油氣站場(chǎng)安全防護(hù)技術(shù)探討

韓勇，陳旭，姚森，蔡亮，馬偉平

(1. 中國石油天津銷售分公司，天津 300202；2. 中國石油管道局工程有限公司設(shè)備租賃分公司，河北 廊坊 065000；3. 國家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限責(zé)任公司滄州輸油處，河北 滄州 061000；4. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；5. 國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司 管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

中國長輸管道快速發(fā)展，國家高度重視油氣站場(chǎng)安全問題[1]。國內(nèi)長輸管道風(fēng)險(xiǎn)高、人為活動(dòng)頻繁、第三方破壞概率大。近年來發(fā)生多次油氣站場(chǎng)、油庫、管道閥室的入侵盜竊和破壞事件，嚴(yán)重影響管道輸送，極易造成人員傷亡和火災(zāi)爆炸事故[2]。油氣站場(chǎng)應(yīng)完善和重視安全防護(hù)技術(shù)，目的是防止無關(guān)人員侵入和預(yù)防盜竊，特殊地區(qū)需預(yù)防恐怖襲擊[3]。公安部發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA 1166—2014《石油天然氣管道系統(tǒng)治安風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和安全防范要求》[2]，旨在針對(duì)油氣站場(chǎng)規(guī)模、類型強(qiáng)制設(shè)置安全防護(hù)技術(shù)，但未給出具體的安全防護(hù)技術(shù)選用原則。

本文介紹了國內(nèi)外油氣站場(chǎng)安全防護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，闡述了各種安全防護(hù)技術(shù)的安全性、監(jiān)控范圍、靈敏度和受外界干擾可靠性等性能指標(biāo)，結(jié)合國內(nèi)管道行業(yè)應(yīng)用情況，針對(duì)新建油氣站場(chǎng)選擇和應(yīng)用安全防護(hù)技術(shù)提出了合理化建議。

1 油氣站場(chǎng)安全防護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)的油氣站場(chǎng)綜合采用人防和物防措施[4]。人防措施主要是設(shè)定巡查路線，安排人員定期檢查設(shè)備設(shè)施；物防措施主要是在站場(chǎng)周界設(shè)置混凝土圍墻和鐵質(zhì)圍網(wǎng)；在站場(chǎng)大門設(shè)置防撞墩和阻車器；在站場(chǎng)建筑物和控制室設(shè)置門禁系統(tǒng)等。上述措施可以防止外界非法闖入，但屬于被動(dòng)式防御，技術(shù)上也存在漏洞。近年來國內(nèi)在高寒地區(qū)建設(shè)運(yùn)營了中俄原油管道、中俄東線天然氣管道，油氣站場(chǎng)位于原始森林地區(qū)。與此類似，俄羅斯在人口稀少高寒區(qū)的油氣站場(chǎng)，安全防護(hù)目標(biāo)是預(yù)防大型野生動(dòng)物的意外闖入[5]。俄羅斯East管道公司油氣站場(chǎng)安全防護(hù)設(shè)計(jì)型式是站場(chǎng)主入口大門是金屬透視門，正常是關(guān)閉狀態(tài)。站場(chǎng)周界設(shè)置兩道間距為2 m的鐵絲圍網(wǎng)，外層高度為2 m，基本可以防御動(dòng)物闖入；內(nèi)層高度4 m，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，并安裝振動(dòng)光纜和紅外探測(cè)裝置；站內(nèi)針對(duì)所有操作區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)。俄羅斯預(yù)防動(dòng)物闖入的雙道鐵絲網(wǎng)做法值得借鑒。

廣義的站場(chǎng)安全防護(hù)還涵蓋設(shè)施維護(hù)、出入口控制、照明、人員巡護(hù)和報(bào)警系統(tǒng)等[6]。大型油氣站場(chǎng)通常配置多種安全防護(hù)技術(shù)，例如集成周界入侵報(bào)警系統(tǒng)、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)和防爆安全檢查系統(tǒng)等，并設(shè)置專門的保安人員。在事前防御和靈敏度方面的優(yōu)勢(shì)，基于傳感器原理的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)已成為油氣站場(chǎng)安全防護(hù)的核心技術(shù)，分為以下類型： 對(duì)射式(紅外/激光/微波)、振動(dòng)式(振動(dòng)電纜/光纖)、反射式(激光雷達(dá)、微波多普勒、超聲多普勒)，以及紅外探測(cè)、張力圍欄、電子圍欄、泄漏感應(yīng)電纜等方式。

2 對(duì)射式安全防護(hù)技術(shù)

2.1 紅外對(duì)射

早期代表性的紅外對(duì)射技術(shù)主要應(yīng)用于軍事設(shè)施和政府機(jī)構(gòu)。發(fā)射器發(fā)射紅外光線，接收器接收紅外光線，發(fā)射器和接收器之間形成禁區(qū)。如有人員入侵或通過禁區(qū)，光纖傳播路線被遮擋，接收器無法接受光信號(hào)發(fā)出的報(bào)警。為提高報(bào)警準(zhǔn)確性，采用多光束紅外對(duì)射取代單光束紅外對(duì)射。

2.2 激光對(duì)射

激光對(duì)射安全防護(hù)系統(tǒng)組成如圖1所示。激光對(duì)射原理是以半導(dǎo)體激光器作為發(fā)射源，發(fā)出一束肉眼不可見的激光光束，另一側(cè)安裝激光接收器接收到該光束。可設(shè)置若干個(gè)發(fā)射器和接收器發(fā)射激光光束組，形成防護(hù)屏障。如有人員活動(dòng)穿過光束，光束被遮擋，接收器不能接受光束，接收器內(nèi)光能量降低而發(fā)出報(bào)警。

圖1 激光對(duì)射安全防護(hù)系統(tǒng)組成示意

激光對(duì)射特點(diǎn)是： 激光束相對(duì)紅外線能量集中、發(fā)散角小、穿透力強(qiáng)，可設(shè)置超過200 m的監(jiān)測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)交叉和立體防御。激光對(duì)射受雨雪、濃霧天氣影響大；不能區(qū)分人員、鳥類和樹葉等，不適用站場(chǎng)周邊環(huán)境復(fù)雜情形。室內(nèi)監(jiān)測(cè)效果優(yōu)于室外，適用于建筑物、監(jiān)控系統(tǒng)或重要設(shè)備監(jiān)控。

2.3 微波對(duì)射

微波對(duì)射安全防護(hù)系統(tǒng)組成如圖2所示。微波對(duì)射原理是在發(fā)射裝置和接收裝置之間通過微波形成紡錘體空間。發(fā)射器發(fā)射微波能量，微波束經(jīng)地面、墻面及紡錘體傳至接收器。如有人員進(jìn)入紡錘體空間，微波產(chǎn)生散射現(xiàn)象和能量吸收作用，接收器探測(cè)到微波能量變化，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖2 微波對(duì)射安全防護(hù)系統(tǒng)組成示意

區(qū)別于激光對(duì)射的點(diǎn)線式防護(hù)方式，微波對(duì)射特點(diǎn)是立體空間監(jiān)測(cè)，可探測(cè)人員活動(dòng)的范圍更大，并對(duì)活動(dòng)物體尺寸進(jìn)行判別，減少鳥類、樹葉等物體的干擾。微波能量有限，不能實(shí)現(xiàn)大范圍定位。微波相比紅外和激光對(duì)環(huán)境要求更高，雷雨天氣加速微波能量衰減產(chǎn)生誤報(bào)。且微波輻射對(duì)人體健康存在影響，應(yīng)考慮員工職業(yè)健康和佩戴防護(hù)用品。

3 振動(dòng)式安全防護(hù)技術(shù)

3.1 振動(dòng)電纜

振動(dòng)電纜的原理是發(fā)射脈沖信號(hào)，如有人員或物體遮擋脈沖信號(hào)產(chǎn)生反射，檢測(cè)器針對(duì)反射的脈沖信號(hào)進(jìn)行定位和辨別。振動(dòng)電纜的特點(diǎn)是滿足長距離、無死角和復(fù)雜環(huán)境區(qū)域監(jiān)測(cè)。振動(dòng)電纜應(yīng)進(jìn)行電氣接地防雷設(shè)計(jì)，應(yīng)定期檢查電纜完好狀態(tài)，如電纜損壞、信號(hào)中斷等，導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

3.2 振動(dòng)光纖

根據(jù)光纖傳感原理不同，油氣站場(chǎng)應(yīng)用光纖分為區(qū)域式振動(dòng)光纖和分布式振動(dòng)光纖。技術(shù)原理是將振動(dòng)光纖安裝在油氣站場(chǎng)圍墻鐵絲網(wǎng)，人員爬入或碰觸鐵絲網(wǎng)時(shí)光纖和鐵絲網(wǎng)共振產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，光纖感知發(fā)出光信號(hào)并進(jìn)行智能分析、識(shí)別和報(bào)警。光纖具有抗電磁雷電干擾、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于易燃易爆區(qū)域。但光纖造價(jià)高，且需要專業(yè)維護(hù)更換。

區(qū)域式振動(dòng)光纖采用引導(dǎo)光纖-傳感光纖模式，連續(xù)性光信號(hào)經(jīng)引導(dǎo)光纖傳入傳感光纖時(shí)產(chǎn)生模間干涉現(xiàn)象。站場(chǎng)正常工況下傳入引導(dǎo)光纖的光功率是基本穩(wěn)定的，如人員活動(dòng)造成光纖振動(dòng)時(shí)，傳入引導(dǎo)光纖的光功率會(huì)發(fā)生變化，站控系統(tǒng)的主檢測(cè)器檢測(cè)光功率及頻率變化，識(shí)別人員活動(dòng)行為。區(qū)域式振動(dòng)光纖的特點(diǎn)是光纖傳輸安全可靠，不存在電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，傳輸靈敏度高，對(duì)惡劣天氣適應(yīng)能力強(qiáng)，能屏蔽電磁信號(hào)影響。區(qū)域式振動(dòng)光纖可獨(dú)立設(shè)置用以監(jiān)控一定范圍區(qū)域，單個(gè)振動(dòng)光纖不影響其他光纖運(yùn)行。針對(duì)大型油氣站場(chǎng)應(yīng)設(shè)置多個(gè)區(qū)域式振動(dòng)光纖系統(tǒng)，保證檢測(cè)無死角區(qū)域。區(qū)域式振動(dòng)光纖安全防護(hù)系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 區(qū)域式振動(dòng)光纖安全防護(hù)系統(tǒng)組成示意

分布式振動(dòng)光纖的原理是光時(shí)域反射技術(shù)，將脈沖光按照指定時(shí)間間隔輸入引導(dǎo)光纜。光纖中存在不均勻雜質(zhì)，每個(gè)位置點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生反向散射光，且與振動(dòng)頻率存在映射關(guān)系。站控系統(tǒng)的主檢測(cè)器檢測(cè)反向散射光變化，識(shí)別人員活動(dòng)或者碰觸圍欄的行為。分布式光纖除具備區(qū)域式振動(dòng)光纖的特點(diǎn)外，還可以準(zhǔn)確定位人員活動(dòng)位置，整個(gè)油氣站場(chǎng)安裝一條傳感光纖即可滿足監(jiān)測(cè)需求，安裝和維護(hù)工作簡(jiǎn)單。該技術(shù)是目前油氣站場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的安全防護(hù)技術(shù)之一。分布式振動(dòng)光纖安全防護(hù)系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 分布式振動(dòng)光纖安全防護(hù)系統(tǒng)組成示意

4 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)屬于反射式安全防護(hù)技術(shù)，激光器作為發(fā)射源，利用遙感設(shè)備進(jìn)行光電探測(cè)。相比微波雷達(dá)技術(shù)，激光雷達(dá)工作頻率較高，并可實(shí)現(xiàn)極佳的角度、距離和分辨率。激光沿直線傳播，方向性好，只能在激光傳播路線上才能接受信號(hào)，可靠性高。

5 電子圍欄

電子圍欄安全防護(hù)系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 電子圍欄安全防護(hù)系統(tǒng)示意

電子圍欄技術(shù)的原理是監(jiān)測(cè)圍欄導(dǎo)線受外力載荷產(chǎn)生的張力變化而進(jìn)行報(bào)警。探測(cè)器與圍欄導(dǎo)線連接，將圍欄導(dǎo)線的張力轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給站控系統(tǒng)模塊，站控系統(tǒng)將數(shù)字信號(hào)預(yù)處理生成站場(chǎng)狀態(tài)編碼傳輸給終端中心控制器，由中心控制器顯示和輸送站場(chǎng)狀態(tài)信息。

電子圍欄特點(diǎn)是對(duì)風(fēng)、雨、雪等惡劣天氣適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)鳥類、樹葉等物體分辨率高、誤報(bào)少。油氣站場(chǎng)整體應(yīng)用電子圍欄造價(jià)高。因依靠監(jiān)測(cè)導(dǎo)線張力，需定期對(duì)鋼絲繩質(zhì)量狀況進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)，預(yù)防生銹松弛。雷雨天氣下圍欄導(dǎo)線區(qū)域存在安全隱患，需禁止人員靠近。

6 泄漏感應(yīng)電纜

泄漏感應(yīng)電纜的原理是將電纜導(dǎo)體切割成特殊形狀，電纜表面按照指定順序鉆槽孔，兩條電纜相鄰區(qū)域形成均勻、柱狀電磁場(chǎng)。電纜通電狀態(tài)下，高頻電磁能量經(jīng)槽孔向外輻射，并可接受外部電磁信號(hào)。敷設(shè)泄漏感應(yīng)電纜的油氣站場(chǎng)區(qū)域如有人員活動(dòng)，感應(yīng)電纜的電磁場(chǎng)產(chǎn)生變化，信號(hào)傳輸至站控系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。

感應(yīng)電纜特點(diǎn)是： 埋地敷設(shè)不影響站場(chǎng)美觀，隱蔽性好；當(dāng)金屬物體進(jìn)入以及雨雪潮濕天氣下系統(tǒng)容易誤報(bào)警；可實(shí)現(xiàn)區(qū)域性檢測(cè)，無法精確定位；通電電磁場(chǎng)存在安全隱患，對(duì)產(chǎn)品防火防爆性能要求高。

7 中國油氣站場(chǎng)安全防護(hù)技術(shù)應(yīng)用情況

油氣站場(chǎng)屬于半敞開式區(qū)域，國內(nèi)管道行業(yè)主要應(yīng)用了振動(dòng)光纖、振動(dòng)電纜、紅外對(duì)射、激光對(duì)射、微波對(duì)射等技術(shù)，其中振動(dòng)光纖由于其本質(zhì)安全性已成為油氣站場(chǎng)安全防護(hù)的首選技術(shù)。評(píng)價(jià)較好的安全防護(hù)技術(shù)應(yīng)具備對(duì)風(fēng)雨、雷電等惡劣天氣的抗干擾能力；較低的誤報(bào)警率，具備與視頻監(jiān)視系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能，確認(rèn)是否人員入侵并留存取證。綜合各種安全防護(hù)技術(shù)在國內(nèi)油氣站場(chǎng)應(yīng)用情況，主要問題如下[7]：

1)對(duì)射類技術(shù)受雨雪、濃霧等氣候條件影響大，誤報(bào)率較高，需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)維護(hù)。

2)振動(dòng)類技術(shù)在狂風(fēng)條件下誤報(bào)率較高，在站場(chǎng)出入口安裝不便。

3)反射式技術(shù)監(jiān)控距離較短且漏報(bào)率高。

應(yīng)用實(shí)踐證明： 沒有一種安全防護(hù)技術(shù)可以完美解決所有站場(chǎng)需求[8]，應(yīng)根據(jù)油氣站場(chǎng)規(guī)模、區(qū)域特點(diǎn)和建設(shè)成本等因素，選擇適用的安全防護(hù)技術(shù)[9]。例如： 大型油氣站場(chǎng)周界采用電子圍欄，出入口采用對(duì)射技術(shù)；小型油氣站場(chǎng)采用對(duì)射技術(shù)，重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)用工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)，可以顯著降低成本。

8 結(jié)論和建議

為保證管道安全運(yùn)行，應(yīng)建設(shè)和完善油氣站場(chǎng)安全防護(hù)技術(shù)，建議如下：

1)油氣站場(chǎng)選擇適用的安全防護(hù)技術(shù)，應(yīng)根據(jù)周圍環(huán)境特點(diǎn)及特殊防護(hù)需求，比較分析防護(hù)技術(shù)的監(jiān)控能力、靈敏度、分辨率和惡劣天氣下可靠性等性能參數(shù)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本、可維修性因素，可作為新建油氣站場(chǎng)安全防護(hù)技術(shù)的選擇應(yīng)用的指導(dǎo)原則。

2)目前尚未有一種安全防護(hù)技術(shù)滿足所有實(shí)際需求，油氣站場(chǎng)應(yīng)針對(duì)具體環(huán)境和位置選擇適用的安全防護(hù)技術(shù)，必要時(shí)結(jié)合站場(chǎng)HAZOP風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行選定配置。

3)油氣站場(chǎng)應(yīng)優(yōu)先選用本質(zhì)安全性安全防護(hù)技術(shù)，振動(dòng)光纖技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步提高對(duì)于大風(fēng)、沙塵、濃霧、低溫等氣候條件的適用性，增強(qiáng)對(duì)人員、動(dòng)物、物體的智能識(shí)別能力。