面監(jiān)測”及整個場站“空間監(jiān)測”,不能反演天然氣泄漏整個空間的動態(tài)濃度分布。

本文擬基于TDLAS的波長調(diào)制法,通過各次諧波信息重構(gòu)吸收率函數(shù),提高測量精度,研發(fā)適用于天然氣站易燃易爆的開放光路環(huán)境下CH4激光氣體遙測儀；提供一種天然氣泄漏空間監(jiān)測報警系統(tǒng),該系統(tǒng)方案采用高桿云臺與導(dǎo)軌分別搭載高精度激光氣體遙測儀進行實時監(jiān)測,并基于GIS平臺進行三維建模,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)融合處理生成天然氣空間濃度動態(tài)分布圖,泄漏濃度超過預(yù)設(shè)報警閥值時,結(jié)合空間濃度動態(tài)分布圖判斷泄漏位置。

2 TDLAS測量原理

2.1 Beer-Lambert定律

TDLAS測量技術(shù)采用窄帶可調(diào)諧二極管激光器發(fā)射出的激光作為光源,掃描氣體分子特定波長的單條吸收譜線,通過分析待測氣體吸收激光前后光強變化程度得到氣體濃度,作為光譜檢測技術(shù),遵循Beer-Lambert定律,其具有非接觸式、波長選擇性強、抗干擾能力強、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點,測量原理如圖1所示。

圖1 Beer-Lambert定律示意圖

一束頻率為v的單色激光穿過長度為L的氣室內(nèi)待測氣體介質(zhì)時,被待測氣體選擇性吸收,激光光強發(fā)生衰減,激光的透射光強It和入射光強I0滿足Beer-Lambert定律,其表達式如下所示[11-12]:

=exp[-PS(T)XLφ(v)]

=exp[-α(v)]

(1)

2.2 波長調(diào)制法重構(gòu)吸收率函數(shù)

直接吸收法和波長調(diào)制法是TDLAS技術(shù)長期發(fā)展形成的兩種主要測量方法。直接吸收法在實際測量中會受到顆粒物濃度、激光強度波動等因素的影響,使吸收率難以擬合,致使測量氣體濃度出現(xiàn)誤差。波長調(diào)制法可通過注入的高頻調(diào)制信號有效降低系統(tǒng)背景噪聲信號干擾,可提高測量的信噪比和靈敏度[13-14]。但是,傳統(tǒng)的二次諧波法測量氣體濃度需要復(fù)雜的標(biāo)定實驗,測量成本和難度高；2f/1f免標(biāo)法受吸收率條件的限制,其無法在惡劣工業(yè)環(huán)境得到廣泛應(yīng)用。鑒于直接吸收法和波長調(diào)制法的優(yōu)缺點,本文利用各次諧波信號中豐富的吸收率函數(shù)信息,建立一種基于波長調(diào)制法的吸收率函數(shù)在線重構(gòu)算法,提高了TDLAS技術(shù)在復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場的測量精度和可靠性。

波長調(diào)制法是在低頻掃描信號上注入頻率為ω高頻正弦調(diào)制信號,此時激光的瞬時頻率v和瞬時入射光I0為[15-17]:

(2)

由式(1)可知此時的激光透過率函數(shù)表達式為:

(3)

式中,Ak為激光透過率函數(shù)的各次諧波幅值,其表達式為:

(4)

根據(jù)鎖相放大器工作原理,將參考信號和光電探測器輸入的光強信號相乘,可推導(dǎo)鎖相放大器輸出的各次諧波X和Y軸信號的表達式如下:

(5)

式中,G為系統(tǒng)的光電放大系數(shù),在實際測量中可忽略強度調(diào)制非線性項i2,因此Fk1和Fk2的表達式如下:

(6)

當(dāng)沒有氣體吸收時,A0=1,Ak=0(k=1,2,3,…),此時一次諧波X和Y軸的背景信號如下,其中S1,back為一次諧波背景信號幅值。

(7)

在公式(5)中,當(dāng)奇數(shù)次諧波X和Y軸分別乘以sinθk和cosθk并且相減后,同時再將其除以一次諧波背景信號,則有:

(8)

經(jīng)過一系列的公式處理推導(dǎo)后可得到:

(9)

式中,Funk根據(jù)奇次諧波X和Y軸信號得到;Λk為激光透過率函數(shù)和調(diào)制系數(shù)m的函數(shù),其公式為:

(10)

當(dāng)k趨近于無窮大時,高階項影響為零,因此可得:

(11)

根據(jù)公式(10)和(11),當(dāng)sinψ1≠0時,可得到吸收率的重構(gòu)公式如下:

(12)

上述的吸收率重構(gòu)算法解決了目前波長調(diào)制法難以測量吸收率函數(shù)的問題,根據(jù)此重構(gòu)算法的吸收率函數(shù)可直接確定待測氣體的濃度、溫度等參數(shù)。

2.3 開放光路測量方法

激光光譜檢測技術(shù)是一種非接觸式吸收光譜技術(shù),具有可高空開放測量、響應(yīng)迅速、靈敏度高等特點[18],因此利用該測量技術(shù)可在天然氣站開放環(huán)境下測量天然氣管道及閥門泄漏的擴散云團,得到整個擴散云團的濃度,及時響應(yīng)天然氣站的泄漏情況。其測量工作原理如圖2所示。

圖2 開放光路測量方法示意圖

利用氣體對光譜的選擇吸收特性,激光收發(fā)裝置對外發(fā)射特定波長范圍(被測氣體不同,中心波長也不相同)的探測激光,該探測激光遇到反射裝置,部分激光被反射返回到收發(fā)裝置的探測單元；或者遇到如管道、閥門、地面、墻面等反射物,經(jīng)漫反射后部分激光返回到探測單元,在光束路徑內(nèi),如果有被測氣體泄漏形成的氣團,該氣團中甲烷將對探測激光產(chǎn)生吸收,未被吸收前的光強與被吸收后光強的比值與氣團的濃度成函數(shù)比例關(guān)系,通過計算該比值反演出氣團的濃度。

目前激光在線氣體監(jiān)測設(shè)備多采用封閉光路,用抽取的方法將待測氣體取樣到測量腔或者多次反射池中進行測量。這種測量方式精度很高,但是想監(jiān)測大面積區(qū)域的CH4氣體濃度,就需要將封閉光路變?yōu)殚_放光路。開放光路需應(yīng)對太陽光、燈光等環(huán)境光影響,太陽光可能造成光電探測器飽和,檢測不出正常信號,燈光會帶來工頻干擾。此外,開放光路環(huán)境下測量還會受到雨、雪、大霧等惡劣天氣影響。本文基于開放光路TDLAS測量原理,解決了光信號探測、環(huán)境光去除、測量系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵問題,研發(fā)出了激光氣體遙測儀,實現(xiàn)了開放環(huán)境中微量CH4泄漏檢測。

3 監(jiān)測方案

目前應(yīng)用于天然氣站的監(jiān)測方案多采用云臺掃描式和開放式激光氣體遙測儀,在天然氣無人場站內(nèi)布一臺或多臺掃描式激光氣體遙測儀進行預(yù)置位巡航監(jiān)測,或采用多點多線布多個開放式激光氣體遙測儀,通過多條平行激光穿過工藝區(qū)進行定點檢測,這些方案僅實現(xiàn)天然氣站部分區(qū)域的“線監(jiān)測”,監(jiān)測漏洞大?，F(xiàn)基于研發(fā)的激光氣體遙測儀提供一種天然氣泄漏監(jiān)測方案,實現(xiàn)天然氣站整個工藝區(qū)天然氣泄漏空間動態(tài)監(jiān)測。

整體方案由立柱云臺掃描式監(jiān)測方案與導(dǎo)軌可移動平臺開放式監(jiān)測方案組成,主要包括激光氣體遙測儀、云臺、氣動升降立柱、導(dǎo)軌和可移動平臺等設(shè)備。立柱云臺掃描式監(jiān)測方案如圖3所示,激光氣體遙測儀與攝像頭一體化集成與云臺之上,云臺放置于氣動升降立柱上法蘭,云臺可進行水平360°和垂直-90°～+90°的旋轉(zhuǎn)運動。氣動升降立柱由依次連接的多節(jié)氣缸組成,采用空氣壓縮機通過底部進氣嘴對氣缸充氣,每節(jié)氣缸完全升起后,連接處的插銷自鎖自動鎖死,其底部還設(shè)有撐腿便于固定。云臺搭載激光氣體遙測儀位于工藝區(qū)高位按設(shè)定預(yù)置位點巡航實現(xiàn) “線監(jiān)測”,攝像頭可輔助觀察現(xiàn)場巡航點實時狀況。

圖3 立柱云臺掃描式監(jiān)測方案

導(dǎo)軌可移動平臺開放式監(jiān)測方案如圖4所示,激光氣體遙測儀設(shè)于可移動平臺內(nèi),可移動平臺安裝在導(dǎo)軌上,拖鏈與可移動平臺連接,可移動平臺的動力來源防爆伺服電機可在導(dǎo)軌上精準往返運動,因此內(nèi)置的激光氣體遙測儀可實現(xiàn)大區(qū)域?qū)崟r動態(tài)“面監(jiān)測”。導(dǎo)軌由多跟立柱架高,立柱上方的調(diào)平座可調(diào)節(jié)導(dǎo)軌高度及水平度以滿足監(jiān)測要求,可移動平臺同時設(shè)有原點傳感器實現(xiàn)回原點和限位功能。

圖4 導(dǎo)軌可移動平臺開放式監(jiān)測方案

氣動升降桿立柱布置于天然氣站工藝區(qū)合適目標(biāo)位置,云臺帶動激光氣體遙測儀按設(shè)定預(yù)置位點巡航實現(xiàn)“線監(jiān)測”；導(dǎo)軌布置于天然氣站工藝區(qū)的一側(cè),可移動平臺帶動激光氣體遙測儀沿天然氣場站工藝區(qū)的一側(cè)往返運動,進行天然氣站內(nèi)氣體濃度采集,實現(xiàn)大區(qū)域的“面監(jiān)測”。將處于高位的掃描式激光氣體遙測儀的“線監(jiān)測”與水平往返運動的開放式激光氣體遙測儀的“面監(jiān)測”結(jié)合,實現(xiàn)整個天然氣場站的“空間監(jiān)測”,兩者的監(jiān)測及控制數(shù)據(jù)均上傳至服務(wù)器終端進行處理。天然氣泄漏空間動態(tài)監(jiān)測整體方案如圖5所示。

4 天然氣泄漏空間監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)上述整體監(jiān)測方案開發(fā)了一套天然氣泄漏空間監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)現(xiàn)場硬件設(shè)備控制及通信數(shù)據(jù)采集,基于GIS平臺對天然氣站進行三維建模,將兩個激光氣體遙測儀的濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)融合處理,采用空間濃度場反演算法,在每一次動態(tài)掃描后生成整個場站的CH4空間濃度動態(tài)分布圖。當(dāng)系統(tǒng)獲取天然氣站內(nèi)某一位置的CH4濃度超過預(yù)設(shè)報警閥值時進行實時報警,并結(jié)合空間濃度動態(tài)分布圖判斷天然氣泄漏位置,從而協(xié)助場站人員立即做出響應(yīng),高效處理天然氣泄漏事故。

圖5 天然氣泄漏空間動態(tài)監(jiān)測整體方案

天然氣泄漏空間監(jiān)測系統(tǒng)整體構(gòu)架自上而下分為邊緣層、網(wǎng)絡(luò)層和系統(tǒng)應(yīng)用層三個層次,如圖6所示。邊緣層實現(xiàn)對硬件設(shè)備系統(tǒng)的控制,控制導(dǎo)軌系統(tǒng)的可移動平臺按照特定目標(biāo)指令進行移動,可實現(xiàn)使能、回原點、手動移動、自動往返運動、限位等功能；控制云臺系統(tǒng)按照特定角度和速度進行移動,可設(shè)置預(yù)置位點和巡航方式。同時控制云臺遙測儀和導(dǎo)軌遙測儀按照特定的數(shù)據(jù)采集頻率進行數(shù)據(jù)采集,完成數(shù)據(jù)采集后進行數(shù)據(jù)打包并通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)上傳。網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)智慧管網(wǎng)與邊緣層進行通信,在本系統(tǒng)中采用MQTT作為智慧管網(wǎng)與邊緣層進行通信,邊緣層控制系統(tǒng)作為一個MQTT客戶端,訂閱相關(guān)任務(wù)和發(fā)布采集數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運行狀態(tài)等。系統(tǒng)應(yīng)用層主要由智慧管網(wǎng)中的空間泄漏監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成,作為系統(tǒng)與用戶之間的交互界面,用戶通過空間泄漏監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)各項功能應(yīng)用。

圖6 系統(tǒng)整體構(gòu)架

系統(tǒng)交互界面顯示場站三維視圖、設(shè)備列表、報警列表、泄漏監(jiān)測視圖、實時狀態(tài)及數(shù)據(jù)和實時視頻等信息。三維視圖直觀展示天然氣站的情況,用戶可實現(xiàn)場景放大、縮小、漫游、旋轉(zhuǎn)及按指定方向移動；泄漏監(jiān)測視圖展示了通過濃度反演算法得到的濃度動態(tài)分布圖；用戶可在空間泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置導(dǎo)軌運行速度、周期、云臺移動角度、預(yù)置位點及報警閥值,控制導(dǎo)軌與云臺的運動狀態(tài),查看實時狀態(tài)數(shù)據(jù)及報警信息,其主要包括遙測儀光強、濃度、導(dǎo)軌速度、位移、云臺坐標(biāo)、限位報警等數(shù)據(jù)信息。

圖7為天然氣泄漏空間監(jiān)測系統(tǒng)在某天然氣站試驗的監(jiān)測系統(tǒng)界面。在天然氣站多點放置標(biāo)氣瓶,控制可移動平臺及開放式激光氣體遙測儀以0.1 m/s水平往返運動,控制云臺及掃描式激光氣體遙測儀按預(yù)置位點巡航掃描,系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時生成濃度動態(tài)分布圖。從圖中可以看出不同的泄漏濃度區(qū)間對應(yīng)不同的顏色,當(dāng)監(jiān)測到定點標(biāo)氣瓶的天然氣泄漏時,立即反饋泄漏濃度數(shù)據(jù)并報警聯(lián)動,該區(qū)域濃度動態(tài)分布圖呈紅色,根據(jù)該濃度動態(tài)分布圖、可移動平臺及云臺的位置信息可判斷出泄漏點位置。系統(tǒng)響應(yīng)迅速,監(jiān)測準確可靠,可幫助運行人員及時做出響應(yīng)。

圖7 天然氣泄漏空間監(jiān)測系統(tǒng)界面

5 結(jié) 論

本文對天然氣泄漏監(jiān)測的必要性及現(xiàn)有測量原理進行了分析,根據(jù)現(xiàn)有天然氣場站天然氣泄漏監(jiān)測方案弊端,提出了一種天然氣泄漏空間監(jiān)測方法,通過現(xiàn)場系統(tǒng)方案實施與泄漏監(jiān)測試驗,得出以下結(jié)論:(1)現(xiàn)有多點多線布多個開放式激光氣體遙測儀監(jiān)測方案或云臺掃描式激光氣體遙測儀巡航監(jiān)測方案只能實現(xiàn)“線監(jiān)測”,然而天然氣站閥門、管道眾多,上述方案監(jiān)測漏洞極大,本文所提供的立柱云臺結(jié)合導(dǎo)軌可移動平臺監(jiān)測方案解決了該問題?？梢苿悠脚_搭載開放式激光氣體遙測儀在導(dǎo)軌上往返運動,實現(xiàn)了天然氣站的“面監(jiān)測”,布置于合適位置的立柱云臺搭載掃描式激光氣體遙測儀從高點按預(yù)置位點巡航,兩者的“線監(jiān)測”與“面監(jiān)測”相結(jié)合實現(xiàn)整個天然氣站的“空間監(jiān)測”,該方案使用設(shè)備少,全覆蓋,基本無監(jiān)測漏洞。(2)基于該方案所構(gòu)建的天然氣泄漏空間監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了天然氣泄漏空間監(jiān)測,可精確控制各設(shè)備運行。由于采用TDLAS測量原理及重構(gòu)算法,系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時更新濃度動態(tài)分布圖,顯示直觀,監(jiān)測到異常泄漏立即報警,根據(jù)報警時可移動平臺與云臺的坐標(biāo)數(shù)據(jù),并結(jié)合濃度動態(tài)分布圖準確判斷泄漏位置。該系統(tǒng)確保場站人員及時高效處理天然氣泄漏事故,從而保證天然氣站安全運行。