石油石化企業泄漏檢測技術現狀及前景＊

張靜宇 孫秉才 馮 興 曹航博 周玉杰

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；2.中國石油大學(北京)；3.中國石油長慶油田分公司第四采油廠；4.中國石油蘭州石化分公司)

0 引 言

隨著第四次工業革命的到來，人工智能、區塊鏈、云計算、大數據、物聯網等新興技術的蓬勃發展為智能化油氣田、智能化站場、智慧化管道的建設提供了可能。由于石油石化行業介質的特殊性，需要重點關注站場介質的泄漏檢測與監測。石油石化行業站場智能化對泄漏檢測及監測技術提出的需求主要包括以下兩方面：一是機、泵、爐、罐、管等結構泄漏的視頻識別；二是泄漏介質類別的視頻識別。

美國Providence Photonics公司將有機氣體泄漏檢測技術的發展劃分為三個階段：第一階段為傳統識別，采用便攜式檢測儀進行泄漏識別；第二階段為智能識別，人工采用紅外氣體相機、光譜相機進行泄漏檢測；第三階段為人工智能識別，利用泄漏檢測設備與計算機視覺自動識別,實現全天候報警[1]。目前我國多數煉化企業、油氣站場有機氣體泄漏檢測處于傳統識別階段，部分企業引進了紅外氣體檢測攝像機用以進行VOCs檢測，少部分企業配備固定式高光譜智能相機，實現全天候泄漏檢測及泄漏介質識別。

紅外成像技術在介質泄漏檢測方面效果顯著。該技術在石油石化行業的應用集中于中紅外波段，目前在行業內已有應用，但尚未普及。因此利用先進視頻識別技術來提高泄漏檢測效率，增強站場安防監控效果，將成為未來石油石化企業安防監控的發展方向。

1 站場傳統泄漏檢測技術

目前站場泄漏檢測與監測以固定式和便攜式設備為主。便攜式泄漏檢測設備主要應用于工人巡檢過程中對設備“跑、冒、滴、漏”的檢查，固定式泄漏檢測設備主要應用于大場景下危險介質泄漏的預警。

1.1 便攜式泄漏檢測設備

站場便攜式泄漏檢測設備包括傳統色譜分析儀、紅外光譜氣體分析儀、電化學分析儀、順磁氧分析儀等?？紫檐姷萚2]利用便攜式泄漏檢測設備對某煉油廠開展了全面的泄漏檢測與統計分析，共檢測31 433個密封點，發現泄漏點72 處，泄漏率0.23%。統計結果表明，該技術能夠完成工作任務，但工作量大。目前部分石油石化單位引進了某品牌點檢信息處理終端系統，可實現數據測量、查詢及通訊等系統化操作，在一定程度降低了管理難度，提高了工作效率。

1.2 固定式泄漏檢測設備

固定式泄漏檢測設備分為點式和線式兩種，兩者均利用氣體擴散特性進行檢測。目前石油石化站場內普遍布置可燃氣體檢測儀、有毒氣體檢測儀等。該類點式設備一般采用電化學原理，待檢測介質擴散進入儀器感應單元發生化學或電化學反應，通過改變原件的電物理特性進行檢測，當傳遞信號超限時即可進行報警[3]。固定線式報警器依靠激光進行檢測，分激光發射端和接收端兩部分，兩端通過光纖連接，待檢測氣體飄散至激光所在位置后設備報警。

傳統的泄漏介質檢測與監測設備及技術也存在一些弊端。例如：西北某石化企業丙烯腈車間曾發生微量氫氰酸泄漏，現場固定式氫氰酸報警器及時報警，并有效地避免了事故發生。但后續事故處置過程中，由于管線被保溫層覆蓋，點式危險氣體報警器難以確定泄漏位置。同時該企業高壓聚乙烯車間壓縮機棚內設置多套激光對射式泄漏檢測儀，當乙烯泄漏擴散至對射式檢測設備之間時設備報警，但報警響應受風的影響較大。

上述案例表明，固定式可燃氣體檢測形式在一定程度上能夠滿足石油石化行業的安全需求，雖然仍存在漏點檢測不直觀、報警濃度滯后[4]、設備安裝位置難以優選、受環境影響大等缺點，但作為傳統泄漏檢測裝置，目前在石油石化站場仍發揮主力作用。

利用某品牌紅外視頻成像儀器對華北某煉廠污油池進行現場觀測發現，其內部輕組分大量揮發，而污油池下風向固定式可燃氣體報警儀未報警；同樣利用該設備對該廠區內某罐區進行排查，發現3具重整原料儲罐底部鋼帶式液位計履帶處發生大量泄漏，1具輕油儲罐罐頂取樣口法蘭處及安全閥處發生大量泄漏，現場報警設備均未報警。液位計泄漏紅外圖像見圖1。

圖1 重整原料泄漏紅外圖像

2 紅外成像檢測技術

紅外成像技術檢測氣體的關鍵因素在于氣體能夠吸收經過的紅外輻射，并產生具有其“指紋特性”的吸收光譜。紅外光譜可分為近紅外、中紅外和遠紅外3個波段。中紅外波段又分為短波紅外、中波紅外和長波紅外3個波段。石油石化行業危險介質紅外吸收峰大多集中在中紅外波段。根據待檢測氣體吸收光源的不同，紅外視頻圖像檢測技術可分為基于激光光源輻射吸收的主動式成像檢測技術和基于背景輻射吸收的被動式成像檢測技術[5]。主動式成像檢測技術包括傅里葉變換紅外光譜技術(FTIR)、差分吸收光譜技術(DOAS)、可調諧二極管激光吸收光譜技術(TDLAS)和差分吸收激光雷達技術(DIAL)。其本質均為利用紅外光源照射待檢測氣體，利用其吸收特性進行識別。在被動式紅外成像檢測技術中，按照工作波段不同可分為紅外熱成像技術和紅外光譜成像技術。依據光譜分辨率不同，紅外光譜成像技術可分為多光譜技術和高光譜技術[6]。

2.1 TDLAS技術

TDLAS技術是指可調諧二極管激光吸收光譜技術，這種測量方法由美國科學家Hinkley和Reid提出，可用于氣體監測、溫度監測，現已發展成為非常靈敏和常用的痕量氣體的監測技術。TDLAS技術利用紅外激光被氣體分子吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體種類與濃度，半導體激光器發射出僅能被待測氣體吸收的特定波長的激光穿過待測氣體，激光強度的衰減與待測氣體的濃度成一定的函數關系，通過測量激光強度衰減信息分析獲得待測氣體的濃度，通過吸收光譜確定氣體種類?？烧{諧半導體激光器發射的激光線寬窄、波長可隨注入電流的改變而發生變化。TDLAS技術利用上述特點實現對分子的單個或幾個距離很近、很難分辨的吸收線進行測量。該技術靈敏度高，可實現CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H2S、HCN、C2H2、C2H4等氣體的自動檢測，適用于石油、化工、環保等領域。目前該技術在大氣痕量污染氣體監測等領域有較多應用。

國內許多學者基于TDLAS技術對氣體泄漏檢測進行了相關研究，姜治深等[7]基于該技術原理對標準濃度CH4進行了測量標定，實驗證明該系統在單程40 m的遙測距離下具有良好的時間響應性，能夠有效實現在線監測。同時該技術也可用于石油石化行業H2S、NH3等的泄漏監測中。孫鵬帥等[8]在開放式天然氣泄漏情況下對TDLAS技術在石油化工行業的應用進行了實驗，實驗結果表明，該系統可對CH4、C2H2、C2H4等氣體泄漏進行監測，響應時間均小于2 s，在距離50 m和100 m兩種實驗條件下報警正確率均可達100%。

TDLAS技術具有高選擇性、適用性強、速度快、靈敏度高等優點。TDLAS技術基于高分辨率的光譜技術，分子光譜獨特的“指紋”特征使其不受其他氣體的干擾，對所有在紅外波段有吸收的活躍分子都有效，且在不失靈敏度的情況下，時間分辨率可在ms量級。TDLAS技術利用單束激光光源進行氣體檢測的原理決定了其在獲得高的光譜分辨率的同時，難以獲得寬的譜段，因此單個激光器僅能分辨一種氣體，而多激光器耦合進行多組分測量難度劇增。該技術適用于成分明確的氣體泄漏監測。

2.2 紅外熱成像技術

紅外熱像儀有光子探測與熱探測兩種不同的原理。光子探測技術是利用光子在半導體材料上產生的電效應進行成像，敏感度高，受溫度影響大，需要在探測器前進行降溫。熱探測技術則是將光線引發的熱量轉換為電信號進行成像，敏感度相對較低，但無需制冷。根據成像原理，紅外熱像儀采用的紅外探測器有制冷型與非制冷型兩種，實際應用中選擇紅外熱像儀的類型與用戶對于精度的要求直接相關。制冷型紅外熱像儀靈敏度高、能夠分辨更細微的溫度差別(10 mK左右)、響應速度快、探測器距離遠，但設備使用的小型斯特林制冷機目前售價在30～40 萬元，價格昂貴；非制冷紅外熱像儀具有體積小、質量輕、功耗小、壽命長、成本低、啟動快等優點。

典型的制冷型紅外熱像儀生產廠家有美國FLIR、法國Sofradir、以色列SCD、高德紅外等。法國Bertin技術公司Second Sight TC 、Second Sight MS屬于典型的非制冷型紅外熱像儀。相關設備及現場應用情況見圖2、圖3。

圖2 法國Second Sight紅外攝像機

圖3 法國Second Sight紅外攝像機應用實例

2.3 紅外多光譜技術

光譜成像技術是基于成像學和光譜學發展起來的一門新興技術，它作為一種分析工具，可應用于物質識別，在石油石化站場泄漏介質檢測及識別方面優勢明顯。與主動式成像檢測技術不同，作為被動式成像的紅外光譜成像技術依靠背景產生的黑體輻射成像，黑體輻射穿過待檢測氣云被吸收后，投射部分進入攝像機，產生特定氣體的吸收光譜被紅外探測器捕捉，從而檢測氣體。黑體輻射的強度與溫度密切相關，晝夜交替使得探測場景中目標與背景的溫差產生變化，可能存在某個階段兩者之間紅外差異接近零，從而產生盲區。針對上述問題，趙慧潔等[9]進行了相關研究，提出了基于中紅外多光譜的晝夜熱交替時段探測方法，利用不同目標之間的紅外光譜特性差異實現熱交替時段目標的識別與區分，為紅外探測系統的全天候實際應用提供了良好借鑒。

多光譜的定義在于待檢測波段內光譜通道的多少，光譜通道增加意味著光譜分辨率提高。一般光譜通道在10～20 個的光譜成像技術被稱為多光譜成像。

加拿大Telops公司生產MS-IR系列紅外多光譜攝像機，配備8位快速旋轉濾光輪，可將場景信號分成不同光譜帶，以實現光譜特征分析。濾光輪可提高幀率，可選固定或旋轉模式。濾波器最高轉速100 Hz，幀率可達800 fps。中波系列MS-M100K探測波段為3.0～4.9 μm，長波系列MS-V300探測波段為7.7～11.8 μm，均采用制冷式紅外探測器。

多數烴類光譜特性集中于3.2～3.4 μm波段，多光譜成像技術光譜分辨率在10～100 nm，這使得在該波段上的光譜連續性較差，因此多光譜技術不能有效區分氣體種類。在氣體組分大致了解，且不需要明確氣體種類的泄漏檢測中，多光譜技術能對泄漏進行有效檢測與監測。該技術相較于傳統泄漏檢測技術在有害氣體識別方面具有成像直觀、泄漏源易排查等優勢，但由于部分氣體在相同波段內有類似的吸收峰，如CH4與SO2在7～8 μm吸收峰接近，因此在泄漏氣體種類識別方面需要提高光譜分辨率，石油石化行業的泄漏檢測技術有必要從多光譜向高光譜邁進。

2.4 紅外高光譜技術

高光譜更接近于成像光譜的概念，高光譜成像的光譜通道一般為100～400 個，分辨率一般在10 nm以下，而且各光譜通道間往往是連續的。通過搭載在不同平臺上的高光譜傳感器，能夠在電磁波譜的紫外、可見光、近紅外和中紅外區域，以數十至數百個連續且細分的光譜波段對目標區域同時成像。

許多學者對紅外高光譜技術在泄漏檢測成像方面進行了研究。朱亮等[10]利用加拿大Telops公司生產的基于傅里葉變換紅外光譜技術的Hyper-Cam傅里葉光學紅外成像光譜儀對濃度為99.9%的CH4氣體進行識別，實驗分析了光譜分辨率、氣體排放流量對遙測識別的影響。實驗結果表明，當光譜分辨率為4 cm-1時，可以明顯識別出云團為CH4氣體，繼續提高光譜分辨率后，設備對氣體種類的識別無影響。

美國某公司利用高光譜技術生產高光譜攝像機，具有量化氣體釋放、泄漏源精確定位等功能。該攝像機目前在國內應用較少，僅在西南某煉廠及油氣田有應用案例[11]，見圖4。

圖4 西南某煉廠配備的氣云成像攝像機

該攝像機采用的成像技術主要分為熱源成像技術和高光譜成像技術。熱源成像技術是指采集氣體目標場景某一紅外波段的輻射信息以實現氣體泄漏檢測的熱成像技術，其檢測系統具有結構相對簡單、光學系統復雜度較低、維護成本低等優勢。光譜成像技術是指利用不同成分的氣體對特定紅外波長的吸收差異分辨氣體種類，通過吸收強度確定氣體濃度，根據吸收波長分辨氣體類型。高分辨率光譜對氣體的特征有更精細的區分，能更準確地識別出氣體的類別和濃度特征。

高光譜成像技術的本質在于光譜分辨率的提高，制冷型紅外探測器等關鍵設備作用巨大。小型制冷機的工作壽命限制了設備全天候連續運轉，紅外探測器技術受國外壟斷。以上因素導致高光譜成像技術應用維護成本高，目前廣泛應用難度較大。針對上述問題，南京、安徽部分高校及科研院所提出了基于激光光源的主動式成像技術及制冷機解決方案，可實現高分辨率的泄漏檢測，分辨泄漏介質種類，但這些技術尚處于實驗室階段，尚未實現廣泛應用。

3 結束語

在油氣行業智能化的大背景下，智能化站場的感知能力提高尤為關鍵，本文針對站場泄漏檢測與監測存在的弊端，調研了傳統模式下的檢測與監測方法。傳統方法操作簡單，但流程復雜、效率低，難以滿足當前智能化站場的需求。紅外激光成像、紅外熱成像和光譜成像技術在泄漏介質檢測方面具有準確、迅速、直觀等優點，將為未來石油石化行業安防監控、智能感知提供有力支持。