蘇日提，劉 鑫，陳泂杉

(1.港華投資有限公司, 廣東 深圳 518028； 2.港華燃氣投資有限公司，廣東 深圳 518028)

1 概述

隨著城市化建設的迅猛發(fā)展，城市燃氣管網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，截至2021年，城市天然氣管道總長度達92.91×104km[1]。燃氣管網(wǎng)埋于地下，隨著管道在役年限的延長，不可避免因腐蝕、老化、第三方破壞等原因引起管道燃氣泄漏，能否及時發(fā)現(xiàn)和正確處置燃氣泄漏，直接影響到社會公眾安全，也是保障燃氣公司運行安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著新技術(shù)、新設備、新算法的不斷引入，泄漏檢測的精度和效率有了很大的提升。

2 城市燃氣泄漏檢測技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)泄漏檢測技術(shù)

通常依據(jù)檢測原理將燃氣泄漏檢測技術(shù)分為3類：物理檢測技術(shù)，如電纜及光纖傳感技術(shù)、聲學或超聲學探測技術(shù)、可見光攝像檢測技術(shù)、放射性物質(zhì)檢測技術(shù)、管壁參數(shù)檢測法等；計算機軟件檢測技術(shù)，常見的有統(tǒng)計學法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、參數(shù)分析法、質(zhì)量平衡法、數(shù)學模型法等；人工巡查檢測技術(shù)，泄漏檢測人員使用推車式或探桿式10-6級全量程泄漏檢測儀沿管道行進泄漏檢測，對運行管道及附屬設施、規(guī)定范圍內(nèi)密閉空間進行檢測并對周圍環(huán)境進行觀察，確認管道是否存在泄漏情況[2]。人工巡查檢測技術(shù)是目前城市燃氣行業(yè)使用較為普遍的泄漏檢測技術(shù)。

由于燃氣與沼氣的主要成分都是甲烷，在實際檢測中發(fā)現(xiàn)的疑似泄漏可能是地下沼氣造成的干擾。燃氣中可能包含的其他組分有乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮氣等。沼氣中可能包含的其他組分有氮氣、氨氣、硫化氫、二氧化碳等。采用氣相色譜分析技術(shù)判別氣體中是否含有乙烷就可以快速判斷是否為燃氣泄漏[2]。

2.2 車載泄漏檢測技術(shù)

目前精度最高的2種高精度車載泄漏檢測系統(tǒng)(簡稱車載檢測系統(tǒng))，分別是基于CRDS(光腔衰蕩光譜技術(shù))和軟件算法的Picarro Surveyor泄漏檢測系統(tǒng)與基于OA-ICOS(離軸積分腔輸出光譜技術(shù))和軟件算法的ABB Ability泄漏檢測系統(tǒng)[3]。CRDS和OA-ICOS是2種基于激光吸收光譜技術(shù)發(fā)明而發(fā)展的高靈敏光譜技術(shù)。

CRDS是通過測量脈沖激光在高反射光腔內(nèi)來回反射過程中的衰減率，進而測量物質(zhì)吸收光程的方法[4]。當反射率很高時，光可在衰蕩腔來回振蕩很多次，即吸收光程很大，因此可以檢測到痕量氣體[5]。OA-ICOS是一種結(jié)構(gòu)更簡單的激光吸收光譜技術(shù)，其使一束激光在光腔中來回反射，測量透過光腔的時間積分光強，通過比較與入射光強的差值，計算待測氣體的體積分數(shù)。特點是激光以離軸的方式進入光學諧振腔，調(diào)節(jié)腔長激發(fā)大量的高階橫模[6]。使各波段激光都能均勻通過光腔，有效地抑制了腔模波動引起的噪聲，在一定程度上抗環(huán)境干擾[7]。上述2種車載檢測系統(tǒng)，對甲烷、乙烷體積分數(shù)的檢測精度都可達到10-9級，最大車載檢測覆蓋范圍均達到檢測車兩側(cè)150 m[6]。檢測過程中都會檢測風力、風向等氣象數(shù)據(jù)，作為泄漏點定位的重要依據(jù)，均可與北斗或GPS定位系統(tǒng)結(jié)合應用。通過內(nèi)置的算法軟件，分析計算燃氣泄漏情況并定位燃氣泄漏位置。

3 現(xiàn)有燃氣泄漏檢測方法的優(yōu)勢與不足

3.1 傳統(tǒng)泄漏檢測技術(shù)

人工巡查檢測通常與硬件檢測、軟件檢測技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)勢是成本較低、儀器自動化程度高，操作容易。不足是人工巡查檢測使用的檢測儀器通常為10-6級，精度相對較低。同時，人工巡查檢測的檢測效率較低，檢測效率約3～5 km/d，檢測區(qū)域范圍較小，檢測結(jié)果也易受到沼氣、汽車尾氣等含甲烷的氣體干擾。

目前檢測效率較高的方法是采用車載檢測系統(tǒng)初檢排查，針對初檢中發(fā)現(xiàn)的疑似區(qū)域，再人工巡查檢測出泄漏信息點，最后通過激光分析類或色譜分析類的乙烷辨識設備，進一步判定燃氣泄漏。

3.2 車載檢測系統(tǒng)

車載檢測系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)檢測方法，具有以下優(yōu)勢：

① 提高泄漏檢測效率。傳統(tǒng)人工巡查檢測需要人員徒步進行，車載檢測系統(tǒng)可以在行駛過程中持續(xù)檢測，檢測效率為人工巡查檢測效率的8～10倍。

② 擴大檢測覆蓋范圍。2種車載檢測系統(tǒng)最大可以覆蓋檢測車兩側(cè)150 m范圍，軟件算法結(jié)合檢測軌跡、風向、檢測時間，可對已檢測區(qū)域進行標記。通過不同時段多次檢測，除車輛無法檢測區(qū)域(可行車地段兩側(cè)150 m外的農(nóng)田、山地、鐵路等)外，對整個城市管網(wǎng)進行全面泄漏排查。

③ 提高泄漏氣體判別能力和效率?；贑RDS和基于OA-ICOS技術(shù)的泄漏檢測技術(shù)均可以檢測到極低體積分數(shù)的甲烷和乙烷氣體，因此可以準確判別輕微跡象的泄漏事件。

④ 提升泄漏點精準定位能力。兩種車載檢測系統(tǒng)都需配合分析軟件使用?？烧故緳z測車的實時位置和檢測數(shù)據(jù)，檢測到高體積分數(shù)時報警，分析并縮小泄漏點的可能位置，檢測完成后還可生成檢測區(qū)域的評估報告，可作為參考資料幫助燃氣企業(yè)快速發(fā)現(xiàn)泄漏點。

車載檢測系統(tǒng)在實際應用時同樣存在一些不足，主要有：

① 存在檢測盲區(qū)，管道距離檢測車大于150 m時無法被檢測。

② 泄漏檢測靈敏度較高，檢測易受干擾。以LNG、CNG汽車的尾氣，以及天然氣、液化石油氣燃具點火過程中或燃燒不完全逸散的可燃氣體對車載檢測系統(tǒng)會產(chǎn)生較大干擾，需要通過分時段多次檢測的方法，避開車輛、夜市、居民炊事高峰期對泄漏檢測帶來的干擾。

③ 氣源乙烷體積分數(shù)過低時影響檢測效率。燃氣企業(yè)無法掌握核心算法，在氣源乙烷含量較低的城市，不能根據(jù)氣源組成調(diào)節(jié)乙烷檢測預警值。如果城市燃氣乙烷含量較低(例如四川、江西省一些城市)，則同時檢測甲烷、乙烷體積分數(shù)以便判定是否為燃氣泄漏，效果會被大幅度削弱。

④ “最后一段”泄漏定位效率待提升。車載檢測系統(tǒng)中，對疑似泄漏定位結(jié)果是一個扇形區(qū)域，仍需運行人員對該區(qū)域內(nèi)的管道及設施進行排查。多次檢測后，車載檢測系統(tǒng)會給出多個扇形區(qū)域，檢測人員需要定位到體積分數(shù)穩(wěn)定的泄漏點。

4 車犬聯(lián)動泄漏檢測方案

車犬聯(lián)動泄漏檢測方案是利用車載檢測系統(tǒng)的快速檢測能力和燃氣嗅探犬靈敏的嗅覺，捕捉四氫噻吩(THT)氣味從而輔助判定燃氣泄漏并快速定位泄漏位置的新型聯(lián)合泄漏檢測方法。

4.1 燃氣嗅探犬

燃氣嗅探犬是能夠捕捉THT的氣味，判定是否存在燃氣泄漏并定位泄漏位置的專業(yè)工作犬。2015年在英國某燃氣管網(wǎng)公司首次應用。2019年港華燃氣集團從香港中華煤氣引入該技術(shù)，并在廈門建立燃氣嗅探犬培訓基地，自主研發(fā)燃氣嗅探犬訓導設施及訓導方案，并成功訓導出可實際應用的燃氣嗅探犬。2019年在本溪、常州、武漢、濟南等地進行燃氣檢漏工作，復核及主動查找泄漏點總計逾100處，得到當?shù)仄髽I(yè)、政府、媒體等的認可及好評。燃氣嗅探犬進行泄漏檢測見圖1。

圖1 燃氣嗅探犬進行泄漏檢測

燃氣嗅探犬訓導通常選擇性格活潑開朗、膽量大、自信以及喜愛工作的犬，才能在比較復雜的環(huán)境下正常工作。犬種一般鎖定在4個品種：德國牧羊犬、史賓格犬、比利時馬犬、比格犬。這4個品種在長期使用中被認為是嗅覺敏銳、可訓性強的品種。

燃氣嗅探犬的訓導通常分為3個階段：

① 基本幼訓和社會化的訓練。訓練犬對THT形成嗅聞的條件反射及氣味捕捉能力。訓練犬的服從行為，以便讓犬能夠按預定報警方式給出報警信號。

② THT針對性訓練。這個階段犬對THT已經(jīng)形成穩(wěn)定的條件反射，當嗅聞到指定氣味時可以果斷報警，指定氣味來源位置，且讓犬能在其他氣味干擾下，找到只含THT的嗅源。

③ 燃氣泄漏專項訓練。在訓犬基地按照真實的燃氣管道敷設場景(綠化帶、人行道、混凝土路面等)建設訓犬場地，設置泄漏點，模擬燃氣泄漏，對犬進行專項訓練，使犬具備對管道燃氣泄漏點的嗅探和識別定位能力。

4.2 車犬聯(lián)動泄漏檢測方案

2020年，港華燃氣集團經(jīng)過不斷探索優(yōu)化，首創(chuàng)車犬聯(lián)動泄漏檢測方案(簡稱車犬聯(lián)動方案)，使用車載檢測系統(tǒng)對需要檢測區(qū)域進行初檢，針對初檢后懷疑存在泄漏的區(qū)域，燃氣嗅探犬通過捕捉空氣中有無THT氣味，判斷有無天然氣泄漏，并對地表燃氣泄漏點進行精準定位。車犬聯(lián)動方案在檢測有無甲烷、乙烷的基礎上，同時檢測有無THT，使其更加準確快速，檢測覆蓋面更廣。車犬聯(lián)動方案步驟為：首先由車載檢測系統(tǒng)初檢，指出疑似泄漏范圍。檢測車檢測范圍用灰色標出，紅色扇形為泄漏指示標志，黃色扇形為疑似泄漏指示標志，灰綠色扇形為沼氣指示標志，見圖2。再由燃氣嗅探犬進入紅色及黃色扇形區(qū)域，通過追蹤THT氣味定位泄漏點。

圖2 檢測車終端分析過程(軟件截圖)

5 車犬聯(lián)動方案的應用

截至2022年1月，按照車犬聯(lián)動方案已在江蘇、吉林、遼寧、湖北、安徽、江西、廣西、廣東、山東、四川等省自治區(qū)對超過3 000 km管道進行周期泄漏檢測。發(fā)現(xiàn)的泄漏點中，埋地鋼管泄漏點占29%，埋地PE管泄漏點占15%，立管絲堵泄漏點占34%，閥門泄漏點占14%，調(diào)壓箱或調(diào)壓柜泄漏點占7%，表箱泄漏點占1%。前2項為地下泄漏點，其他為地上泄漏點。

5.1 埋地管道應用

埋地管道泄漏后，燃氣可能在土壤中流竄，較難精準定位。但是利用燃氣嗅探犬的嗅覺，可通過土層里的THT準確定位泄漏位置，定位速度快、精準度高。

2021年3月，利用車犬聯(lián)動方案為某公司檢測時，車載檢測系統(tǒng)在某醫(yī)院附近標記了多個黃色扇形(疑似泄漏指示標志)，且密集分布。考慮到當?shù)貧庠匆彝楹枯^低，將該區(qū)域定為疑似泄漏區(qū)域。隨后利用燃氣嗅探犬在該區(qū)域進行泄漏檢測，嗅探犬在院墻墻角處示警(定位泄漏點)，見圖3。檢測人員用便攜式可燃氣體檢測儀確認，甲烷體積分數(shù)為甲烷爆炸下限的16.6%。開挖之后，有一處管道受到外腐蝕導致管道穿孔，燃氣泄漏點距燃氣嗅探犬定位泄漏點相距僅約50 cm。隨后該公司更換該管段，并提高對該管道的檢測頻率。

圖3 嗅探犬在院墻墻角處示警

2020年10月，利用燃氣嗅探犬為某公司檢測某小區(qū)時，在小區(qū)綠化帶發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏。檢測人員用便攜式可燃氣體檢測儀進行確認，儀器測量讀數(shù)顯示甲烷體積分數(shù)為64.2%，經(jīng)開挖確認是DN 50 mm埋地鋼管因腐蝕銹穿。地下泄漏點在燃氣嗅探犬定位泄漏點的正下方，無水平偏差。隨后該公司立即對泄漏管道進行整改，并加強同一批次施工管道的監(jiān)測工作。

2020年10月，利用燃氣嗅探犬為某公司檢測時，一處停車場內(nèi)(瀝青路面)發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏。檢測人員用便攜式可燃氣體檢測儀進行確認，儀器測量讀數(shù)顯示甲烷體積分數(shù)為10%，經(jīng)開挖搶修確認是DN 100 mm埋地鋼管法蘭接頭處泄漏。地下泄漏點距燃氣嗅探犬定位泄漏點約1 m。

5.2 地上管道應用

燃氣嗅探犬可對敷設位置相對較低的地上燃氣管道進行泄漏檢測，而此部分管道往往處于埋地與架空敷設管道結(jié)合處，容易出現(xiàn)腐蝕情況。如發(fā)生泄漏，燃氣嗅探犬可快速精準進行定位。

2021年3月，某公司利用車犬聯(lián)動方案進行泄漏檢測時，車載檢測系統(tǒng)在某銀行附近發(fā)現(xiàn)紅色扇形(泄漏指示標志)。隨后利用燃氣嗅探犬在紅色扇形區(qū)域進行泄漏檢測，燃氣嗅探犬很快在燃氣表箱立管堵頭處示警，見圖4。運行人員用便攜式可燃氣體檢測儀進行確認，甲烷體積分數(shù)為甲烷爆炸下限的5.3%，隨即對該處泄漏進行整改。

圖4 燃氣嗅探犬在燃氣表箱立管堵頭處示警

2021年7月，某公司利用燃氣嗅探犬進行泄漏檢測時，燃氣嗅探犬在燃氣集中表箱處發(fā)現(xiàn)疑似泄漏。運行人員用便攜式可燃甲烷檢測儀進行確認，儀器測量甲烷體積分數(shù)為甲烷爆炸下限的6.6%，該公司隨即對該處泄漏進行整改。

5.3 車犬聯(lián)動方案的優(yōu)勢

① 提升高檢測精度。車載檢測系統(tǒng)和燃氣嗅探犬的檢測精度均可達到10-9級，在車載檢測系統(tǒng)無法檢測區(qū)域，可由燃氣嗅探犬沿管道進行泄漏檢測，從而保證泄漏檢測的精度。

② 抗干擾能力強。在不同時段多次檢測的基礎上，可利用燃氣嗅探犬檢測可疑區(qū)域是否存在THT，通過辨別乙烷、THT是否存在，無論城市燃氣種類、氣質(zhì)如何，均能快速判定是否為燃氣泄漏，保證用氣安全。