天然氣管道專業監測技術

孟綾 大慶油田化工集團技術開發研究院

1 泄漏監測技術

1.1 輸送管道

輸送液體的管道原則上可以集中監測，使用內部系統監視管道內的液體是否發生破裂或泄漏。這樣的系統對液體適用，但是不適用于氣體。由于天然氣具有高壓縮性，氣體泄漏不會以氣壓下降的形式表現出來，中心監測站無法發現氣體泄漏。另外，在管道并聯系統中可監測到碳氫化合物的跡象。同樣，這種系統在液態烴中工作良好，但也不適宜天然氣。因此，巡檢只能通過可以探測甲烷的氣體探測器進行目視檢查，確定泄漏。

1.2 配送管道

天然氣配送管道監測也需要巡檢。中國天然氣協會的天然氣管道技術委員會已經提供了泄漏監測指導和方法，包括校準和維護方面的可行性說明和建議。儀器的最基本要求是可以探測到空氣中濃度為50mg/L的甲烷氣體。主要提供技術包括火焰電離、紅外、半導體和催化珠探測器。目前，最常見的泄漏巡檢儀器是以火焰電離為原理的。

盡管火焰電離探測器長期用于泄漏監測，但還是具有局限性。例如，因為采用氫火焰，所以本質上并不安全。此外，氫氣鋼瓶重量大，以及日常補給氫氣也不方便。如果需要進行地下泄漏檢測，通常是必須使用可燃氣體探測器。

2 催化燃燒傳感技術

2.1 優勢

催化燃燒傳感器通常應用于感應大約100mg/L（0.2%爆炸下限的甲烷）至爆炸極限下限范圍的天然氣和其他可燃氣體（當量甲烷為5%）。高于5%濃度用導熱傳感器和催化珠同步測量，常作為火焰避雷器的載體催化傳感器。

該燃燒傳感器的下限由傳感器的噪音和漂移鑒別能力決定。此下限適用于評估和監測大氣安全性。但是，如果下限可以再擴大，催化燃燒儀器將適用于泄漏監測。這樣的儀器本質上是安全的，可以應用于泄漏點。

2.2 高性能催化燃燒傳感器

Gas-Rover是最近推出的使用催化燃燒傳感器新技術的儀器，可以測量濃度為1mg/L的天然氣。

催化傳感器下限取決于若干因素：維持傳感器在其工作溫度的電信號比；控制和測量用電子儀器的精確度；熱噪音和電子噪音水平；熱漂移與電子漂移，以及環境條件（主要為溫度和濕度）的影響?？偟膩碚f，各種來源的噪聲或干擾誤差等同于約100mg/L天然氣（甲烷）產生的信號，從而確定了催化傳感器的下限。測試靈敏度為濃度1mg/L的甲烷要求對誤差和噪聲扣除或精確補償。

環境（溫度、濕度）是影響傳感器的主要因素，只是它們影響媒介（空氣），而不直接影響傳感器。由于這些影響因素與傳感器的表面性質無關，但仍需通過使用一對載體催化傳感器珠（1個活性珠和1個非活性珠）補償，并參照非活性載體催化傳感器珠進行測量。這一原理已在多數現有設備中使用，但是上述設備現有的一般應用技術難以滿足傳感器所需配套技術。

噪音和漂移電子源是可監控的，甚至用帶有現代化的集成電路和其他電子元件的手持式測試儀就可實現。

熱漂移和自然對流的影響較難監控。在儀器使用時，通常會因傳感器腔的加熱產生熱漂移。大部分而并非所有此類漂移可以通過串聯使用2個載體催化傳感器來進行補償，其余漂移可以使用現有的納米技術通過載體催化傳感器將影響減到最小，最大化反應信號，最小化物理尺寸。

最后，現代微型處理器可用于生成和利用先進的信號處理程序去除熱噪聲和漂移的影響。數據處理結合新型催化劑構造，可以達到傳感器所需的精度和準確度。

時下生產的高性能催化燃燒傳感器可以監測濃度最高達1000mg/L的甲烷，此范圍內響應是線性的，實際在2.5×104mg/L（50%LEL）的范圍內都是呈線性的。該傳感器的響應是可再生和可逆的。

3 泄漏檢測的需求

3.1 步行巡檢泄漏

步行的操作者在沿直線移動時將測試大約0.5s周期的地點。因此一個設計良好的催化燃燒傳感器，必須對持續0.5s的氣體輸入作出反應。

當輸入50mg/L的氣體持續時間從0.5～1.5s時，即使是只持續0.5s的氣體樣品，儀器也有強烈的反應。由于步行巡檢的收集系統以10mL/s脈動，并有約7.5s的“滯”量，在輸入和信號之間有0.75s的平均延遲。雖然這是一個明顯的延遲，但在實踐中，它對定位一個剛采集到的信號沒有意義。

3.2 卡車巡檢泄漏

典型的收集系統由2