防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀在天然氣場站的應用

邵彬彬 張 憲 馬冶輝

防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀在天然氣場站的應用

邵彬彬 張 憲 馬冶輝

（合肥合燃華潤燃氣有限公司，安徽 合肥 230075）

隨著天然氣的應用越來越廣泛，選擇一種快速、有效的天然氣泄漏檢測方式也越來越重要。文章從防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀簡介、檢測原理及特點、應用效益等方面進行了闡述和分析。隨著技術的進步以及政策、規(guī)范等方面的逐漸成熟，以防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀為代表的檢測技術將越來越多地應用于天然氣場站等生產(chǎn)生活領域。

激光；甲烷檢測；天然氣場站；可調(diào)諧半導體激光接收光譜

引言

目前天然氣作為清潔能源在國家能源體系中的應用越來越廣泛，為了實現(xiàn)碳中和、碳達峰的目標，天然氣在能源體系中的比重仍將繼續(xù)增加。2021年湖北十堰市“6·13”重大燃氣爆炸事故給人們的生命、財產(chǎn)安全帶來了極大的傷害，也給燃氣運營企業(yè)敲響了警鐘。特別是燃氣場站中的調(diào)壓站、輸配站、儲運站等露天燃氣聚集區(qū)，如何盡快、盡早發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏成為一項亟待解決的課題。目前天然氣泄漏檢測工具的檢測方式有催化燃燒式、電化學式、紅外式、激光式等，燃氣場站中大多使用人工手持紅外式巡檢或者在區(qū)域內(nèi)設置若干固定紅外式檢測點，由于固定點只能檢測小部分區(qū)域范圍，整個場區(qū)內(nèi)須設置數(shù)量較多的檢測點，后期維護、檢修、標定等工作量大，人工巡檢存在“盲區(qū)”，需要人力在現(xiàn)場來回多次進行徒步檢測，對人力資源的損耗也是一種較大的損失。針對以上存在的問題，采用一種簡單、可靠，使用較少資源就能夠產(chǎn)生較大生產(chǎn)效益的新型檢測方式越來越重要，采用防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀進行檢測成為滿足燃氣場站天然氣檢測各項要求的重要方式[1]。

1 防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀簡介

防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀是一種將激光探測器、高清攝像機及電動云臺集成一體的儀器。電動云臺可以攜帶激光探測器和攝像機實現(xiàn)360°橫向及180°縱向的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)激光探測器對工藝裝置區(qū)立體空間區(qū)域和位置的甲烷檢測。后臺管理軟件作為人機交互工具，展示攝像機拍攝的檢測位置畫面，控制電動云臺轉(zhuǎn)動，選擇檢測點，設置檢測儀的檢測路線和報警限值等信息，根據(jù)實時檢測的甲烷氣體濃度值判斷是否報警，保存報警記錄，同步抓拍報警位置現(xiàn)場實景畫面，快速定位大致漏氣區(qū)域。做到安全隱患早察覺、早預警、早處置，使場站安全運行保護能力有了較大的提升。設備具有ExdIICT6Gb防爆認證，滿足在生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)安裝位置選擇的多樣性。

本項目在某輸氣站工藝裝置區(qū)外側部署一臺防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀（見圖1），用于檢測甲烷氣體，拍攝報警位置現(xiàn)場畫面。在控制室部署一臺工作電腦安裝檢測儀管理軟件，作為人機交互工具用于操作和控制檢測儀的工作，展示報警信息，具備傳送報警信息至第三方平臺的功能，如SCADA系統(tǒng)。

圖1 燃氣場站布置示意圖

2 激光檢測的原理及特點

2.1 激光檢測的原理

防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀基于TDLAS（可調(diào)諧半導體激光接收光譜）檢測原理[2-3]，該原理主要是人機交互模塊指令激光發(fā)射模塊向目標部位（管道、閥門等）發(fā)出激光，激光的波長控制在相對應的甲烷氣體吸收峰處，經(jīng)過甲烷氣體吸收，在管道、閥門等部位引起漫反射波，經(jīng)過發(fā)射后進入激光接收模塊，并經(jīng)信號處理模塊感知甲烷氣體濃度變化，從而實現(xiàn)對甲烷濃度的檢測，原理如圖2所示。

圖2 檢測原理圖

2.2 激光檢測的特點

（1）由于分子光譜的“指紋”特性，激光檢測是不受其他氣體干擾的高選擇性、高分辨率的光譜技術[4]。這一特點比起其他技術優(yōu)勢明顯。

（2）激光檢測是對所有能夠?qū)t外線有所吸收的活躍分子都有效的通用技術，只需更換激光器和標準氣就能輕松測量其他成分。

（3）速度快、靈敏度高。激光檢測的時間解析度可以在毫秒量級，而不會失去靈敏度。應用該技術的主要領域有分子光譜研究、工業(yè)過程監(jiān)測與控制、燃燒過程診斷與分析、發(fā)動機功率與機動車尾氣測量、爆炸檢測、大氣中痕量污染氣體監(jiān)測等，目前已有多個領域的研究成果在國內(nèi)市場得到廣泛應用。

目前國內(nèi)檢測甲烷的技術手段主要有半導體傳感器檢測方法和化學方法兩大類。這些傳統(tǒng)的探測系統(tǒng)維護頻繁，維護成本高、難度大，容易出現(xiàn)探頭介質(zhì)失效、靈敏度低、無法持續(xù)探測等問題。國外目前主要的天然氣泄漏檢測研究方向有兩種：一是主動光電檢測技術，該技術利用激光和光電傳感器技術實現(xiàn)；二是被動光電檢測技術，該技術利用泄漏氣體的吸收輻射特性實現(xiàn)。以上兩種技術不僅降低了系統(tǒng)的維護成本和維護難度，不需要任何預處理，而且順應了高效、快速、實時、連續(xù)的氣體濃度檢測趨勢，基于TDLAS技術可實現(xiàn)對甲烷泄漏的連續(xù)測量，具有高分辨率和高靈敏度檢測的特點。

3 激光甲烷檢測儀在某輸氣站的應用實例

某輸氣站是合肥至六安高壓天然氣管線工程的末站，承擔著為六安、金寨等革命老區(qū)輸送天然氣的任務。項目最大設計流量為7.5×105m3/h，掃描激光甲烷檢測儀安裝實景如圖3所示，包含電動云臺、防爆控制箱、后臺操作平臺（操作軟件）。電動云臺和防爆控制箱設置在場站工藝裝置區(qū)周邊，后臺操作平臺設置在辦公區(qū)內(nèi)，通過在工藝裝置區(qū)內(nèi)設置若干個檢測點，一般是管道、法蘭、閥門、儀表、調(diào)壓撬等設備接口，閥門排污、放散口，總共設置約400處檢測點。每個檢測點停留時間3～5 s，從一個預設檢測點到下一個預設檢測點，電動云臺24 h不間斷對設置的檢測點進行檢測。通過后臺軟件可以對電動平臺角度進行調(diào)整，滿足現(xiàn)場多點需求。每巡查一次時間為20～30 min，每天檢測48次。檢測過程中防爆控制箱將監(jiān)控視頻和實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號，傳輸至后臺操作平臺，將檢測的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等進行記錄，對于數(shù)據(jù)異常的自動報警，發(fā)出蜂鳴、LED燈光閃爍等信號，并反饋至SCADA平臺。所有數(shù)據(jù)自動存儲于系統(tǒng)中便于回放和觀看歷史場景，存儲時間視電腦硬盤容量而定，對于1TB硬盤，存儲時間可達到一年以上。與傳統(tǒng)人工檢測相比，該檢測項目能夠做到24 h不停留，大大提高檢測效率。

圖3 項目實景圖

4 激光甲烷檢測儀應用效益分析

不同檢測方式的甲烷檢測工具對比情況如表1所示。

表1 不同檢測方式甲烷檢測工具對比情況

4.1 測量技術方面

防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀測量范圍大，可靠性高，不會漂移、中毒、飽和，使用壽命長，非接觸式檢測安全系數(shù)高，最小分辨率量綱為百萬分之一（傳統(tǒng)一般為萬分之一），響應時間不足1 s（傳統(tǒng)5 s以上），掃描半徑可超過80 m（1臺催化燃燒式探測器一般不超過5 m），激光檢測元件使用壽命長，所以相對于傳統(tǒng)的點型催化燃燒甲烷氣體檢測儀來說，它的優(yōu)勢是非常明顯的。但是受監(jiān)控死角影響，激光甲烷檢測裝置的部署位置選擇需慎重，否則會出現(xiàn)檢測盲區(qū)的問題。

4.2 價格方面

以某輸氣站為例，一臺傳統(tǒng)點型甲烷氣體探測器的設備（含軟硬件及安裝輔材等）約1.2萬元，根據(jù)設計規(guī)范露天工藝裝置區(qū)內(nèi)共計安裝28臺，總費用約33.6萬元。一套防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀（含軟硬件及安裝輔材等）約20萬元。兩個方案的差額在13.6萬元左右。因此，對于一臺前端設備能夠?qū)崿F(xiàn)全覆蓋的情況，防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀還是具備一定的價格優(yōu)勢。

4.3 安全管理方面

傳統(tǒng)設備為被動檢測且泄露量達到一定程度后才會有報警，而該設備能夠24 h根據(jù)預設巡檢路徑主動檢測，對于微量泄露也能夠有很好的檢測能力。后臺管理軟件實時記錄檢測數(shù)據(jù)，對于超過報警限值的還會保存相應圖像信息，快速大致定位燃氣泄漏位置，提示場站運行人員盡早前往現(xiàn)場檢查實際漏氣位置，并盡快消除漏氣隱患。因此，激光甲烷檢測裝置可以為未來生產(chǎn)場所的安全運行提供技術手段的支持。

5 未來應用前景

（1）目前相關設計規(guī)范對于甲烷氣體探測器的設置還是推薦采用傳統(tǒng)方式，對于新興的激光甲烷檢測并未提出相關指導意見，行業(yè)內(nèi)目前也是處在采用“傳統(tǒng)方式”或“傳統(tǒng)＋激光檢測方式”進行檢測的階段。

（2）傳統(tǒng)探測器經(jīng)計量機構檢測后出具標定或校準證書，而激光檢測設備在現(xiàn)行計量技術規(guī)范下的檢測并不嚴謹，校準報告只是對設備檢測標準氣體的檢測數(shù)值是否準確進行判定，但對于激光甲烷測漏儀遠近距離檢測的準確度并未有相關解釋或說明。因此激光甲烷檢測設備的標定或校準工作還存在一些不確定因素。但隨著工信部于2021年發(fā)布《行業(yè)計量技術規(guī)范項目公示》，包括《激光甲烷遙測儀校準規(guī)范》在內(nèi)的125個項目申請立項，明確將激光甲烷遙測儀列入計量技術規(guī)范計劃項目，為未來激光甲烷檢測儀的校準和規(guī)模化應用提供了技術規(guī)范支撐。

（3）目前掃描激光甲烷檢測儀的攝像頭功能較為單一，僅能夠捕捉預設點的現(xiàn)場情形，智能程度一般，對視頻前后對比、智能識別、后臺軟件分析等方面相對欠缺。若今后技術升級，其功能會更加齊全，能夠?qū)崿F(xiàn)自動識別，提高數(shù)據(jù)分析能力，加入鷹眼全景等功能，代替場站現(xiàn)場原先設置的視頻監(jiān)控，既可實現(xiàn)甲烷檢測又可減少攝像頭的使用，實現(xiàn)“一專多能”。

6 結論

當前激光檢測甲烷氣體的方式和產(chǎn)品確實為生產(chǎn)運營工作提供了新的技術手段，特別是對于一些工藝復雜、安全要求高的特殊項目或區(qū)域（如LNG應急調(diào)峰項目工藝裝置區(qū)、裝卸臺）建議利用激光甲烷檢測裝置作為主動檢測手段；如果工藝不是很復雜，可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要選擇性部署激光甲烷檢測設備，降低生產(chǎn)運行人員檢測勞動強度，快速發(fā)現(xiàn)漏氣隱患，提高燃氣設施安全生產(chǎn)管理水平。推廣防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀在燃氣場站等項目中的應用，可逐漸為各場景下天然氣檢測的使用積累經(jīng)驗。

在當今信息化發(fā)展的新階段，傳統(tǒng)檢測方式實現(xiàn)自動化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型也是各燃氣經(jīng)營企業(yè)信息化的發(fā)展趨勢，在檢測過程中系統(tǒng)硬件水平不斷升級，場站管理水平不斷提高，科技更好地服務于安全生產(chǎn)工作，生產(chǎn)效率大大提高，運營成本逐漸降低，企業(yè)也實現(xiàn)了高質(zhì)量發(fā)展。今后隨著國家的大力推進以及政策、規(guī)范等越來越健全，以防爆型云臺掃描式激光甲烷檢測儀為代表的激光甲烷檢測裝置將會越來越多地被應用于生產(chǎn)經(jīng)營中。

[1] 張春生，馬可倩，程美林，等. 激光甲烷檢測技術在沙漠油氣田的應用[J]. 中國儀器儀表，2022(5): 35-38.

[2] 馬季林. 激光甲烷泄漏自動遙測系統(tǒng)在燃氣廠站的應用[J]. 煤氣與熱力，2021，41(8): 13-15，45.

[3] 嚴密，袁曉駿，管文涌. 露天站場天然氣泄漏激光監(jiān)測系統(tǒng)的設計及應用[J]. 油氣儲運，2021，40(6): 685-691.

[4] 韓小磊. 基于TDLAS的天然氣泄漏檢測技術研究[D].青島: 中國石油大學，2009: 74.

Application of Explosion-Proof Pan-Tilt Scanning Laser Methane Detector in Natural Gas Stations

With the widespread application of natural gas, choosing a fast and effective natural gas leak detection method is becoming increasingly important. This article elaborates and analyzes the introduction, detection principle and characteristics, application benefits, and other aspects of the explosion-proof pan-tilt scanning laser methane detector. With the progress of technology and the gradual maturity of policies and norms, the detection technology represented by explosion-proof pan-tilt scanning laser methane detector will be more and more used in natural gas stations and other fields of production and life.

laser; methane detection; natural gas stations; tunable semiconductor laser receiving spectrum

TU996

A

1008-1151(2023)11-0066-03

2023-03-29

邵彬彬，男，合肥合燃華潤燃氣有限公司工程師，碩士，從事燃氣工程建設及安全技術管理工作。