激光甲烷泄漏自動遙測系統在燃氣廠站的應用

馬季林

(天津濱海燃氣集團有限公司， 天津 300456)

天然氣廠站受到多種因素的影響，存在燃氣泄漏的風險[1]。燃氣泄漏會給企業造成經濟損失，還可能引起火災爆炸事故，造成人員傷亡，產生不良社會影響。因此，在天然氣廠站采取應對泄漏的安全措施，安裝探測設備非常必要。

1 天然氣廠站泄漏巡檢中存在的問題

泄漏監測設備技術落后。大多廠站使用擴散式可燃氣體監測設備，原理是被檢測區域的氣體隨空氣的自由流動緩慢地流入設備進行檢測，屬于被動式檢測。這種方式受環境溫度、風速等檢測條件影響，不適合壓力較低的氣源，也不能定位泄漏位置。泄漏監測設備和視頻監視系統各自獨立，信息不能有效融合和利用。監測系統的自動化水平低，主要依賴人工巡檢，人力成本高[2]。人工沿地面路徑巡檢存在盲區，另外還存在個體間責任心差異問題，巡檢的實際效果差。

隨著自動化技術的發展，激光甲烷泄漏自動遙測系統的應用能夠有效解決上述問題。

2 系統的工作原理和性能特點

① 激光甲烷泄漏自動遙測系統原理

激光甲烷泄漏自動遙測系統采用先進的可調諧二極管激光吸收光譜技術(TDLAS)。激光甲烷遙測儀發射出的激光通過天然氣氣團時，甲烷氣體會對該激光產生吸收，吸收后的激光通過在實體壁面漫反射后被探測器接收，經過數據采集和處理得出甲烷體積分數。激光甲烷遙測儀工作原理見圖1。圖1中，甲烷體積分數與氣團厚度的乘積記為甲烷柱體密度，單位為“10-6·m”，甲烷柱體密度是甲烷激光遙測儀的性能參數。

圖1 激光甲烷遙測儀工作原理

TDLAS探測甲烷氣體具有對被檢測氣體的唯一性，即只對甲烷氣體有效，因此不受非被測氣體和環境干擾，結果準確。激光甲烷遙測儀技術參數見表1。

表1 激光甲烷遙測儀技術參數

續表1

② 激光甲烷泄漏自動遙測系統架構

激光甲烷泄漏自動遙測系統由監測云臺和防爆控制箱、系統控制柜和工作站(含顯示器)4部分組裝成，架構見圖2。

圖2 激光甲烷泄漏自動遙測系統架構

監測云臺包含用于監控現場環境的攝像機、實時檢測泄漏甲烷體積分數的激光甲烷遙測儀。防爆控制箱將監控視頻和實時數據轉換為光信號，由光纖傳輸至控制柜。控制柜與前端設備通過光纖連接，可獲取每個監測器的數據、狀態信息和角度信息(外接電腦可監控視頻)，可以進行監控、產生報警信號、指出報警點、記錄數據。

③ 系統控制與報警

根據廠站巡查需要可以設置不同的自動巡查模式，系統自動進行巡查記錄。工作站實時讀取監測云臺甲烷柱體密度數據，并判斷是否超過報警值，超過則自動報警，蜂鳴器鳴叫、 LED 燈閃爍。

④ 工作站顯示器界面及監測云臺功能

工作站顯示器實時顯示當前監測范圍內的現場情況和所在位置的甲烷柱體密度，報警時，顯示甲烷柱體密度數據，同時對數據進行存儲，便于隨時回放查看。為使工作人員能夠隨時查看監測范圍內任意一點的情況，軟件可控制監測云臺運動方向及調節攝像機焦距。

監測云臺采用高精密的步進電機蝸輪蝸桿傳動機構，傳動間隙很小，避免傳統齒帶傳動不準確、壽命低、效率低的缺點。定期能自動校準，在巡航過程中消除了累計誤差，保證預置點定位準確。攝像機選用30倍光學變焦300×104像素ICR日夜型網絡高清攝像機。

監測云臺主要功能有巡航掃描、守望、自動巡航、自動巡跡、自動線掃、自校準原點、預置點間速度調節、預置點停留時間調節等。可對音頻異常偵測、移動偵測、視頻遮擋、網線斷、IP地址沖突、存儲器滿、存儲器錯、非法訪問等智能報警。

3 系統在天津塘沽燃氣門站的實踐

天津塘沽燃氣門站年供氣量約1.7×108m3/a,負責為濱海新區核心區等地區提供可靠的燃氣保障。激光甲烷泄漏自動遙測系統在天津塘沽燃氣門站的安裝位置見圖3，設備安裝現場見圖4。監測云臺和防爆控制箱安裝在儲氣井區，控制柜和工作站安裝在綜合辦公樓內的調度中心。手動操作控制監測云臺界面見圖5。可以人為選擇需要巡視的管線設備，通過在顯示器選擇需要巡視的管道，根據顯示器上的軟件顯示框很方便地知道此處的甲烷參數是否超限，從而判斷出該管道是否泄漏。

圖3 系統在天津塘沽燃氣門站的安裝位置

圖4 設備安裝現場

圖5 手動操作控制監測云臺界面

設計自動巡查線路，將需要重點巡查的位置設置停留5 s，使激光照射在這個位置有充分的時間探測，避免遺漏。

共計設置455個重點巡查位置，包括所有閥門、接頭、儀表等易泄漏點。從當前預置點距離下一個預置點，監測云臺轉動速度設置為中間速度，預置點停留時間設置為5 s，兼顧查詢效率與監測云臺壽命。

經過實際測試，巡查一次耗時為38 min。到夜間，攝像機在感知到外界光線較弱時，自動切換到夜間模式，系統可以不間斷連續工作。經過實際運行，全天24 h，一共系統巡檢38次。人工巡檢受制于環境、管理、人為等各種因素，一天可以巡檢2次。全自動巡檢，與人工巡檢相比，提高了巡檢效率。

4 結語

激光甲烷泄漏自動遙測系統是一種廠站泄漏監測的新技術手段，可實現全自動運行，將視頻監控技術與激光甲烷泄漏監測技術融合，與傳統視頻監控方法相比由間接推斷變為直接泄漏監測，提高了自動化監測的水平，可為未來燃氣智慧廠站的建設發揮重要的作用。