邵彬彬 張 憲 馬冶輝

防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀在天然氣場(chǎng)站的應(yīng)用

邵彬彬 張 憲 馬冶輝

（合肥合燃華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?，安?合肥 230075）

隨著天然氣的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，選擇一種快速、有效的天然氣泄漏檢測(cè)方式也越來(lái)越重要。文章從防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀簡(jiǎn)介、檢測(cè)原理及特點(diǎn)、應(yīng)用效益等方面進(jìn)行了闡述和分析。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及政策、規(guī)范等方面的逐漸成熟，以防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀為代表的檢測(cè)技術(shù)將越來(lái)越多地應(yīng)用于天然氣場(chǎng)站等生產(chǎn)生活領(lǐng)域。

激光；甲烷檢測(cè)；天然氣場(chǎng)站；可調(diào)諧半導(dǎo)體激光接收光譜

引言

目前天然氣作為清潔能源在國(guó)家能源體系中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為了實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的目標(biāo)，天然氣在能源體系中的比重仍將繼續(xù)增加。2021年湖北十堰市“6·13”重大燃?xì)獗ㄊ鹿式o人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了極大的傷害，也給燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)企業(yè)敲響了警鐘。特別是燃?xì)鈭?chǎng)站中的調(diào)壓站、輸配站、儲(chǔ)運(yùn)站等露天燃?xì)饩奂瘏^(qū)，如何盡快、盡早發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏成為一項(xiàng)亟待解決的課題。目前天然氣泄漏檢測(cè)工具的檢測(cè)方式有催化燃燒式、電化學(xué)式、紅外式、激光式等，燃?xì)鈭?chǎng)站中大多使用人工手持紅外式巡檢或者在區(qū)域內(nèi)設(shè)置若干固定紅外式檢測(cè)點(diǎn)，由于固定點(diǎn)只能檢測(cè)小部分區(qū)域范圍，整個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)須設(shè)置數(shù)量較多的檢測(cè)點(diǎn)，后期維護(hù)、檢修、標(biāo)定等工作量大，人工巡檢存在“盲區(qū)”，需要人力在現(xiàn)場(chǎng)來(lái)回多次進(jìn)行徒步檢測(cè)，對(duì)人力資源的損耗也是一種較大的損失。針對(duì)以上存在的問(wèn)題，采用一種簡(jiǎn)單、可靠，使用較少資源就能夠產(chǎn)生較大生產(chǎn)效益的新型檢測(cè)方式越來(lái)越重要，采用防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)成為滿足燃?xì)鈭?chǎng)站天然氣檢測(cè)各項(xiàng)要求的重要方式[1]。

1 防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀簡(jiǎn)介

防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀是一種將激光探測(cè)器、高清攝像機(jī)及電動(dòng)云臺(tái)集成一體的儀器。電動(dòng)云臺(tái)可以攜帶激光探測(cè)器和攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)360°橫向及180°縱向的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光探測(cè)器對(duì)工藝裝置區(qū)立體空間區(qū)域和位置的甲烷檢測(cè)。后臺(tái)管理軟件作為人機(jī)交互工具，展示攝像機(jī)拍攝的檢測(cè)位置畫(huà)面，控制電動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇檢測(cè)點(diǎn)，設(shè)置檢測(cè)儀的檢測(cè)路線和報(bào)警限值等信息，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的甲烷氣體濃度值判斷是否報(bào)警，保存報(bào)警記錄，同步抓拍報(bào)警位置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景畫(huà)面，快速定位大致漏氣區(qū)域。做到安全隱患早察覺(jué)、早預(yù)警、早處置，使場(chǎng)站安全運(yùn)行保護(hù)能力有了較大的提升。設(shè)備具有ExdIICT6Gb防爆認(rèn)證，滿足在生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)安裝位置選擇的多樣性。

本項(xiàng)目在某輸氣站工藝裝置區(qū)外側(cè)部署一臺(tái)防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀（見(jiàn)圖1），用于檢測(cè)甲烷氣體，拍攝報(bào)警位置現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面。在控制室部署一臺(tái)工作電腦安裝檢測(cè)儀管理軟件，作為人機(jī)交互工具用于操作和控制檢測(cè)儀的工作，展示報(bào)警信息，具備傳送報(bào)警信息至第三方平臺(tái)的功能，如SCADA系統(tǒng)。

圖1 燃?xì)鈭?chǎng)站布置示意圖

2 激光檢測(cè)的原理及特點(diǎn)

2.1 激光檢測(cè)的原理

防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀基于TDLAS（可調(diào)諧半導(dǎo)體激光接收光譜）檢測(cè)原理[2-3]，該原理主要是人機(jī)交互模塊指令激光發(fā)射模塊向目標(biāo)部位（管道、閥門(mén)等）發(fā)出激光，激光的波長(zhǎng)控制在相對(duì)應(yīng)的甲烷氣體吸收峰處，經(jīng)過(guò)甲烷氣體吸收，在管道、閥門(mén)等部位引起漫反射波，經(jīng)過(guò)發(fā)射后進(jìn)入激光接收模塊，并經(jīng)信號(hào)處理模塊感知甲烷氣體濃度變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷濃度的檢測(cè)，原理如圖2所示。

圖2 檢測(cè)原理圖

2.2 激光檢測(cè)的特點(diǎn)

（1）由于分子光譜的“指紋”特性，激光檢測(cè)是不受其他氣體干擾的高選擇性、高分辨率的光譜技術(shù)[4]。這一特點(diǎn)比起其他技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

（2）激光檢測(cè)是對(duì)所有能夠?qū)t外線有所吸收的活躍分子都有效的通用技術(shù)，只需更換激光器和標(biāo)準(zhǔn)氣就能輕松測(cè)量其他成分。

（3）速度快、靈敏度高。激光檢測(cè)的時(shí)間解析度可以在毫秒量級(jí)，而不會(huì)失去靈敏度。應(yīng)用該技術(shù)的主要領(lǐng)域有分子光譜研究、工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制、燃燒過(guò)程診斷與分析、發(fā)動(dòng)機(jī)功率與機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣測(cè)量、爆炸檢測(cè)、大氣中痕量污染氣體監(jiān)測(cè)等，目前已有多個(gè)領(lǐng)域的研究成果在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)檢測(cè)甲烷的技術(shù)手段主要有半導(dǎo)體傳感器檢測(cè)方法和化學(xué)方法兩大類。這些傳統(tǒng)的探測(cè)系統(tǒng)維護(hù)頻繁，維護(hù)成本高、難度大，容易出現(xiàn)探頭介質(zhì)失效、靈敏度低、無(wú)法持續(xù)探測(cè)等問(wèn)題。國(guó)外目前主要的天然氣泄漏檢測(cè)研究方向有兩種：一是主動(dòng)光電檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)利用激光和光電傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)；二是被動(dòng)光電檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)利用泄漏氣體的吸收輻射特性實(shí)現(xiàn)。以上兩種技術(shù)不僅降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本和維護(hù)難度，不需要任何預(yù)處理，而且順應(yīng)了高效、快速、實(shí)時(shí)、連續(xù)的氣體濃度檢測(cè)趨勢(shì)，基于TDLAS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷泄漏的連續(xù)測(cè)量，具有高分辨率和高靈敏度檢測(cè)的特點(diǎn)。

3 激光甲烷檢測(cè)儀在某輸氣站的應(yīng)用實(shí)例

某輸氣站是合肥至六安高壓天然氣管線工程的末站，承擔(dān)著為六安、金寨等革命老區(qū)輸送天然氣的任務(wù)。項(xiàng)目最大設(shè)計(jì)流量為7.5×105m3/h，掃描激光甲烷檢測(cè)儀安裝實(shí)景如圖3所示，包含電動(dòng)云臺(tái)、防爆控制箱、后臺(tái)操作平臺(tái)（操作軟件）。電動(dòng)云臺(tái)和防爆控制箱設(shè)置在場(chǎng)站工藝裝置區(qū)周邊，后臺(tái)操作平臺(tái)設(shè)置在辦公區(qū)內(nèi)，通過(guò)在工藝裝置區(qū)內(nèi)設(shè)置若干個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，一般是管道、法蘭、閥門(mén)、儀表、調(diào)壓撬等設(shè)備接口，閥門(mén)排污、放散口，總共設(shè)置約400處檢測(cè)點(diǎn)。每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)停留時(shí)間3～5 s，從一個(gè)預(yù)設(shè)檢測(cè)點(diǎn)到下一個(gè)預(yù)設(shè)檢測(cè)點(diǎn)，電動(dòng)云臺(tái)24 h不間斷對(duì)設(shè)置的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)后臺(tái)軟件可以對(duì)電動(dòng)平臺(tái)角度進(jìn)行調(diào)整，滿足現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)需求。每巡查一次時(shí)間為20～30 min，每天檢測(cè)48次。檢測(cè)過(guò)程中防爆控制箱將監(jiān)控視頻和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，傳輸至后臺(tái)操作平臺(tái)，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等進(jìn)行記錄，對(duì)于數(shù)據(jù)異常的自動(dòng)報(bào)警，發(fā)出蜂鳴、LED燈光閃爍等信號(hào)，并反饋至SCADA平臺(tái)。所有數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)于系統(tǒng)中便于回放和觀看歷史場(chǎng)景，存儲(chǔ)時(shí)間視電腦硬盤(pán)容量而定，對(duì)于1TB硬盤(pán)，存儲(chǔ)時(shí)間可達(dá)到一年以上。與傳統(tǒng)人工檢測(cè)相比，該檢測(cè)項(xiàng)目能夠做到24 h不停留，大大提高檢測(cè)效率。

圖3 項(xiàng)目實(shí)景圖

4 激光甲烷檢測(cè)儀應(yīng)用效益分析

不同檢測(cè)方式的甲烷檢測(cè)工具對(duì)比情況如表1所示。

表1 不同檢測(cè)方式甲烷檢測(cè)工具對(duì)比情況

4.1 測(cè)量技術(shù)方面

防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀測(cè)量范圍大，可靠性高，不會(huì)漂移、中毒、飽和，使用壽命長(zhǎng)，非接觸式檢測(cè)安全系數(shù)高，最小分辨率量綱為百萬(wàn)分之一（傳統(tǒng)一般為萬(wàn)分之一），響應(yīng)時(shí)間不足1 s（傳統(tǒng)5 s以上），掃描半徑可超過(guò)80 m（1臺(tái)催化燃燒式探測(cè)器一般不超過(guò)5 m），激光檢測(cè)元件使用壽命長(zhǎng)，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)型催化燃燒甲烷氣體檢測(cè)儀來(lái)說(shuō)，它的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。但是受監(jiān)控死角影響，激光甲烷檢測(cè)裝置的部署位置選擇需慎重，否則會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題。

4.2 價(jià)格方面

以某輸氣站為例，一臺(tái)傳統(tǒng)點(diǎn)型甲烷氣體探測(cè)器的設(shè)備（含軟硬件及安裝輔材等）約1.2萬(wàn)元，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范露天工藝裝置區(qū)內(nèi)共計(jì)安裝28臺(tái)，總費(fèi)用約33.6萬(wàn)元。一套防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀（含軟硬件及安裝輔材等）約20萬(wàn)元。兩個(gè)方案的差額在13.6萬(wàn)元左右。因此，對(duì)于一臺(tái)前端設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)全覆蓋的情況，防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀還是具備一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

4.3 安全管理方面

傳統(tǒng)設(shè)備為被動(dòng)檢測(cè)且泄露量達(dá)到一定程度后才會(huì)有報(bào)警，而該設(shè)備能夠24 h根據(jù)預(yù)設(shè)巡檢路徑主動(dòng)檢測(cè)，對(duì)于微量泄露也能夠有很好的檢測(cè)能力。后臺(tái)管理軟件實(shí)時(shí)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于超過(guò)報(bào)警限值的還會(huì)保存相應(yīng)圖像信息，快速大致定位燃?xì)庑孤┪恢茫崾緢?chǎng)站運(yùn)行人員盡早前往現(xiàn)場(chǎng)檢查實(shí)際漏氣位置，并盡快消除漏氣隱患。因此，激光甲烷檢測(cè)裝置可以為未來(lái)生產(chǎn)場(chǎng)所的安全運(yùn)行提供技術(shù)手段的支持。

5 未來(lái)應(yīng)用前景

（1）目前相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于甲烷氣體探測(cè)器的設(shè)置還是推薦采用傳統(tǒng)方式，對(duì)于新興的激光甲烷檢測(cè)并未提出相關(guān)指導(dǎo)意見(jiàn)，行業(yè)內(nèi)目前也是處在采用“傳統(tǒng)方式”或“傳統(tǒng)＋激光檢測(cè)方式”進(jìn)行檢測(cè)的階段。

（2）傳統(tǒng)探測(cè)器經(jīng)計(jì)量機(jī)構(gòu)檢測(cè)后出具標(biāo)定或校準(zhǔn)證書(shū)，而激光檢測(cè)設(shè)備在現(xiàn)行計(jì)量技術(shù)規(guī)范下的檢測(cè)并不嚴(yán)謹(jǐn)，校準(zhǔn)報(bào)告只是對(duì)設(shè)備檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)氣體的檢測(cè)數(shù)值是否準(zhǔn)確進(jìn)行判定，但對(duì)于激光甲烷測(cè)漏儀遠(yuǎn)近距離檢測(cè)的準(zhǔn)確度并未有相關(guān)解釋或說(shuō)明。因此激光甲烷檢測(cè)設(shè)備的標(biāo)定或校準(zhǔn)工作還存在一些不確定因素。但隨著工信部于2021年發(fā)布《行業(yè)計(jì)量技術(shù)規(guī)范項(xiàng)目公示》，包括《激光甲烷遙測(cè)儀校準(zhǔn)規(guī)范》在內(nèi)的125個(gè)項(xiàng)目申請(qǐng)立項(xiàng)，明確將激光甲烷遙測(cè)儀列入計(jì)量技術(shù)規(guī)范計(jì)劃項(xiàng)目，為未來(lái)激光甲烷檢測(cè)儀的校準(zhǔn)和規(guī)模化應(yīng)用提供了技術(shù)規(guī)范支撐。

（3）目前掃描激光甲烷檢測(cè)儀的攝像頭功能較為單一，僅能夠捕捉預(yù)設(shè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)情形，智能程度一般，對(duì)視頻前后對(duì)比、智能識(shí)別、后臺(tái)軟件分析等方面相對(duì)欠缺。若今后技術(shù)升級(jí)，其功能會(huì)更加齊全，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，提高數(shù)據(jù)分析能力，加入鷹眼全景等功能，代替場(chǎng)站現(xiàn)場(chǎng)原先設(shè)置的視頻監(jiān)控，既可實(shí)現(xiàn)甲烷檢測(cè)又可減少攝像頭的使用，實(shí)現(xiàn)“一專多能”。

6 結(jié)論

當(dāng)前激光檢測(cè)甲烷氣體的方式和產(chǎn)品確實(shí)為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)工作提供了新的技術(shù)手段，特別是對(duì)于一些工藝復(fù)雜、安全要求高的特殊項(xiàng)目或區(qū)域（如LNG應(yīng)急調(diào)峰項(xiàng)目工藝裝置區(qū)、裝卸臺(tái)）建議利用激光甲烷檢測(cè)裝置作為主動(dòng)檢測(cè)手段；如果工藝不是很復(fù)雜，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要選擇性部署激光甲烷檢測(cè)設(shè)備，降低生產(chǎn)運(yùn)行人員檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度，快速發(fā)現(xiàn)漏氣隱患，提高燃?xì)庠O(shè)施安全生產(chǎn)管理水平。推廣防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀在燃?xì)鈭?chǎng)站等項(xiàng)目中的應(yīng)用，可逐漸為各場(chǎng)景下天然氣檢測(cè)的使用積累經(jīng)驗(yàn)。

在當(dāng)今信息化發(fā)展的新階段，傳統(tǒng)檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型也是各燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)信息化的發(fā)展趨勢(shì)，在檢測(cè)過(guò)程中系統(tǒng)硬件水平不斷升級(jí)，場(chǎng)站管理水平不斷提高，科技更好地服務(wù)于安全生產(chǎn)工作，生產(chǎn)效率大大提高，運(yùn)營(yíng)成本逐漸降低，企業(yè)也實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量發(fā)展。今后隨著國(guó)家的大力推進(jìn)以及政策、規(guī)范等越來(lái)越健全，以防爆型云臺(tái)掃描式激光甲烷檢測(cè)儀為代表的激光甲烷檢測(cè)裝置將會(huì)越來(lái)越多地被應(yīng)用于生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中。

[1] 張春生，馬可倩，程美林，等. 激光甲烷檢測(cè)技術(shù)在沙漠油氣田的應(yīng)用[J]. 中國(guó)儀器儀表，2022(5): 35-38.

[2] 馬季林. 激光甲烷泄漏自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)在燃?xì)鈴S站的應(yīng)用[J]. 煤氣與熱力，2021，41(8): 13-15，45.

[3] 嚴(yán)密，袁曉駿，管文涌. 露天站場(chǎng)天然氣泄漏激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2021，40(6): 685-691.

[4] 韓小磊. 基于TDLAS的天然氣泄漏檢測(cè)技術(shù)研究[D].青島: 中國(guó)石油大學(xué)，2009: 74.

Application of Explosion-Proof Pan-Tilt Scanning Laser Methane Detector in Natural Gas Stations

With the widespread application of natural gas, choosing a fast and effective natural gas leak detection method is becoming increasingly important. This article elaborates and analyzes the introduction, detection principle and characteristics, application benefits, and other aspects of the explosion-proof pan-tilt scanning laser methane detector. With the progress of technology and the gradual maturity of policies and norms, the detection technology represented by explosion-proof pan-tilt scanning laser methane detector will be more and more used in natural gas stations and other fields of production and life.

laser; methane detection; natural gas stations; tunable semiconductor laser receiving spectrum

TU996

A

1008-1151(2023)11-0066-03

2023-03-29

邵彬彬，男，合肥合燃華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰竟こ處?，碩士，從事燃?xì)夤こ探ㄔO(shè)及安全技術(shù)管理工作。