北斗高精準燃氣泄漏檢測系統的應用

李彥爽

(北京市燃氣集團有限責任公司,北京 100035)

1 概述

燃氣作為城市的重要基礎設施,近年來使用規模增長迅猛,截至2021年底,全國城市用氣人口已經超過6.67×108人,使用普及率約98%。與此同時,燃氣安全的風險日益凸顯,截至2021年底,已有近10×104km城市燃氣管道出現不同程度的老化,燃氣安全面臨極大挑戰。

燃氣泄漏的檢測和預防,能夠有效防止事故發生,將事后處置轉換為事前預防。隨著新技術、新設備、新算法不斷引入,燃氣泄漏檢測精度和效率持續提升。本文介紹北斗高精準燃氣泄漏檢測系統(簡稱檢測系統)的系統架構和技術原理,試驗驗證檢測系統性能。

2 系統架構及設備

2.1 系統架構

檢測系統由北斗定位裝置、泄漏檢測裝置、用戶終端和云服務平臺4部分構成,架構見圖1。泄漏檢測裝置與北斗定位裝置分別獲取泄漏燃氣的體積分數和泄漏點位置,將各自收集的數據在用戶終端進行集合分析,為用戶提供燃氣泄漏風險的判別依據。云服務平臺實現各終端內部數據共享。

圖1 北斗高精準燃氣泄漏檢測系統架構

2.2 設備

① 北斗定位裝置

包括定位模塊和通信模塊。定位模塊通過北斗信號接收機獲取北斗時空位置信息,實時計算泄漏點的三維位置與時間;通信模塊通過無線傳輸技術,將各類數據傳輸到用戶終端。

② 泄漏檢測裝置

包括傳感器模塊和通信模塊。傳感器模塊結合先進的激光甲烷泄漏檢測技術及其他輔助技術,采集甲烷、乙烷體積分數和風速、風向等數據,并通過通信模塊將采集的數據傳回用戶終端。

③ 用戶終端

包括處理器、顯示器、存儲器和通信模塊。北斗定位裝置與泄漏檢測裝置收集的數據,通過用戶終端的處理器進行集合、計算、分析,結合內嵌地圖軟件,可得出甲烷泄漏的范圍,并在顯示器上直觀呈現。存儲器主要實現檢測結果的本地化保存,通信模塊主要用于接收前端(北斗定位裝置、泄漏檢測裝置)數據。燃氣公司可使用智能手機或平板電腦作為用戶終端,以保證其可操作性和便捷性。

④ 云服務平臺

云服務平臺設在系統客戶(檢測系統使用單位),以確保檢測數據安全。北京燃氣集團利用自有服務器搭建了云服務平臺。結合各用戶終端傳來的數據和圖像,通過云服務平臺,可以看到整個區域內的泄漏檢測狀況。各用戶終端也可以在內嵌地圖軟件上看到其他用戶終端實時上傳的更新結果,便于協同作業。北斗高精準燃氣泄漏檢測系統檢測效果見圖2,顏色越接近紅色表示測得的燃氣體積分數越高。

圖2 北斗高精準燃氣泄漏檢測系統檢測效果

3 技術原理

北斗高精準定位技術和激光甲烷泄漏檢測技術相結合,為燃氣泄漏高精準檢測提供了有力支撐。

① 北斗高精準定位技術

衛星導航定位技術已成為國家科技實力與競爭力的重要標志之一[1]。北斗衛星導航系統(簡稱北斗系統)是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要,自主建設運行的全球衛星導航系統。相較于其他定位系統,北斗系統具有精準授時功能,能夠保證數據信息安全,為城市燃氣行業數字化建設提供時空數據支持。

隨著衛星導航技術不斷發展,北斗高精準定位技術已經成為一種非常成熟的技術,可以消除衛星鐘差、用戶接收機鐘差以及電離層延遲的影響,可以實現cm級的定位精度。在復雜環境下,例如在城市高樓、山區等環境下也可以實現高精準定位,對于燃氣企業的運行、維護、安全管理具有非常重要的意義。例如,在巡檢過程中,通過北斗高精準定位技術可以實現人員、設備的實時定位、監測和管理,從而提高生產效率和安全性。

北斗高精準定位技術的基本原理是利用測距交會法[2],原理見圖3,坐標系采用北斗坐標系。

圖3 測距交會法原理

北斗衛星播放測距信號和導航電文,導航電文中包括衛星的位置信息。目標點P在同一時刻接收到3顆衛星(分別用S1、S2、S3表示)信號,測量出目標點至3顆衛星的距離,利用導航電文計算出該時刻衛星的空間坐標,最終計算得到目標點的三維坐標,即確定目標點的位置。

目標點三維坐標計算式為:

(1)

(2)

(3)

式中x、y、z--目標點P的三維坐標,m

x1、y1、z1--衛星S1的三維坐標,m

x2、y2、z2--衛星S2的三維坐標,m

x3、y3、z3--衛星S3的三維坐標,m

d1、d2、d3--目標點P與衛星S1、S2、S3的距離,m

自2012年以來,北京燃氣、中國燃氣、華潤燃氣、新奧燃氣、昆侖燃氣、港華燃氣、深圳燃氣、重慶燃氣等企業以燃氣供應業務為核心,根據各自的發展理念,應用北斗系統開展了廣泛的業務延伸和市場化運營,逐漸形成差異化的產品特點和發展特征[3]。

② 激光甲烷泄漏檢測技術

燃氣泄漏檢測技術主要分為化學成分分析法、聲學分析法、光學測量法、分布式光纖傳感器法、智能球法。激光甲烷泄漏檢測技術作為光學測量法的一種,具有靈敏度高、氣體選擇性好、可原位在線檢測等優點,被廣泛應用于天然氣、石油、化工等領域,可對甲烷、乙烷等燃氣進行快速、準確檢測,實現對燃氣泄漏的實時監測和預警。

激光甲烷泄漏檢測技術是基于激光吸收光譜技術,利用特定波長激光束對待測燃氣掃描時,共振于分子躍遷波長的光會被待測燃氣吸收,從而在探測器上觀察到透射光強度的衰減,測量燃氣分子的光譜吸收特性,從而確定燃氣體積分數。傳統的激光吸收光譜技術受限于光電探測噪聲,無法有效檢測出微小泄漏。由此,靈敏度更高、抗干擾能力更強的基于光學腔的激光吸收光譜技術得以發展。

目前精度最高的兩種車載泄漏檢測系統均采用光學腔增強的激光吸收光譜(Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy,CEAS)技術,分別是基于光腔衰蕩光譜技術(Cavity Ring-Down Spectroscopy,CRDS)的泄漏檢測系統與基于離軸積分腔輸出光譜技術(Integrated Cavity Output Spectroscopy,ICOS)的泄漏檢測系統[4],對甲烷、乙烷體積分數的檢測分度值都可達到10-9級,結合內置算法軟件,分析計算燃氣泄漏情況并定位燃氣泄漏位置。

4 試驗驗證

① 檢測試驗區域

在2018-2020年期間,北京燃氣集團選取北京市M區作為檢測系統的試驗區域,將北斗高精準定位技術和激光甲烷泄漏檢測技術應用在檢測車上進行燃氣泄漏檢測,并將3年的試驗結果進行對比。

② 設備選型

在北斗高精準定位技術應用方面,試驗選用華測導航CGI-210高精度組合導航接收機(見圖4),接收北斗衛星信號,并進行位置坐標的計算。接收機采用差分定位技術與慣性導航技術,內置4G通信模塊,接入北斗精準服務網(由覆蓋全國的北斗精準服務站組成,可大幅縮小定位誤差),實時解算出高精度的檢測車位置、速度等信息,可實現城市峽谷、隧道橋梁等衛星信號質量差環境下的持續高精度定位。

圖4 華測導航CGI-210高精度組合導航接收機

在激光甲烷泄漏檢測技術方面,試驗選用基于離軸積分腔輸出光譜技術和軟件算法的ABB AbilityTM高精準燃氣泄漏檢測系統,是目前精度最高的車載泄漏檢測系統之一。該設備基于離軸積分腔輸出光譜技術,利用離軸積分腔衰蕩,通過測量腔體內部氣體吸收激光衰減的時間,反演出腔體內氣體體積分數,能檢測出非常微小的燃氣泄漏。

③ 設備安裝

車載北斗高精準燃氣泄漏檢測系統的安裝見圖5。氣體采樣口安裝在車前端;北斗定位裝置與泄漏檢測分析儀安裝在車的后備箱中,隨著車行進實時定位并進行燃氣泄漏檢測分析;超聲波風速儀安裝在車頂,測量出風速,以便排除風速干擾,對燃氣體積分數進行精確判斷;用戶終端放置在車內,由燃氣公司工作人員實時查看檢測情況。在車行駛過程中,北斗定位裝置一直在進行定位,實時記錄車行駛的軌跡;泄漏檢測裝置也在實時檢測燃氣泄漏情況,一旦檢測到燃氣泄漏,系統通過疊加風速、風向來判斷泄漏距離和方向,再與該時間點的位置信息進行結合,計算出泄漏點的準確位置。車載北斗高精準燃氣泄漏檢測系統的參數見表1。

表1 車載北斗高精準燃氣泄漏檢測系統的參數

1-北斗定位裝置; 2-泄漏檢測分析儀; 3-氣體采樣口; 4-用戶終端; 5-超聲波風速儀。圖5 車載北斗高精準燃氣泄漏檢測系統的安裝

④ 試驗結果與分析

檢測覆蓋了北京市M區的主要街道和附近小區,每年檢測4次。在2018-2020年所有檢測過程中,車輛和設備運行正常。檢測過程中,有燃氣泄漏報警指示,經核驗確認存在泄漏,已通知相關部門進行處理。2018-2020年燃氣泄漏報警點數量對比見表2。

表2 北京市M區2018-2020年燃氣泄漏報警點數量對比

每次檢測完成后,用戶終端均會生成泄漏風險云圖,見圖6,顏色越接近紅色表示測得的燃氣體積分數越高。

圖6 用戶終端生成的泄漏風險云圖

通過現場應用發現:

a.檢測系統較好地進行了多技術融合。結合北斗高精準定位技術和激光甲烷泄漏檢測技術,能夠敏銳發現燃氣輕微泄漏,并結合云服務技術,將燃氣泄漏體積分數通過燃氣企業內部專網直觀共享。

b.檢測系統能夠保障城市燃氣安全。北京市M區2018-2020年期間,燃氣泄漏報警點數量逐年減少,檢測系統能輔助燃氣公司工作人員快速找到泄漏點,及時消除安全隱患。

c.檢測系統兼具高效和穩定性。在北京市M區的泄漏檢測中,2018-2020年這3年均實現了利用30個工作日進行了4次檢測,檢測高效且穩定。

5 檢測系統主要特點

① 高靈敏度。檢測系統可以檢測出非常微小的燃氣泄漏,檢測分度值達到了10-9級。

② 高準確性。檢測系統可以實現高精準度的燃氣泄漏檢測,對于燃氣企業的安全管理具有非常重要的意義。甲烷和乙烷雙激光分析,有利于減少沼氣引起的誤報干擾,減少無效的人工復測工作。

③ 實時監測。檢測系統可以實現實時的燃氣泄漏監測和報警,對于燃氣泄漏的預防和控制具有非常重要的意義。

④ 易于使用。檢測系統可以通過簡單的硬件設備和軟件系統實現,最大車載檢測覆蓋范圍均達到檢測車兩側150 m,使用起來非常方便。

⑤ 數字化程度高。檢測系統通過自帶的泄漏檢測算法,可將多次檢測的數據進行疊加分析,實時顯示檢測情況并自動生成檢測報告,生成甲烷、乙烷體積分數分析圖、泄漏風險云圖等。

⑥ 高效且穩定性強。

6 結束語

隨著城鎮燃氣管道的老化不斷加劇,更加高效、精準的燃氣泄漏檢測技術成為城鎮燃氣安全運行的有力保障。試驗證明,北斗高精準燃氣泄漏檢測系統在燃氣泄漏檢測性能和精度上均能滿足要求。

此外,北斗系統作為國之重器,已進入規?；?、產業化、國際化發展新階段,為燃氣領域創新化發展、精細化管理帶來嶄新機遇,對于燃氣企業精準定位燃氣泄漏點、應急現場前期偵查、排查燃氣泄漏隱患均有重要作用,為實現智慧燃氣建設、強化企業運營本質安全提供有力保障。未來,應持續推動“燃氣+北斗”融合創新,推動更多典型應用場景落地。