激光云臺應用探討

閔祥紅

（山東魯新設計工程有限公司，濟南 250101）

0 引言

項目中氣體泄漏檢測主要根據規范GB/T 50493-2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》進行儀表選型、探測器布置等設計，同時兼顧安全可靠、技術先進、經濟合理。石油化工、精細化工和醫藥化工工程采用的常見氣體泄漏探測器工作原理主要包括：催化燃燒、熱傳導、半導體、電化學、光致電離型和順磁型。LNG接收站通常采用的氣體泄漏探測器工作原理主要包括：點式紅外氣體型、開路紅外氣體型。點式激光型探測器在LNG接收站進行了試應用。規范中要求，在工藝介質泄漏后形成的氣體或蒸氣能顯著改變釋放源周圍環境溫度的場所，可以選用紅外圖像型探測。目前，大多項目沒有設置該類可燃氣體探測儀表[1,2]。

對此，從技術原理、項目現場需求和安裝要求進行探討激光云臺的必要性。

1 檢測技術對比

1.1 檢測技術

1）催化燃燒式探測器

使用難熔鉑絲加熱后的電阻值的變化，換算出測量可燃氣體對應濃度值。當可燃氣體進入氣體探測器時，在鉑絲表層引起氧化反應（無焰燃燒），其形成的發熱量使鉑絲的溫度升高，而鉑絲的電阻率便發生變化。因此，當遇上高溫等因素時鉑絲的溫度變化很大，而鉑絲的電阻率改變后，探測的數據也會發生變化。最后，經由后臺控制電路的處理，將檢測到的可燃氣濃度轉化為濃度值顯示在屏幕上。

2）非分散紅外檢測技術探測器

不同組分的氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性。同時，光能吸收與樣品濃度的關系滿足朗伯-比爾定律，由此計算出樣品濃度。

3）激光檢測技術探測器

激光技術是非色散紅外技術的升級版，其應用可調諧激光光譜吸收檢測方法（TDLAS）和朗伯-比爾定律，通過檢測激光光強被待測氣體吸收的強度，計算出待測氣體的濃度。由于激光的高單色性和高方向性，所以激光檢測技術對待測氣體有唯一選擇性、高穩定性，無零飄、免標定，而且可以實現遙距測量[2-6]。

1.2 性能對比

根據不同原理決定了不同原理探測器的性能，技術性能對比見表1。

表1 技術性能對比Table 1 Technical performance comparison

1.3 LNG泄漏實用性對比

結合LNG泄漏特性，得出適用性對比見表2。

表2 適用性對比Table 2 Applicability comparison

2 接收站內重點泄漏區域分析

根據GB/T50493《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》4.1.3中要求，可燃氣體和（或）有毒氣體釋放源周圍應布置檢測點：

1）氣體壓縮機和液體泵的動密封。

2）液體采樣口和氣體采樣口。

3）液體（氣體）排液（水）口和放空口。

4）經常拆卸的法蘭和經常操作的閥門組。

統計各個裝置區域釋放源，為激光云臺設置提供基礎項目資料。根據統計結果，所有釋放源均為二級釋放源，根據釋放源數量由多到少排序為：高壓泵區域>低壓壓縮機區域>儲罐區域（罐頂平臺）>槽車裝車區域>氣化器區域>再冷凝器區域>碼頭區域>高壓壓縮機區域>計量站區域>火炬分液罐及火炬棧橋>儲罐區域（上罐平臺）。將高壓泵區域、低壓壓縮機區域、儲罐區域（罐頂平臺）、槽車裝車區域、氣化器區域、再冷凝器區域、碼頭區域、高壓壓縮機區域設為重點泄漏區域，需要設置激光云臺測點。

3 激光云臺設計選型

激光云臺系統搭載激光光譜泄漏檢測儀、紅外圖像型探測器和高清攝像頭，對重點泄漏區域各類低溫氣體、常溫氣體、LNG的“跑冒滴漏”進行檢測。激光云臺系統需要實現大范圍的甲烷（CH4）泄漏預警，并且紅外成像技術可以精確地定位LNG泄漏點。在室內或室外都可以全天候24h在線監測，具備自動巡航功能，全程無需人為干預。

激光云臺系統應具有信號采集、轉換、發送等功能，應能對探測范圍內的甲烷氣體早期泄漏進行快速、可靠、精確的檢測與報警，同時具有對探測區域內工藝設備進行視頻監視的功能，實現甲烷氣體濃度的實時在線監測和檢測區域的視頻實時監視，且系統性能的測試不應對系統的運行造成影響。

激光云臺系統，由激光光譜泄漏檢測儀、紅外圖像型探測器、高清攝像頭和報警監視系統組成。

3.1 實現目標

通過增加激光云臺測點，實現對重點泄漏區域的覆蓋式監測。同時，在中控室內安裝一套可視化的激光云臺監測系統終端，包括控制器、報警器與客戶端等，當檢測到可燃氣體濃度異常時，系統發出報警，給予操作人員風險提示。

3.2 系統架構

激光云臺系統構架如圖1所示。

3.3 監測儀選型要求

1）一般要求

激光云臺系統應具有信號采集、轉換、發送等功能，應能對探測范圍內的甲烷氣體早期泄漏進行快速、可靠、精確的檢測與報警，同時具有對探測區域內工藝設備進行視頻監視功能，實現甲烷氣體濃度的實時在線監測和檢測區域的視頻實時監視，且系統性能的測試不應對系統的運行造成影響。

激光云臺系統，由激光光譜泄漏檢測儀、紅外圖像型探測器、高清攝像頭和報警監視系統組成。

應能在探測區域內準確可靠地檢測泄漏的甲烷氣體濃度，且響應時間短、靈敏度高、誤檢測率低；同時，實現該區域的視頻監測，且圖像清晰保真。

應性能穩定可靠，正常工作時很少產生零點漂移；應具有零點漂移自動補償功能；儀表的零點和滿量程應能在現場進行標定。

應能適用于惡劣的工作環境，當光衰減低于一定值時，應能正常工作。根據本工程需要，部分云臺式激光氣體監測儀將安裝在室外露天環境，外罩的透光部件應能夠防雨雪、霧及塵土。正常工作時，不應受安裝環境及周圍環境溫度的影響，檢測儀探頭、防水膜等易受侵蝕的主要部件材質，應采用316SS不銹鋼。

云臺式激光氣體監測儀的信號轉換傳輸設備應安裝在防爆箱內，防爆箱的防爆等級不低于EX d IIB T6，防護等級不低于IP66。

從云臺式激光氣體泄漏監測儀到防爆箱的線纜及其保護管、密封件，由供貨商提供。

供貨商應提供用于現場安裝的安裝附件及緊固件，附件材質為316SS不銹鋼。

室外安裝的云臺式激光氣體泄漏監測儀，應具有防浪涌保護功能。

2）具體要求

報警監視系統完成的主要功能如下（不限于此，根據工程需要確定）：

◇對安裝區域內可能出現的可燃氣體泄漏進行濃度檢測并報警。

◇對安裝區域內工藝生產裝置進行視頻監視。

◇為接收站GDS系統提供報警信號。

◇能夠進行報警顯示、數據存儲、記錄和報警打印，重要數據通過通信方式上傳到上一級管理監控中心。

系統應具有自診斷功能：可實現對探測單元、攝像機、聲光報警器、激光指示器的在線狀態、監測數據、云臺設備啟停數據的讀取和控制。

具有多種模式顯示，如：柱狀圖顯示、檢測數據直觀顯示、趨勢圖顯示及支持站點平面圖導入。

可自由切換云臺間歇及連續工作模式，且可設置工作和間歇時長。

云臺可靈活設置水平角度及垂直角度的起始及終止位置，實現云臺按此范圍自動進行掃描以及預置點位掃描，支持云臺掃描自動和手動模式切換。

應具有以下報警記錄查詢功能：

支持按照指定的時間段，顯示報警記錄清單，記錄應包括可燃氣體濃度值、位置。

支持對同一時間、同一位置的多條報警記錄進行合并。

支持對報警時錄制的視頻文件進行回放。

具備實時監控功能，監控界面應同步顯示下列信息：視頻圖像、探測器工作狀態、檢測點的當前可燃氣體濃度（單位：ppm.m）和報警信息；

當前檢測點的精確標識、當前的預置點位置。

應具備下列可燃氣體泄漏報警功能：

a）能夠根據檢測到的可燃氣體濃度數據，綜合分析從而判定泄漏事件，并產生報警信息，同時支持以聲、光兩種方式進行提示。

b）可手動設置可燃氣體的報警濃度閾值，并支持檢測速率（響應速率）的調節。

c）當發現的可燃氣體濃度超過報警閾值時，應對該點進行定點連續檢測，可設置定點檢測的時長。

應具備下列自動巡檢功能：

① 支持設置預置點，探測器自動依次對各預置點進行定點檢測，可設置定點檢測的時長，預置點不少于200個，并能夠通過軟件手段有效控制機械傳動誤差，確保預置點與實際巡檢點的一致性。

② 支持設置巡檢軌跡，軌跡應支持自由曲線，探測器自動精確地沿軌跡進行連續檢測。

具體要求根據項目情況具體填寫。

③ 系統供電

設置UPS為云臺式激光可燃氣體檢測報警系統供電，供電電壓為220VAC，50Hz，UPS不在供貨范圍內。如果系統中用電設備需要其它等級的電源，如24VDC，由供貨商自行解決。UPS后備電池時間不少于30min。

④ 接地

均設置接地系統，接地電阻一般不大于4Ω，滿足SHT 3081-2019《石油化工儀表接地設計規范》要求。

云臺式激光可燃氣體檢測報警系統設計時，應考慮安全、可靠的接地措施，系統的保護接地、防雷接地及工作接地應分別設置，不得串聯接地。

⑤ 防雷

報警監視系統應在有可能將由于雷擊（直擊雷、感應雷等）產生的高壓引入系統的接口位置，設置完善的電涌保護措施。

3.4 設備安裝要求

為了實現大范圍可靠監測，選擇安裝位置時建議重點考慮以下因素：

1）盡可能使潛在泄漏源處于以安裝位置為圓心，半徑50m以內的圓形區域或扇形區域內。

2）選擇堅固的墻壁或專用立桿作為載體，監測區域內無建筑物或管道遮擋光束。

3）從安裝位置發出的光束，應該有可靠的反射物保證光束返回。

4）光束能夠覆蓋監測區域內全部或大部分的閥門和法蘭等易泄漏氣體部位，光束應比潛在泄漏源高出足夠的距離，以便讓氣體擴散形成足夠大的氣團，實現可靠檢測。

5）確保在設備轉動時，設備周圍沒有可能會與之發生碰撞的物體。

6）避開振動、高熱、低溫、嚴重污染、強電磁場。

3.5 主要工程量

本項目新增2臺標準機柜和1臺操作站。高壓泵區域、低壓壓縮機區域、儲罐區域（罐頂平臺）、氣化器區域、再冷凝器區域、碼頭區域、高壓壓縮機區域設置激光云臺（共14套），槽車裝車區域設置1臺巡檢機器人。每套設備需要RS485線4根、光纖2根、電源線1根，接地線若干。

4 結論

1）符合國家法律法規

激光云臺系統項目設計過程中，均嚴格執行了國家有關法律、法規和標準規范，從而保證了項目安全、可靠、長周期運行，切實做到不發生事故，不造成人員傷害，不影響環境。

2）接收站低溫氣體、常溫氣體、LNG液體泄漏得到有效監控

激光云臺系統項目有效地提升了LNG接收站泄漏檢測水平，對現場各類低溫氣體、常溫氣體、LNG液體的“跑冒滴漏”進行檢測。

3）技術先進可靠

激光光譜分析技術、紅外圖像型探測技術和高清成像技術集成應用是目前先進的LNG接收站泄漏檢測技術，具備主動在線式監測，靈敏度高、響應速度快，不受其它氣體交叉干擾，無需定期標定的特點。同時，該技術能夠及時測出微釋放源，實現安全隱患的早發現、早處理，為LNG接收站提供決策支持和安全保障。