一種掃描式可視化氣體微泄露實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉順利 姜鵬 祖龍起

摘 要：為了提高天然氣（主要成分為甲烷）儲(chǔ)運(yùn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，本文提出了一種掃描式可視化氣體微泄露實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)，利用PLC通過(guò)RS485接口對(duì)防爆云臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、同時(shí)將采集到的氣體濃度等信息，經(jīng)過(guò)PLC處理后利用組態(tài)軟件及其視頻系統(tǒng)掃描方式遠(yuǎn)程查看氣體數(shù)據(jù)信息，對(duì)站場(chǎng)、閥室、儲(chǔ)氣庫(kù)等生產(chǎn)操作區(qū)域的甲烷氣體濃度進(jìn)行不間斷、高精度、自動(dòng)化、可視化、遠(yuǎn)距離監(jiān)控，從而提升天然氣儲(chǔ)運(yùn)的整體安全水平。

關(guān)鍵詞：天然氣泄漏檢測(cè)；PLC；可視化掃描；組態(tài)軟件

1 前言

天然氣是一種清潔能源，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)天然氣的需求不斷增加，天然氣的存儲(chǔ)設(shè)施也越來(lái)越多，“少人站、無(wú)人站”的天然氣存儲(chǔ)發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)形成并提速；另一方面，隨著站場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間的增加，天然氣存儲(chǔ)設(shè)備與密封件的疲勞、法蘭連接點(diǎn)松動(dòng)等導(dǎo)致站內(nèi)天然氣微泄漏的事件逐漸顯現(xiàn)，這些都預(yù)示著站場(chǎng)天然氣微泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已成為生產(chǎn)運(yùn)行中亟待解決的大問(wèn)題，并關(guān)系著整個(gè)天然氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的安全。

2 本實(shí)施系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的對(duì)比

（1）目前天然氣輸送站場(chǎng)使用的氣體泄漏監(jiān)測(cè)設(shè)備普遍為固定式基于催化燃燒原理的點(diǎn)測(cè)量檢測(cè)方式。檢測(cè)原理：感應(yīng)電阻與環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生無(wú)焰燃燒，感應(yīng)電阻溫度的變化使感應(yīng)電阻的阻值發(fā)生變化，從而換算出可燃?xì)怏w的濃度。傳統(tǒng)催化燃燒原理的點(diǎn)測(cè)量檢測(cè)方式的劣勢(shì)如下：

①檢測(cè)精度低

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB15322.1-2003），點(diǎn)測(cè)式氣體傳感器的檢測(cè)誤差為5%LEL，即便如此，也只能實(shí)現(xiàn)天然氣泄漏即將達(dá)到爆炸下限前的報(bào)警，當(dāng)傳感器發(fā)出警報(bào)時(shí)，氣體泄漏已經(jīng)達(dá)到非常危險(xiǎn)的程度，給管理者的維搶修留有很少的時(shí)間及帶來(lái)極大的危險(xiǎn)隱患。

②監(jiān)測(cè)范圍小

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB50493-2015），每個(gè)點(diǎn)測(cè)式傳感器的監(jiān)測(cè)半徑不允許超過(guò)7.5m，若每個(gè)站場(chǎng)按照此標(biāo)準(zhǔn)布置并覆蓋所有的站場(chǎng)工藝裝置，需要大量的傳感器，不但需要付出大量的建設(shè)費(fèi)用，而且也給日后的保運(yùn)工作帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)。

（2）本設(shè)計(jì)提出的掃描式可視化氣體微泄露探測(cè)系統(tǒng)，采用的是激光甲烷傳感模塊，檢測(cè)原理：光譜吸收原理。由于激光的光學(xué)特性并且光譜極窄，激光檢測(cè)技術(shù)對(duì)待測(cè)氣體有唯一選擇性、精度高，可以達(dá)到ppm級(jí)。本監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了氣體微小泄漏的預(yù)警，而不是氣體泄漏達(dá)到爆炸下限的報(bào)警。

掃描式可視化氣體微泄露探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)為：

①無(wú)死角：

本系統(tǒng)采用激光式氣體檢測(cè)裝置，檢測(cè)距離為50m，安裝在防爆云臺(tái)內(nèi)部，它監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)工藝裝置。

②可視化：

本系統(tǒng)配有紅外夜視攝像頭，實(shí)現(xiàn)可視化。

3 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由3部分組成：云臺(tái)部分、控制部分、管理軟件部分。

3.1 云臺(tái)部分

由防爆云臺(tái)、激光甲烷傳感模塊、紅外夜視攝像頭3個(gè)主要部件組成。主要完成功能為：

（1）防爆云臺(tái)：使激光甲烷傳感模塊以及紅外夜視攝像頭按照程序設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)。以及隔爆等級(jí)ExdⅡCT6；防護(hù)等級(jí)IP67；殼體材質(zhì)304不銹鋼；通訊端口RS485；通訊協(xié)議PELCO-D；掃描速度：0.1°～5°/s。

（2）激光甲烷傳感模塊：檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)甲烷氣體濃度。檢測(cè)精度，對(duì)甲烷氣體測(cè)量精度達(dá)0.0005%；通訊端口RS485；通訊協(xié)議：MODBUS-RTU。

（3）紅外夜視攝像頭：采集現(xiàn)場(chǎng)視頻信息。200萬(wàn)像素；30倍光學(xué)變倍；網(wǎng)絡(luò)攝像頭。

3.2 控制部分

采用PLC控制，配有RS485接口；支持MODBUS-RTU和自由協(xié)議；

通過(guò)MODBUS-RTU協(xié)議讀取激光甲烷傳感模塊濃度及其檢測(cè)距離；通過(guò)自由協(xié)議（PELCO-D協(xié)議）控制云臺(tái)動(dòng)作及其讀取云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度等信息。配有以太網(wǎng)接口與組態(tài)軟件通信，與視頻信號(hào)一并傳給組態(tài)軟件。

3.3 軟件管理部分

采用組態(tài)軟件，將視頻信息、云臺(tái)信息、可燃?xì)怏w濃度信息。

4 云臺(tái)控制流程

控制動(dòng)作如下：step1系統(tǒng)啟動(dòng)→step2垂直軸從原點(diǎn)走到Y(jié)1點(diǎn)→step3水平軸從原點(diǎn)走到X2點(diǎn)→step4垂直軸從Y1點(diǎn)向下走Z距離→step5水平軸從X2周到X1→step6垂直軸向下走Z距離→step7水平軸從X1走到X2→step8按照step6、step5、step6、step7重復(fù)→step9垂直軸到達(dá)Y2后向上走Z距離→step10按照step6、step5、step6、step7重復(fù)→step11垂直軸到達(dá)Y1。以上為一套動(dòng)作，按照此動(dòng)作往復(fù)運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中一旦檢測(cè)到甲烷濃度高于設(shè)定濃度時(shí)云臺(tái)停止、攝像機(jī)錄像、聲光報(bào)警，復(fù)位后云臺(tái)繼續(xù)行走。

5 組態(tài)畫面

組態(tài)畫面具有顯示、報(bào)警、查詢、參數(shù)設(shè)置、打印、存儲(chǔ)等6個(gè)主要功能。

5.1 顯示功能

能夠顯示氣體濃度、報(bào)警顯示、實(shí)時(shí)曲線、探測(cè)器旋轉(zhuǎn)方向、被檢測(cè)物到傳感器的距離、現(xiàn)場(chǎng)視頻信息。

5.2 報(bào)警功能

超限或異常故障時(shí)觸發(fā)報(bào)警器聲光報(bào)警。

5.3 查詢功能

具有歷史曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警信息、報(bào)警視頻查詢功能。

5.4 參數(shù)設(shè)置

提供氣體濃度預(yù)警、報(bào)警值的設(shè)置、云臺(tái)旋轉(zhuǎn)范圍的設(shè)置，系統(tǒng)啟動(dòng)、停止、復(fù)位等功能。

5.5 打印功能

具有報(bào)表、歷史曲線、報(bào)警信息等打印功能。

5.6 存儲(chǔ)功能

對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值存盤記錄，可保存半年以上。

6 小結(jié)

本系統(tǒng)在大連艾科科技信息工程有限公司模擬實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，這一系統(tǒng)的應(yīng)用將大大提高天然氣儲(chǔ)運(yùn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]張鳳珊，祖龍起.電器控制及可編程控制器[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003.

[2]劉國(guó)志，彭英偉，伍東，等.天然氣管道完整性管理探析[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8（4）：136-141.

（作者單位：1.大連艾科科技信息工程有限公司2.大連科技學(xué)院）