無人輸氣站露天工藝區泄漏監測方案優化設計

董高華 趙廉斌 曹永樂 梁懌 葛淩志 馬鐵量 孟書進

摘 要 以西氣東輸工程某無人分輸站為背景，從泄漏監測的全面性、可靠性及經濟性等方面考慮，給出該無人站露天工藝區泄漏監測系統設計方案，以激光云臺式產品為主負責區域的全面監測，超聲波式或激光線型產品為輔負責重點區域監測。最后根據現有方案，提出露天工藝區氣體泄漏監測方案的進一步改進優化建議。

關鍵詞 泄漏監測 無人站 探測器 全面監測 重點區域監測

中圖分類號 TP216? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0383?04

作者簡介：董高華（1994-），工程師，從事長輸天然氣管道儀表自動化系統的研究，donggh@pipechina.com.cn。

引用本文：董高華，趙廉斌，曹永樂，等.無人輸氣站露天工藝區泄漏監測方案優化設計［J］.化工自動化及儀表，2023，50（3）：383-386.

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》規定：在生產或使用可燃氣體及有毒氣體的生產設施及儲運設施的區域內，泄漏氣體中可燃氣體濃度可能達到報警設定值時，應設置可燃氣體探測器。西氣東輸等國家主干天然氣管道的輸氣站場正在逐步增設可燃氣體探測系統，但在設計和實際應用過程中還存在較多不足，需要全面分析應用中存在的關鍵問題，系統分析各類探測器的性能特點，對各類探測器的優、缺點進行比較，進一步完善方案設計，及時發現和消除輸氣站氣體泄漏帶來的安全風險。

1 各類探測器原理及性能介紹

傳統的點型可燃氣體探測器包括自由擴散式探測器、吸氣式探測器和光纖傳感式探測器。此類探測器有效探測范圍小，一般在相對密閉空間應用，并設置在廠房最高點泄漏氣體最易聚集處，不適用于室外露天工藝區域的泄漏監測。

線型可燃氣體探測器包括激光型和紅外線型，一般由發射器、接收器和反射器3部分組成。該類探測器適用于大面積開放空間的氣體泄漏監測，可以監測到探測光束上的可燃氣體云團，探測距離不超過100 m。其中，紅外線型探測器最早由英國西格公司在20世紀90年代初期推出［1］，在西氣東輸工程早期站場露天工藝區安裝，后因其受環境影響大、誤報率高及維護量大等原因，逐漸被拆除［2］。

考慮到天然氣站場工藝區域面積大，工藝設備復雜，單純的線型探測器適用于重要泄漏部位的監測，不適用于全區域監測。激光線型可燃氣體探測器與云臺轉動設備可組合成激光云臺式可燃氣體探測器，此類探測器以固定安裝、自動掃描的方式對工藝區域多個預設位置的甲烷濃度進行非接觸式測量，同時具備視頻實時監控功能，可以全方位監測氣體泄漏，定位泄漏點的大體位置［3］。相較于普通激光線型可燃氣體探測器，具有全方位面式探測的優點［4，5］，目前廣泛應用在天然氣站場進行泄漏監測。

面型可燃氣體探測器采用紅外成像原理監測，現場實際應用甚少，原因主要有兩點：一是價格昂貴，單價高達數百萬元；二是穩定性差，易受環境影響。現階段不建議在露天工藝區布署［6］。

超聲波式可燃氣體探測器是近年來新興的產品，適合室外露天場所的高壓設備可燃氣體監測，在天然氣站場應用很廣泛。

綜上對比分析，建議天然氣站場露天工藝區域氣體泄漏監測中選擇激光線型探測器、激光云臺式探測器和超聲波式探測器。

2 基礎資料

西氣東輸工程某無人分輸站工藝區域大小20 m×59 m。現已在工藝區調壓撬旁布置了一臺超聲波式可燃氣體探測器。

一臺超聲監測設備市場價約10萬元，探測半徑10 m。一臺激光云臺式甲烷探測器市場價約15萬元，探測半徑100 m。

3 泄漏監測方案比選

現對超聲波式和激光云臺式探測器這兩種適用于在開放環境監測的設備原理、特點和現場實際應用情況進行對比分析，以某分輸站為試點，尋求一種適用于無人站的氣體泄漏監測系統最優布置方案。

3.1 超聲波式探測器

當露天工藝區域管道及設備發生天然氣泄漏時，會產生一定頻率的超聲波，探測器捕獲到超聲信號，經過分析判斷確認氣體泄漏情況。

超聲波式探測器具有如下特點：

a. 氣體泄漏產生的超聲分貝取決于氣體壓力、孔徑及角度［7］等多種因素；

b. 以4 mm、流量0.1 kg/s、介質壓力小于1 MPa的氣體泄漏點為超聲波式探測源，超聲波式探測器的理論探測范圍約15 m。

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》關于噪聲區域劃分的規定，給出了報警值和探測器離聲源的距離要求，詳見表1。

超聲波式探測器也有一些缺點需要在選用時加以規避，如：易受外界因素（蟬鳴、打雷、馬路噪聲、分輸調壓）影響，現有較為合適的改進做法是合理設置報警閾值，一般高于背景噪聲6 dB可有效規避大部分誤報警；同時合理設置報警延時，目前推薦站場的設置值為30 s。超聲波式探測器適用于泄漏產生的噪聲能顯著改變環境聲壓的場所，即高壓管線附近，所以超聲波式探測器無法監測到管線微量泄漏的情況。

據調研，某分輸站露天工藝區氣體泄漏監測系統由一臺超聲波式探測器組成，設置于計量和調壓撬附近，主要用于對計量、調壓回路進行泄漏監測，理論探測距離15 m。該分輸站實際背景噪聲值為57 dB，報警值設置為64 dB，但現場實測監測半徑為10 m，無法覆蓋全工藝區域，不滿足整個露天工藝區域的監測需要。

3.2 激光云臺式探測器

激光云臺式探測器是利用氣體對光譜的選擇吸收特性，激光收發裝置對外發射特定波長范圍的探測激光，該探測激光遇到如管道、閥門、地面、墻面等反射物，經漫反射后部分激光返回到探測單元，在光路中如果存在可燃氣體云團，該云團中的甲烷成分將吸收部分探測激光，被吸收前光強與被吸收后光強的比值與氣團濃度成函數比例關系，通過計算即可得出甲烷氣體的濃度，其檢測原理如圖1所示。

激光云臺式探測器具有靈敏度高（5ppm·m（1ppm=0.001‰））、響應時間短（0.1 s）、監測范圍大（半徑100 m）的特點。其缺點是報警時效存在一定滯后性，只有當系統掃描到特定泄漏位置附近才能發出報警。

2021年，西氣東輸管道45座站場設置了激光云臺式甲烷探測器，運行時間不長，設備性能總體良好，使用過程中發現了一些問題，如設備巡檢周期設置過長、存在誤報警、上位監控軟件存在缺陷等。其中，巡檢周期過長問題可通過合理設置巡檢點位、巡檢速度和巡檢路線加以解決，使其巡檢周期控制在10 min以內。對于誤報警問題，現階段是通過調整報警閾值，按照推薦值（高報1 000ppm·m、高高報3 000ppm·m）進行設置；通過監控軟件設置預警監測時間，即發現報警后對報警區域的上下左右進行重點掃描，當統計的超預警次數超過設定值時，才確認為甲烷超濃度報警。通過這兩種方式可有效避免誤報警。后續廠家進一步修改完善了監測算法和監控軟件，提高了抗干擾性，現場已安裝的設備后續可通過固件升級等手段進行更新。

綜上所述，超聲波式探測器和激光云臺式探測器各有優勢，超聲波式探測器監測及時性好，不受風速影響；激光云臺式探測器能監測到微量泄漏情況，覆蓋范圍大。

4 優化方案

4.1 增設超聲波式探測器方案

基于現有的氣體泄漏監測系統布置情況，如需全面監測工藝區域設備，至少增加兩臺超聲波式探測器。這樣設計的優點是監測及時性較好，不受大風天氣影響；缺點是無法進行微量氣體泄漏監測；現場施工量大。

4.2 增設激光云臺式甲烷探測器方案

如采用激光云臺式甲烷探測器作為某分輸站工藝區域泄漏監測設備，應當避免將探測器安裝在進出站區域，而應安裝在工藝區域的中間［8］，使監測效果最大化，只需布置一臺即可滿足全面監測的要求。優點是與超聲監測設備共同在現場應用，形成優勢互補，既可對露天工藝區全面監測又提高了報警時效。

激光云臺式甲烷氣體探測器和超聲波式可燃氣體探測器分別將各自的報警、故障等信號傳輸至站控PLC系統，由站控PLC系統實現聯合檢測邏輯判斷，如圖2所示。

將某站工藝區域進行網格化，激光云臺式甲烷探測器沿著網格線進行水平線掃描，合理設置巡檢點位，根據各個點位之間設備分布情況設置不同的掃描速率，對重點區域設置采用慢速轉動速率精細掃描，對長距離無設備分布的路徑調整為快速轉動速率掃描（圖3），確保工藝區泄漏檢測區域全覆蓋的同時保障了檢測效果、提高了檢測時效性。

當PLC系統檢測到超聲波式可燃氣體探測器報警，將報警信息傳輸至PLC系統，PLC系統輸出命令至激光云臺式甲烷探測器，由激光云臺式甲烷探測器調整巡檢區域，對超聲波式可燃氣體探測器覆蓋區域進行復測，當檢測到甲烷氣體濃度超高時，輸出報警至站控系統，當未檢測出泄漏情況，則不輸出報警，從而減少系統誤報率，也保障了報警的時效性。實際投運一年時間，共出現報警兩次，經現場人工復測均存在微小泄漏，未發現誤報情況。

經過對比分析，增設激光云臺式甲烷探測器的方案對于現場氣體泄漏的監測效果和經濟性更好，確保無人站工藝區氣體泄漏風險可控，提高輸氣生產的安全性。

5 結論和建議

5.1 以西氣東輸某分輸站基礎數據為設計條件，考慮天然氣站場應用較為廣泛的兩種泄漏監測設備，進行露天工藝區泄漏監測方案設計，并從監測全面性和經濟性進行方案比選，確定增設一臺激光云臺式甲烷探測器為最優解決方案。

5.2 無人站露天工藝區泄漏監測系統宜具備微量天然氣泄漏監測水平，故可燃氣體監測系統以激光云臺式產品為主，負責區域全面監測，超聲波式或激光線型產品為輔，負責重點區域監測，可最大程度提高系統的穩定性和可靠性。

5.3 由于激光光束無法穿透遮擋物，當站場工藝管道布置高低錯落且數量較多時，不宜選用激光云臺式探測器。此時，建議選用超聲波式可燃氣體探測器對整個工藝區進行監測，激光線型可燃氣體探測器對重點區域進行監測。

5.4 現場長期刮風等級較高時，可燃氣體云團不易形成，不宜選用激光云臺式探測器。此時，建議選用超聲波式可燃氣體探測器用于無人站工藝區氣體泄漏監測。

5.5 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》規定“可燃氣體探測器必須取得消防產品型式檢驗報告”。激光云臺式和超聲波式探測器目前均無相關試驗、檢驗國家標準，故無法取得消防產品型式檢驗報告，期待相關標準和規范盡快制定出臺，用以指導產品設計改進、物資采購和現場應用。激光線型可燃氣體探測器具有相關檢驗、試驗國標（GB 15322.4—2019），但取得相關測試檢驗報告的產品少之又少。建議企業、消費者在產品采購過程中加強市場準入、物資采購和質量管理，促進產品優化和服務質量的提升。

參 考 文 獻

［1］ 張璽林，王文清.大面積可燃氣體探測新技術——線型紅外可燃氣體探測器［J］.消防技術與產品信息，2000（3）：16-18.

［2］ 孫旭.超聲波氣體泄漏檢測儀在天然氣分輸站場的應用［J］.化工設計通訊，2018，44（11）：188.

［3］ 時國明，周智，蘇曄華，等.天然氣站場掃描式激光氣體監測系統的研制［J］.油氣儲運，2021，40（5）：554-560.

［4］ 田野，潘誠，陳海艷.天然氣站場露天區域可燃氣體泄漏檢測技術研究［J］.油氣田地面工程，2022，41（3）：73-77.

［5］ 王琴梅，林盛陽.大風天氣對開放式區域可燃氣體探測器選型的影響［J］.化工自動化及儀表，2021，48（5）：515-518.

［6］ 劉歡，胡畔寧，魏萊.氣云成像攝像機氣體泄漏監測技術研究及應用［J］.天然氣技術與經濟，2019，13（1）：53-56.

［7］ 王春楠，李向，許挺挺，等.天然氣站場超聲波原理泄漏檢測影響因素分析［J］.自動化儀表，2018，39（3）：92-94；102.

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

（收稿日期：2022-09-29，修回日期：2023-01-19）