何军
珠海市双保管道设备安全有限公司 广东省珠海市 519000
摘要：在城市建设中，天然气分配网络的建设是重要的基础设施建设。随着城市化进程的加快、管道数量的增加、这些网络的使用范围的扩大和铺设时间的延长，它们的作用变得越来越重要。然而，风险评估和安全监测对于天然气输送网络尤为重要，因为天然气输送网络的泄漏可能导致一系列严重事故，严重威胁居民的生命和财产。目前，监测天然气泄漏的主要办法是采用人工检查方法，这种方法存在一些缺陷，例如速度慢、严重依赖检查员的经验以及无法持续进行实时在线监测。因此，在天然气站场建立一套可燃气体泄漏监测系统，可将管道运营的安全水平控制在合理、可接受的范围内，减少事故发生，对经济合理地保障管道安全运行具有重要意义。激光气体检测技术采用光谱吸收原理，具有灵敏度高、抗干扰性强等特点，可以实现场站内微小泄漏的检测，因此，基于激光检测原理的传感器逐渐被开发并投入使用。
关键词：天然气站场;扫描式激光气体监测系统;
引言
天然气因其环保、经济的特点，逐渐替代煤成为中国的重要能源。目前，中国已形成了以西气东输管网、陕京线管网、川气东送管网、西南管网等为代表的天然气输气网络，管道长度与日俱增，年均输量逐年上升。随着管道行业的快速建设与发展，各种因素导致的管道或站场泄漏事故时有发[1]。管输天然气等易燃易爆气体浓度较高，一旦发生泄漏，很容易在空气中超过爆炸浓度下限，对输送安全造成极大影响。对于天然气泄漏，特别是大规模天然气泄漏，目前已有超声波探测、催化燃烧、压降速率判断、远程红外对射等多种成熟的泄漏检测手段进行监测预防。而对于露天天然气站场工艺区出现的泄漏，特别是泄漏孔径小、泄漏情况不明显的微小泄漏，目前多采用加强人工巡检的方式发现并消除，暂无高效的自动检测手段。针对以上情况，西气东输管道公司结合自身天然气站场特点研发了基于可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技术的天然气泄漏激光监测系统。
1激光气体检测原理
在天然气站场，最常发生泄漏的位置是静密封点处，如法兰、螺纹接口处等；管道穿孔泄漏也时有发生，其主要发生于管道弯头处，特别是排污管道、放空管道的弯头处。传统热催化型气体传感器采用扩散检测方式：当管道出现泄漏时，天然气扩散到传感器的微型气室内，发生氧化反应，以此测量气体体积分数。但法兰、阀门、螺纹之间的微小泄漏流动性较弱，扩散范围较小，同时由于风向具有不确定性，常导致热催化型传感器无法准确检测可燃气体的泄漏。激光气体检测技术利用气体的红外光谱吸收特征律：
I（tv）=I（0v）exp［－α（v）CL］（1）
式中：I（tv）为光通过介质吸收后的透射光强，cd；I（0v）为入射到介质的光强，cd；α（v）为单位浓度长度气体在频率v处的吸收系数，cm-1；C为气体的体积分数；L为总的气体吸收光程，cm。对式（1）取自然对数：
－1n［I（tv）/I（0v）］=α（v）CL（2）
可见，通过计算激光透射前后光强的变化，可得到气体云团长度方向的体积积分，但由于直接吸收检测技术准确度和灵敏度都较差，本系统的激光气体传感器采用基于TDLAS技术的波长调制法进行检测，通过在激光器驱动电流中注入低频三角波和高频正弦波，实现激光波长的扫描和调制。将探测信号输入锁相放大器，提取各谐波信号分量，其中二次谐波的峰值正比于气体体积与光程的乘积[17]，以此来计算气体泄漏的分数。通过提高激光功率，可实现对天然气的远距离遥测；同时，激光检测为非接触式测量，可通过调整激光光路的路径，使其穿过管道的法兰、阀门、螺纹等部位附件的空间区域（天然气泄漏扩散体积分数场）并形成反射，从而实现对管道设备微小泄漏的监测.
2系统构架与部署
2.1现场探测单元
现场探测单元主要由激光甲烷检测仪、可见光摄像头、云台底座3大主要部件构成。激光甲烷检测仪是整个系统中最核心的部件，其集成TDLAS技术，可发出红外特定波长的激光，该激光对于人眼是不可视但安全的，用于探测甲烷的浓度。同时，激光甲烷检测仪也可选择性地发出肉眼可见的绿色指示激光，该指示激光与红外激光所发射的位置一致，用于指明目前红外激光正在探测的位置，在泄漏报警时指示泄漏的具体位置。两种激光发射功率较低，当现场甲烷浓度达到爆炸浓度后，其能量均不会引起甲烷爆炸。正常天气下可监测约150m范围内的天然气泄漏，恶劣雾霾天气条件下可能有所衰减，最低可发现5×10-6m的极微小泄漏。可见光摄像头采用高清视频摄像头，可辅佐激光甲烷检测仪对工艺区设备进行观测与记录，当出现泄漏报警时，可见光摄像头会锁定泄漏位置，并变焦放大红外激光测试的具体位置。可见光摄像头可在泄漏出现时协助值班人员第一时间了解现场设备泄漏的具体可视情况，以便采取最合理的应急处置方式。云台底座可增加激光甲烷探测仪和可见光摄像头的稳定性，同时可对它们进行水平角度和俯仰角度的自动调节，将激光甲烷检测仪的点扫描功能扩大为面扫描。云台内设两台伺服电机，电机接受来自控制器的信号并精确地完成水平角和俯仰角的调节，控制信号可以是预设的路径也可以是人为临时的控制，不同工艺的站场需配置不同的扫描轨迹路径。云台会时刻自主保持激光甲烷检测仪和可见光摄像头检测位置的同步。
2.2数据传输系统
数据传输系统负责前端激光气体传感器与后端预警监控终端之间信号的传输。其中前端传感器向后端传输的信号为：激光检测模块的浓度数据信号，包含光强数据与天然气积分浓度数据；三维旋转云台实时返回的云台动作信号，包含水平角度、垂直角度、预置位号与旋转速度的实时值；视频监控模块采集的工艺现场视频信号。预警监控终端通过向前端传感器发送指令信号控制传感器的运行，包括：激光检测模块的控制信号，用于控制激光检测指示灯的开关；三维旋转云台的指令信号，用于设置巡航速度与预置位坐标；视频监控模块的控制信号，用于控制摄像头的变焦、拍照等功能。该系统中与激光检测模块、三维旋转云台相关的数据信号采用RS-485传输协议，视频监控信号采用以太网的传输协议。一般天然气站场的露天工艺区与站控室（或中控室）相距较远，而RS-485信号易受干扰，以太网信号传输距离较短，因此采用信号整合的形式，将3类信号通过光端机转化为光信号，利用光纤进行传输，在终端一侧通过光端机对3类信号进行解析。该系统采用工业级轨式光端机，其提供一个10/100M以太网接口、两个串行数据接口用于信号的输出与输入。
2.3服务器单元
激光甲烷检测仪在长期运行过程中可能会出现一些影响报警准确性的误差，这些误差多是由于探测的光程发生突变造成的，如探测器发出的激光被鸟类或其他漂浮物短时遮挡后又立刻恢复，光程的突变会导致检测仪内部基础背景噪音变化。为尽量避免此类干扰，对不同的站场可有针对性地对激光甲烷检测仪的数据进行本底校正算法调整，采用平均或节约检测的方法稳定背景噪音，提高监测结果准确性。这些大量计算工作多由服务器完成。现场探测单元采集到的数据通过控制光缆接入控制器，从原理上避免了雷击造成的浪涌。单台控制器可以接入多台现场探测单元进行并行运算。服务器单元可分为两大部分，分别是服务器和客户端。服务器用于提供激光监测系统的检测控制、数据处理、设备诊断等功能。客户端的主要作用是提供一套人机交互方式，该交互方式比使用服务器指令更便利和直观，用于对现场检测情况的实时监视和对现场检测设备的操作配置。实时监视功能包含现场视频的显示、实时浓度监测、报警记录、轨迹巡航等查看信息，操作配置功能包含可见光摄像头操作、激光甲烷检测仪操作、报警参数配置、轨迹预设等配置信息。
3系统应用
3.1激光多气体成像设备现场应用
目前有四个国家在该技术方面较为领先，气体标准样品库多达50种，其中包含化学战剂16种，有毒工业化学毒剂22种，挥发性有机物6种，模拟毒剂6种，含盖了石油业的所有常见易燃易爆有毒气体。激光多气体成像设备的设计范围可达20~1700m的地点和扩展区域，并使用快照高光谱成像实时检测、识别和量化气体泄漏。提供集中泄漏位置，实时警报创建可操作的警报并显示泄漏的实时视频，并形成相关检测数据，通过电子邮件或文本发出通知。
3.2报警处置
报警由服务器通过激光甲烷检测仪采集到的数据分析得出，分为大事件报警和小事件报警。只要出现报警，激光甲烷检测仪采集到的数据和可见光摄像头采集到的视频数据都会进行紧急数据备份。在巡检模式扫描下，当探测出的甲烷浓度超过激光甲烷检测仪报警小事件限值300×10-6m时，系统则出现疑似小事件报警状态，云台会暂停扫描模式，并加强此处疑似泄漏位置的探测。激光甲烷检测仪在云台停止状态下对单个测量点进行长期固定测量时测量精度会极大提高，若此时甲烷浓度限值依然持续超过小事件限值1s，系统则发出小事件报警，云台会恢复巡检模式。人工复位前，若再次扫描到此位置，不重复重点监控，也不重复出现报警，即不额外增加整个工艺区的扫描时间。当探测出的甲烷浓度超过激光甲烷检测仪报警大事件限值800×10-6m时，系统直接发出大事件报警，云台完全停止巡检模式，并对该位置加强监控直到人为干预。
结束语
针对天然气站场可燃气体泄漏问题，研制了一套由激光气体传感器、数据传输系统、后端预警监控终端组成的基于扫描式激光气体传感器的安全监测系统。在中哈天然气管道C线某压气站内应用该系统，结果表明系统具有测量精度高、覆盖范围广等优点，与传统的点测型激光气体监测系统或开路型激光气体监测系统相比，实现了由点、线式测量到立体扫描式测量的转变。随着天然气站场向智慧化管理转变与GIS、虚拟现实等可视化展示技术的发展，利用传感器立体扫描的特性，将站场的设备空间坐标等静态数据与天然气浓度等动态数据结合，对于实现站场可视化智能监测具有重要意义，是未来的重要发展方向。
参考文献
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