激光式可燃氣體探測器在天然氣站場的應用

劉廣瀠

(中國石油西部管道 甘肅輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730000)

天然氣站場可燃氣體泄漏檢測過程中，傳統檢測技術主要采用催化燃燒式、點式紅外吸收型可燃氣體探測器；現場巡檢采用便攜式可燃氣體探測器。傳統的檢測方式受環境影響和應用場所的限制，檢測效果和檢測精度均不理想，無法做到實時、高精度的天然氣泄漏監測。

本文在闡述傳統可燃氣體泄漏檢測技術的基礎上，分析了傳統檢測技術存在的問題，并介紹了激光式可燃氣體探測器的檢測原理、系統構成、系統功能以及現場應用效果，為天然氣站場管道泄漏檢測提供參考。

1 傳統可燃氣體泄漏檢測技術

1.1 催化燃燒式可燃氣體探測器

催化燃燒式可燃氣體是利用催化燃燒的熱效應原理，由檢測元件和補償元件配對構成測量電橋，在一定溫度條件下，可燃氣體在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發生無焰燃燒，導致載體溫度升高，通過它內部的鉑絲電阻也相應升高，從而使平衡電橋失去平衡，輸出1個與可燃氣體體積分數成正比的電信號。通過測量鉑絲的電阻變化的大小，就可測量出可燃性氣體的體積分數。

催化燃燒式傳感器屬于高溫傳感器，檢測元件是在鉑絲線圈上包裹氧化鋁和粘合劑形成球狀，經燒結而成，其外表面敷有鉑、鈀等稀有金屬的催化層，當電流通過鉑絲時，可使檢測元件溫度保持在300～400 ℃，此時若與甲烷氣體等可燃氣體接觸，甲烷就會在催化劑層上燃燒，燃燒的實質是元件表面吸附的甲烷與吸附的氧離子之間的反應，反應完成后生成CO2和H2O析出。

甲烷在催化劑層上燃燒是放熱過程，因此燃燒產生的熱量使鉑絲線圈的溫度升高，線圈的電阻值也將上升，導致催化燃燒式可燃氣體探測器的輸出電壓信號也相應地發生變化，該電壓信號的大小與可燃氣體的體積分數成正比例關系。

1.2 點式紅外吸收型可燃氣體探測器

點式紅外吸收型可燃氣體探測器基于不同氣體分子對紅外光譜的吸收特性，根據朗伯-比爾定律，利用氣體體積分數與吸收強度的關系，用于檢測氣體的體積分數。該傳感器采用光譜分析技術，對氣體的檢測僅依靠被測氣體對特定紅外光的吸收特性，是一種固有的物理特性，沒有介質的反應過程，因此該方法是對氣體進行定性、定量分析的重要依據。

天然氣泄漏時受外界環境影響，擴散范圍較大，而傳統的天然氣泄漏檢測通常采用點式探測器，該點式探測器只有在相對密閉的環境中，當天然氣泄漏達到一定濃度或泄漏量較大時，才能檢測到報警信號。因此，傳統可燃氣體泄漏檢測技術不適用于天然氣站場室外工藝區的泄漏檢測。

2 激光式可燃氣體探測器

2.1 工作原理

激光式可燃氣體探測器基于光譜吸收原理，利用被檢測可燃氣體對特定波長的光譜具有吸收作用，通過吸收的光譜來確定氣體的體積分數。由于不同氣體對光譜吸收存在差異性，且同一氣體對光譜的吸收隨氣體體積分數的增加而增大。當被檢測區域內發生可燃氣體泄漏時，發射器發出的光譜被可燃氣體吸收，使經過反射面到達接收端的相關光譜強度減弱，通過探測器內部光學元件對吸收的光譜強度進行測量，并轉換成相應的氣體體積分數值，當計算出的氣體體積分數值達到探測器報警動作閾值時，探測器輸出報警信號。

2.2 檢測方法

激光式可燃氣體探測器對特征氣體的體積分數進行實時在線監測，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，到達背景反射面(漫反射)后，再次被反射回該探測器。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，特征氣體的體積分數越高，光的吸收量越大，該探測器將監測到的激光強度的變化反饋至單片機控制電路進行處理，最終由信號輸出電路將測得的氣體體積分數傳輸出去。激光式可燃氣體探測器檢測過程如圖1所示。

圖1 激光式可燃氣體探測器檢測示意

2.3 功 能

2.3.1 超前預警

與傳統的催化燃燒式或點式紅外吸收型傳感器相比，激光式可燃氣體探測器具有響應時間短、檢測精度高等特點，真正實現了可燃氣體微泄漏的檢測水平，在天然氣管道發生微泄漏或管道發生較大泄漏擴散的起始階段即可進行預警，并且解決了管道閥門、法蘭等部位長期存在的微泄漏無法量化監測的難題。

2.3.2 監測可視化

激光式可燃氣體探測器借助云臺賦予的三維立體掃描功能，真正意義上實現了點、線、面相結合的空間監測，可通過3Dmax以及AutoCAD等設計軟件對天然氣站場內主要設施進行三維建模，將其位置信息數字化，同時分析管道設備的泄漏擴散規律，用于設置最優的巡航掃描路徑，實現了站場內設備分布信息的可視化及天然氣組分體積分數空間分布的可視化。

3 結束語

在西氣東輸二線西段某壓氣站壓縮機廠房和某閥室對激光式可燃氣體探測器進行了試用，并分別測試了風速、水汽、氣體體積分數對設備檢測效果的影響，與現場安裝的點式紅外吸收型可燃氣體檢測效果進行了比對，得出以下結論：

1)天然氣站場廣泛使用的點式紅外吸收型可燃氣體探測器受外界環境影響較大，無法檢測微量可燃氣體泄漏和室外工藝區的天然氣泄漏檢測。

2)激光式可燃氣體探測器受風速、水汽等外界環境的影響較小，可實現空廓區域內天然氣的泄漏檢測，同時室外工藝區的泄漏檢測效果較好。

3)激光式可燃氣體檢測技術是近幾年新興的技術，雖然現場應用效果較好，但目前關于該類產品的相關技術標準還不健全，期待檢定規程等相關標準早日頒發，供現場使用有據可查。