天然氣站場(chǎng)露天區(qū)域可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)技術(shù)研究

田野 潘誠 陳海艷

1國家管網(wǎng)集團(tuán)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(zhǎng)輸管道相比，天然氣站場(chǎng)的設(shè)備設(shè)施多，工藝流程復(fù)雜，焊接和密封點(diǎn)分布高度集中，更容易發(fā)生泄漏事件[1-8]。站場(chǎng)天然氣一旦泄漏，小則影響生產(chǎn)運(yùn)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(jì)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?xì)怏w壓縮機(jī)廠房和其他建筑面積≥150 m2的甲類火災(zāi)危險(xiǎn)性廠房?jī)?nèi)，應(yīng)設(shè)可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)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?xì)怏w報(bào)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?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警裝置。”目前，天然氣站場(chǎng)的壓縮機(jī)廠房都安裝有固定點(diǎn)式可燃?xì)怏w探測(cè)器，未布置露天區(qū)域可燃?xì)怏w檢測(cè)設(shè)施，露天區(qū)域的可燃?xì)怏w泄漏主要依靠人工巡檢。

隨著區(qū)域化運(yùn)維建設(shè)的不斷推進(jìn)，現(xiàn)有的天然氣站場(chǎng)將逐漸形成無人站或少人站，采用人工定時(shí)巡檢的方式已不能滿足區(qū)域化運(yùn)維的管理需求。同時(shí)，在站場(chǎng)的非巡檢時(shí)段，若天然氣泄漏不能及時(shí)報(bào)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(chǎng)露天區(qū)域可燃?xì)怏w泄漏的實(shí)時(shí)和有效檢測(cè)技術(shù)，提高應(yīng)急處置效率，完善油氣站場(chǎng)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?xì)怏w泄漏檢測(cè)技術(shù)分析

常用可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)技術(shù)主要利用泄漏氣體的理化特性和泄漏時(shí)產(chǎn)生的各種信號(hào)，采用催化、紅外[9]、激光[10-11]、光纖、壓力監(jiān)測(cè)、聲波[12]等手段實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)。按照安裝方式不同，可以分為固定點(diǎn)式、對(duì)射式和云臺(tái)式三種。各類技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比見表1。

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

固定點(diǎn)式可燃?xì)怏w探測(cè)器的探測(cè)原理主要采用紅外吸收和催化燃燒兩種檢測(cè)方式，只有在探測(cè)器布置點(diǎn)周圍形成一定濃度的天然氣聚集才能實(shí)現(xiàn)有效檢測(cè)，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?xì)怏w不易產(chǎn)生聚集，易誤報(bào)或故障報(bào)警。對(duì)于泄漏可聞噪聲檢測(cè)原理的探測(cè)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(huì)造成頻繁誤報(bào)。對(duì)于光纖振動(dòng)原理的探測(cè)器，由于安裝時(shí)會(huì)破壞所監(jiān)測(cè)管道的防腐層，且工程量較大，經(jīng)濟(jì)性較差。實(shí)踐證明，露天區(qū)域可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)應(yīng)用效果較好的有開路式激光可燃?xì)怏w探測(cè)、超聲氣體泄漏探測(cè)、云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)。

1.1 開路式激光可燃?xì)怏w探測(cè)

開路式激光探測(cè)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(dú)設(shè)置的探測(cè)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(jì)+反光板的探測(cè)器結(jié)構(gòu)形式。兩種結(jié)構(gòu)形式探測(cè)器分別如圖1 和圖2 所示。一般開路式激光原理探測(cè)器的量程為0～1 LEL · m，其一級(jí)報(bào)警濃度為0.2 LEL·m，二級(jí)報(bào)警濃度為0.4 LEL·m，檢測(cè)的最小精度可以達(dá)到2×10-6m，需要定期進(jìn)行設(shè)備功能檢查和標(biāo)定。

圖1 發(fā)射端+接收端探測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)，且不同氣體分子之間具有互不干擾的波長(zhǎng)吸收特性，對(duì)目標(biāo)氣體的濃度進(jìn)行測(cè)量。開路式激光探測(cè)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(cè)激光光路時(shí)，甲烷分子會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，且對(duì)光的吸收量與甲烷氣團(tuán)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(cè)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(dú)設(shè)置的探測(cè)器結(jié)構(gòu)形式時(shí)兩個(gè)設(shè)備之間的激光光路需要較高的對(duì)中要求，施工難度較大，但最大檢測(cè)距離可達(dá)120 m；采用發(fā)射端和接收端一體化+反光板探測(cè)結(jié)構(gòu)形式時(shí)，施工難度較小，安裝便捷，最大檢測(cè)距離為100 m。當(dāng)采用開路式激光探測(cè)器作為檢測(cè)手段時(shí)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(cè)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(cè)器報(bào)警裝置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試和模擬計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)測(cè)量＞200×10-6的天然氣泄漏，探測(cè)器的最大橫向覆蓋距離為35 m，開路式激光探測(cè)器響應(yīng)時(shí)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(cè)性能，對(duì)中偏差小于0.5°角時(shí)能發(fā)揮正常的探測(cè)效果。

開路式激光探測(cè)器每年應(yīng)進(jìn)行一次功能測(cè)試，可采用設(shè)備廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)樣氣裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。將標(biāo)準(zhǔn)樣氣與探測(cè)器的檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行比對(duì)：當(dāng)探測(cè)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(shí)，探測(cè)器的檢測(cè)精度和示值偏差滿足測(cè)試要求，可繼續(xù)使用；當(dāng)示值偏差大于＞0.01%F.S 時(shí)，則探測(cè)器的偏差不滿足測(cè)試要求，需對(duì)探測(cè)器進(jìn)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(cè)器

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

超聲探測(cè)器對(duì)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(cè)設(shè)備的選型和有效覆蓋面積。按照聲壓等級(jí)，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(jìn)行。

表2 背景噪聲等級(jí)劃分Tab.2 Classification of background noise level

實(shí)際應(yīng)用測(cè)試發(fā)現(xiàn)，超聲氣體泄漏探測(cè)器泄漏響應(yīng)時(shí)間在1 s 以內(nèi)，在探測(cè)距離內(nèi)均能較好地探測(cè)到低壓（1 MPa）、高壓（10 MPa）以及更小孔徑的泄漏，測(cè)試初期有少量誤報(bào)，但隨著測(cè)試的進(jìn)行，誤報(bào)率逐漸降低。

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

1.3 云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器

云臺(tái)掃描式激光探測(cè)器是是基于光譜吸收原理，對(duì)特征氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的儀器設(shè)備。通過單片機(jī)控制電路對(duì)激光器進(jìn)行電流調(diào)制，控制激光器發(fā)出所需波長(zhǎng)的激光，激光穿過氣體監(jiān)測(cè)區(qū)域后，到達(dá)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(cè)器。若激光穿過的氣體區(qū)域中存在被檢測(cè)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(cè)器將監(jiān)測(cè)到激光強(qiáng)度的變化并反饋至單片機(jī)控制電路進(jìn)行處理，最終由信號(hào)輸出電路將濃度結(jié)果傳輸出去。其主要用于遠(yuǎn)程測(cè)量甲烷和含甲烷氣體的濃度。通過將一束激光指向檢測(cè)點(diǎn)，測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)的可燃?xì)怏w濃度，并通過攝像頭顯示現(xiàn)場(chǎng)畫面。其檢測(cè)原理見圖3 和圖4。

圖3 云臺(tái)掃描式探測(cè)器原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the principle of PTZ scanning detector

圖4 云臺(tái)掃描式探測(cè)器掃描軌跡示意圖Fig.4 Schematic diagram of PTZ scanning detector scanning track

云臺(tái)掃描式激光探測(cè)器具有預(yù)置點(diǎn)和巡檢軌跡兩種自動(dòng)巡檢方式。預(yù)置點(diǎn)巡檢方式為探測(cè)器自動(dòng)依次對(duì)各預(yù)置點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)檢測(cè)，可設(shè)置定點(diǎn)檢測(cè)的時(shí)長(zhǎng)，預(yù)置點(diǎn)最大可設(shè)置為1 000 個(gè)，并能夠通過軟件手段有效控制機(jī)械傳動(dòng)誤差，確保預(yù)置點(diǎn)與實(shí)際巡檢點(diǎn)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(cè)器自動(dòng)、精確地沿軌跡進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。

實(shí)際應(yīng)用測(cè)試發(fā)現(xiàn)，設(shè)備響應(yīng)時(shí)間＜1 s，在夜間、陰天和晴天下的探測(cè)極限距離差距較大。晴天正午探測(cè)極限距離＞25 m。陰天條件下探測(cè)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(cè)則示值誤差小，約在5%以內(nèi)。將其布置在較高位置，可實(shí)現(xiàn)蒸氣云高度方向上的全覆蓋。

云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器的檢驗(yàn)測(cè)試要求與開路式激光探測(cè)器一致。

2 可燃?xì)怏w檢測(cè)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(huì)引起潛在災(zāi)害的程度，將泄漏率分為3 個(gè)等級(jí)。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(chǎng)露天區(qū)域可燃?xì)怏w探測(cè)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(cè)與報(bào)警。同時(shí)，還應(yīng)能滿足一定微量泄漏量的天然氣泄漏檢測(cè)。

開路式激光探測(cè)器在開放式工藝裝置區(qū)的檢測(cè)效果受風(fēng)向影響嚴(yán)重，應(yīng)采用漏報(bào)率最低的邊界式布置方案，但采用該方案時(shí)單個(gè)工藝區(qū)需設(shè)置4 臺(tái)探測(cè)器，經(jīng)濟(jì)性大幅降低。

超聲探測(cè)器用于露天工藝區(qū)泄漏檢測(cè)不受惡劣天氣的影響，對(duì)一定天然氣泄漏量具有及時(shí)、有效的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。由于其探測(cè)半徑為15 m，所以針對(duì)較大的工藝裝置區(qū)需要設(shè)置多臺(tái)設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)半徑內(nèi)有效的覆蓋。根據(jù)應(yīng)用測(cè)試和超聲探測(cè)器的特點(diǎn)，超聲探測(cè)器由于采用超聲測(cè)量原理，具有響應(yīng)時(shí)間短、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于氣體不宜聚集開放性區(qū)域，但探測(cè)器宜受調(diào)節(jié)閥節(jié)流工況、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)閥排氣、站場(chǎng)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(bào)率，通過設(shè)置延遲報(bào)警時(shí)間可有效降低誤報(bào)率。天然氣站場(chǎng)中長(zhǎng)時(shí)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(qiáng)值隨距離的增大而減小，為保證設(shè)備的探測(cè)半徑，減少誤報(bào)率，超聲探測(cè)器布置位置距調(diào)節(jié)閥的直線距離應(yīng)≥3 m。

云臺(tái)式激光探測(cè)器采用主動(dòng)探尋的激光檢測(cè)原理，可適用于開放式區(qū)域的天然氣泄漏檢測(cè)。云臺(tái)式激光探測(cè)器精度高，可測(cè)量微量泄漏。為保證微量泄漏檢測(cè)的精度，探測(cè)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(chǎng)工藝管道布置高低錯(cuò)落且數(shù)量較多時(shí)，不宜選擇云臺(tái)式激光探測(cè)器。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試結(jié)果，當(dāng)泄漏點(diǎn)與探測(cè)器之間的距離大于50 m 時(shí)，探測(cè)器示值和標(biāo)準(zhǔn)氣數(shù)值之間偏差較大，為保證探測(cè)器的測(cè)量精度及響應(yīng)時(shí)間，最大探測(cè)半徑應(yīng)≤70 m。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于易發(fā)生大風(fēng)天氣的天然氣站場(chǎng)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(duì)射式可燃?xì)怏w探測(cè)器受風(fēng)向影響存在一定的漏報(bào)；云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器在大風(fēng)環(huán)境下天然氣泄漏檢測(cè)效果較差；超聲氣體泄漏探測(cè)器對(duì)于微量泄漏檢測(cè)效果較差，但針對(duì)中型及以上泄漏檢測(cè)效果較好，且不受風(fēng)速影響。

（2）一般天然氣站場(chǎng)露天區(qū)域可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)推薦采用云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器，其中大風(fēng)環(huán)境的站場(chǎng)露天區(qū)域可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)采用云臺(tái)掃描式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器和超聲氣體泄漏探測(cè)器結(jié)合的方式；對(duì)于壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)采用開路式激光可燃?xì)怏w探測(cè)器；對(duì)于壓縮機(jī)廠房地下管溝可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)可采用固定式紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器。

（3）云臺(tái)式激光探測(cè)器建議選擇自動(dòng)巡檢模式，設(shè)置的預(yù)定軌跡應(yīng)根據(jù)季節(jié)或時(shí)間段的泄漏特點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)切換。