氣云成像智能識別技術在管廊監控中的應用

葛建武，馬 杰，楊寶和，鄭衛東，梁成龍

（中國石油蘭州石化分公司，甘肅蘭州 730000）

對于煉油化工企業來說，把原料轉化成產品，需要多套上下游裝置同時運行生產。而管線把裝置中設備與設備之間、裝置與裝置之間、裝置與罐區之間，串聯成有機的整體，形成產品生產鏈，保證產品生產過程得以實現。管線對于化工生產鏈來說，就像“動脈”血管對人身體一樣重要。

為了保證裝置及裝置間各種管線規范管理，節約有效空間，企業依據裝置分布設置管廊，管廊是鏈接裝置各單元及各裝置間的橋梁。具有承載的管線多，涉及輸送的介質復雜等特點，一旦發生事故，影響面更寬，涉及的裝置更多，帶來的經濟損失也就更大。

蘭州石化現有4km長度，7段管廊，上下分4層，每層之間高度差約1.5m，管廊運輸物中涉及32種介質。為保障管廊處于安全穩定狀態，企業非常重視管廊管理，一般采用人工巡檢的方式，對管廊實行管控。但由于長輸管廊具有架設在高空、層數多、管線密集等特點，加之巡檢人員狀態等因素，人工巡檢的方式往往達不到預期效果。

公司共有七處界區外管廊，100多條轉輸管線，是鏈接煉油與化工區和各裝置區之間物料轉運的橋梁，具有承載的管線多、線路長、涉及輸送的介質危險性大、周邊環境復雜、一旦泄漏很難及時發現等特點，傳統管理方式單一，監測手段匱乏，安裝的報警儀也由于風向、泄漏點高度等因素，只能監測很小的區域，全線監測只能靠人工巡檢的方式進行，一旦管廊發生泄漏著火事故，輕則影響裝置完全穩定運行，重則發生較大安全環保事故，給企業、社會帶來嚴重的負面影響和重大的經濟損失。因此利用氣云成像智能識別技術識別危化氣體，在蘭州石化管廊監控中就大有可為。

1 天然氣泄漏監測技術概述

1.1 監測對象（互供管廊）

監測對象為油品儲運廠界區外一段互供管廊，具體位置如圖1所示。

圖1 互供管廊位置說明

1.2 互供管廊介質

目前蘭州石化油品儲運廠的互供介質見表1，本次項目實際監測介質從【當前可選監測】欄里標記為【是】的介質里選取。

表1 互供管廊介質一覽表

2 氣云成像攝像機泄漏監測技術研究

2.1 技術原理

本次采用氣云成像智能識別技術的設備產品是國內首創的綜合實現了先進的傅里葉變換紅外光譜遙測和掃描成像檢測技術。利用紅外指紋特征對氣體云團進行遠程遙感探測，通過識別軟件實現對危化氣體的快速定性識別和定量反演，配合掃描云臺和同軸可見-紅外相機實現檢測區域的掃描成像，對各類危化氣體進行高靈敏度的快速識別和報警。

2.2 基本原理

任何自然物體都向外發射紅外光，不同物質成分具有不同紅外光譜，類似于人的指紋，故紅外光譜又稱為“指紋光譜”。參見圖2。

圖2 紅外光譜特征圖

光與物質作用時，會產生吸收、透射、散射等物理現象。紅外光與氣體物質的主要作用是吸收和透射，依據三層模型可對氣體成分進行遙感檢測。參見圖3。

圖3 紅外光譜三層模型

被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）掃描檢測技術是根據光學干涉特性，利用邁克爾遜干涉儀結構，采集干涉圖并變換為光譜，是目前國際上最先進的氣體遙測技術。

3 氣云成像攝像機監測現場應用

因需要監測的是廠外管廊，管廊周邊有樹木遮擋，而廠區內特別是沿西側圍墻無適合的建筑物可以固定架設產品，考慮以便攜式架設產品為主。架設點和監測區域參見圖4。

圖4 產品架設點預設方案圖（圖中上方為北）

1號點：可以自東向西對廠區外西側管廊的直線段（上圖中的黑色長方框部分）進行監測。

2號點：從中間分別向東或向西監測廠區外西側管廊的直線段，可以提高定位速度。

3號點：既可以自西向東監測廠區外西側管廊的直線段，也可以向西南監測圖5-1左下角的管廊，監測范圍最大。

另外，在管廊的北側和南側也可以適當選擇若干位置對管廊進行側向監測。

3.1 設備組成說明

監測設備硬件主要由設備主機、掃描云臺、主控計算機、電源適配器及通信線纜、供電線纜等組成，見圖5。

圖5 監測設備組成圖

3.2 主要技術參數

1）檢測半徑：≥ 3km；

2）掃描范圍：水平360°，俯仰-30°～+45°；

3）報警響應時間：≤4s；

4）光譜范圍 ：8μm～14μm ；

5）光譜分辨率：1cm-1；

6）防水防塵等級；IP65；

7）視頻：可見光（高清）、紅外；

8）系統功耗：≤100W（不含主控計算機）

4 應用效果

測試方法：利用紅外指紋特征對氣體云團進行遠程遙感探測，通過識別軟件實現對危化氣體的快速定性識別和定量反演，配合掃描云臺和同軸可見-紅外相機實現檢測區域的掃描成像，對甲烷氣體進行高靈敏度的快速識別和報警。

利用測試地點的可見相機和氣云成像攝像機進行測試，放散一定濃度的甲烷測試氣體，測試氣云成像攝像機在一個監視周期（云臺 360°旋轉）內能否及時發現泄漏，是否于系統內正確顯示。

測試情況如下：測試區域測試，天氣晴朗，測試距離約為200m，響應時間為2s。正常情況下，氣云成像攝像機無報警，顯示正常，發現丁烷氣體后，氣云成像攝像機監控發出報警。

從現場測試結果看，氣云成像攝像機在泄漏介質自動識別、定位所屬管線及自動報警、泄漏識別準確度、泄漏響應方面均取得較好的應用效果。

5 結論與建議

1）氣云成像識別技術在蘭州石化化工管廊初步實現了實際應用，對實現管廊承載管線泄漏介質自動識別、定位所屬管線及自動報警具有很好效果，

2）采用云成像識別技術對管廊承載管線輸送介質自動識別和云成像技術對泄漏位置、所屬管線定位，實現介質的初步自動化識別技術，保障了管廊的安全。

3）實現創新界區外管廊實時監控、實現24h全天候無人巡檢的管理模式，保障了管廊處于安全穩定受控狀態。

4）利用紅外云成像技術自動識別管廊承載管線泄漏介質及管線定位過程中，充分利用了機器學習、建模技術，實現了自動識別展示及自動報警。

5）下一步要深入研究氣云成像識別技術在實際監測監控中的應用，特別是此次項目中建立的管廊多種介質泄漏氣云成像監測系統在實際運用中發揮了極大的作用。