云臺掃描式激光可燃氣體探測器在天然氣站場的應用與實踐

牛占坡

(中國石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

近年來,某管道運營單位在近百座站場露天站場設置了超聲波氣體泄漏檢測設備,主要對計量、調壓、自用氣、臥式過濾器區等露天站場進行泄漏檢測。

在背景噪聲較低的區域,超聲波氣體泄漏檢測設備運行平穩;但在其他區域,受背景噪聲影響,檢測設備存在誤報、無法檢測的問題,檢測效果不佳,后期根據現場噪聲測量結果,將受背景噪聲影響的檢測設備重新安裝在背景噪聲較低的位置,以此來解決誤報、檢測效果不佳的問題,同時設備移位也直接導致了檢測覆蓋率不足的問題,甚至某些站場不得已通過增加投資、增設檢測點的辦法滿足覆蓋率要求。

1 技術背景

目前,國內常用氣體泄漏檢測設備有以下9種方式,其優劣勢對比分析如表1所示。

表1 各類原理比對分析

固定點型催化燃燒式、固定點型紅外式、紅外對射式和激光對射式可燃氣體探測器,由于受風向、天氣等影響較大,易誤報或故障報警,同時,不具備主動捕捉泄漏的功能,無法達到運營單位對報警的準確性和及時性要求。

泄漏可聞噪聲檢測原理的探測器,由于容易受到可聞背景噪聲的影響,尤其是風聲、雨聲等常見環境噪聲,致使頻繁誤報,只能通過放棄部分較小分貝值的泄漏監測來減少產品誤報警,可靠性仍未達到理想。

光纖振動原理的探測器,安裝時會破壞所監測管道的防腐層,且工程量較大。

超聲波氣體泄漏探測器是一種捕獲超聲波(高于20 KHZ的音頻)泄漏信號用于工業領域泄漏檢測、氣密性檢測和預測性維護的設備,具體檢測原理為:當漏孔尺寸較小且雷諾數較高時,沖出氣體就會形成湍流,湍流在漏孔附近會產生一定頻率的聲波,形成超聲波。超聲波是具有指向性的高頻短波信號,其強度隨著傳播距離的增加而迅速衰減[1]。利用該特征,即可判斷出泄漏點的大致位置。但其卻極易受到站場及自然環境噪聲的影響,造成誤報、漏報、檢測不準的情況。

云臺掃描式激光可燃氣體探測器是基于可調諧激光光譜吸收(TDLAS)原理,對特征氣體濃度進行實時在線監測的儀器設備。通過單片機控制電路對激光器進行電流調制,控制激光器發出所需波長的激光,激光穿過氣體監測區域后,到達反射面(氣體管道、天花板、墻體、地板、地面等)并被反射回激光探測器,若激光穿過的氣體區域中存在被檢測的特征氣體,激光將與該氣體作用并被吸收。特征氣體濃度越高,吸收量越大,激光探測器將監測到激光強度的變化并反饋至單片機控制電路進行處理,最終由信號輸出電路將濃度結果傳輸出去,并通過攝像頭顯示現場畫面。

2 現場環境

天然氣站場露天工藝裝置區,一般包括閥組區、過濾分離區、計量調壓區、空冷器區等部分[2],是站場的重要組成部分。露天工藝裝置區的泄漏隱患,尤其是不易察覺的微小泄漏隱患,非常不利于站場的安全運行。對該區域的泄漏點的準確識別,也面臨著諸多挑戰。

(1)在露天工藝裝置區,各種管道、閥門、儀表等設備構成了一個復雜的系統,難以保證每個密封點都完全不泄漏。此外,設備的老化、損壞、維護不當等因素也可能導致泄漏的發生。

(2)露天工藝裝置區環境復雜,可能會存在風力、溫度、濕度等多種因素影響檢測結果。在泄漏檢測過程中,風力大小、方向、溫度高低、濕度大小等環境因素都可能對檢測結果產生影響。

(3)泄漏位置,尤其是微小泄漏位置的準確識別和判斷較為困難。

為了確保天然氣站場的安全運行,需要采用有效的檢測技術和方法,建立穩定的監測系統,提高檢測精度和速度。同時,還需要加強對設備的維護和更新,提高設備的可靠性和安全性。

3 選型及布置方案

所選用的云臺掃描式激光可燃氣體探測器,應有較強的抗干擾能力,且經過合理設置后可不受風雨雷電等極端天氣的影響,同時應具有自檢功能,當出現故障時及時發出報警信號;其防爆/防護等級優于 Ex d II BT4 / IP65;探測器對可燃氣體濃度變化的響應時間T90應≤1 s;其工作電壓為24VDC或者220VAC;水平轉動角度0°～360°,水平轉動速度跨度優于 0.1°/s～15°/s;垂直轉動角度-90°～90°,垂直轉動速度跨度優于 0.1°/s～15°/s;對甲烷氣體的最小探測距離為50 m。

以某聯絡壓氣站為例,該站是3條能源干線的聯絡壓氣站,共有9個工藝裝置區,且單個工藝裝置區的面積較大,其中6個區域為重點探測區域。

采用掃描范圍不小于50 m的云臺掃描式激光可燃氣體探測器對重點區域進行檢測,6個重點區域共需布置4套,設備分配表如表2所示。

表2 云臺掃描式激光可燃氣體探測器分配

4 預期效果

4.1 經濟效益

以上文提到的某聯絡壓氣站為例,分別設置3種不同的可燃氣體探測器對經濟性進行對比分析,結果如表3所示,雖然云臺掃描式激光可燃氣體探測器單臺造價較高,但覆蓋范圍大,投資額僅為其他兩種的1/3,經濟性最好。

表3 經濟性對比

4.2 檢測效果

云臺掃描式激光可燃氣體探測器,有別于其他的被動探測儀器,它可以通過不斷地轉動掃描主動尋找泄漏點,并通過預設程序對關鍵部門進行重點掃描。響應速度快,靈敏度高,并只對目標氣體有反應,抗干擾能力強。在實際使用過程中,其有效避免了誤報、漏報的發生,并能準確定位泄漏位置。

5 結語

云臺掃描式激光可燃氣體探測器作為近幾年較為新穎的泄漏檢測方法,其具有覆蓋范圍廣,響應速度快,靈敏度高,測量精度高[3],性能穩定,使用壽命長,可實時、有效定位泄漏點位置等特點,在以往的項目應用中無論是經濟性還是實用性,都取得了良好成效,是天然氣站場露天工藝裝置區泄漏檢測較為完美的解決方案。