云臺天然氣管道泄漏檢測儀影響因素分析

王瑋奇，王春楠，李 向

(1.上海儀器儀表自控系統檢驗測試所有限公司，上海 200233；2.上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

目前，國際上主要采用點型可燃氣體探測器探測可燃氣體泄漏情況。在實際應用中發現,該探測器存在壽命短[1]、易中毒、探測面積小等缺陷，因此，一般只限于在應用現場重點位置安放。激光原理探測器抗干擾能力強，具有氣體吸收單一選擇性和防爆等方面的優勢[2-3]，探測距離一般能達到70 m；與傳統探測器相比，具有布放數量少、節約采購成本和安裝維護成本等優點。為了驗證云臺氣體泄漏檢測儀的可靠性，設計了激光原理泄漏檢測儀的論證試驗，并分析評定了檢測儀的測量不確定度,對其影響因素進行分析評價。

1 激光原理泄漏檢測特點

1.1 檢測原理

云臺天然氣管道泄漏檢測儀基于大氣傳輸理論中的本征譜帶吸收原理,即伯朗-比爾定律(又稱光的吸收定律)。該定律表明：一束單色光通過某一氣體后,由于氣體吸收了一部分能,光的強度就要減弱。若氣體濃度不變,則氣體的厚度越大,即光在氣體中所經過的途徑越長,光的強度減弱也越顯著[4]。泄漏檢測儀的主要檢測器的工作方式是發射一束穿過環境中的氣體，并且在另一端進行接收。發射器與接收器之間的距離即為光程。伯朗-比爾定律用式(1)表示:

Id=Ioe-Clk

(1)

式中:Id為氣體吸收后的光強;Io為氣體吸收前入射光強;C為氣體濃度;l為光路長度;k為波長相關系數。

從式(1)可看出,當光路長度l一定時,Id與氣體濃度C有關。只要知道Id,即可求得氣體濃度C。

具有多原子結構的可燃氣體分子能引起強烈的光譜吸收,并且都具有各自固定的本征吸收譜帶。云臺天然氣管道泄漏檢測儀利用可燃氣體的本征譜帶吸收特征。該探測器核心部件由發射器和接收器兩部分組成,在環境大氣中選擇一條吸收光譜線頻率位置，并選擇發射頻率范圍與之對應的激光二極管。調節溫度后，確定激光位于中心的頻率，并且通過注入一些低頻率鋸齒波的電流促進激光頻率對整條吸收譜線的掃描，從而獲得環境氣體的“單線吸收光譜”數據。吸收光譜中的“單線”特性在一定程度上避免了背景氣體組分對于被檢測環境氣體交叉形式的吸收干擾[5]，從而保證了測量準確性。在理論上,可以證明該波段光強的變化量取決于泄漏可燃氣體的體積百分比濃度(LEL)與該氣體所占光路長度(m)的乘積[6]。

1.2 激光原理泄漏檢測優點

①高選擇性。由于分子光譜的“指紋”特征，高分辨率的光譜技術使其不受其他氣體的干擾。這一特性與其他的技術相比具有明顯的優勢[7]。

②通用性。它是一種對所有在紅外有吸收的活躍分子都有效的通用技術。同樣的儀器只需要改變激光器和標準氣，即可改裝成測量其他氣體組分的儀器。這個特點亦可同時改善超聲波技術檢測誤報率高的缺點。

③高靈敏度[8]。其時間分辨率一般在ms量級。

2 測試方案及因素分析

2.1 試驗初始設置說明

進行試驗前，云臺報警值設置為50×10-6mol/mol，并利用云臺攝像頭對現場測試進行監控。將氣袋沿檢測激光可以覆蓋的路徑上放置，放置區域應距離云臺約20 m，利用指示激光進行檢測點位的定位。當設備檢測到甲烷氣體泄漏時，指示激光會自動打開提示，同時云臺停止轉動，由設備對濃度值進行測試顯示。濃度應包含1 000×10-6mol/mol或者更高濃度。

2.2 試驗方法說明

通過控制變量法，對以下泄漏檢測儀的參數分別進行測量試驗[9]。

(1)響應時間測量。當云臺沿設定軌跡運行到分離區附近時，將云臺暫停，打開指示激光，在現場標記該點位。將充滿1 000×10-6mol/mol濃度的標準甲烷氣體放置在距離云臺大約20 m的區域，云臺激光直接對準氣體區域，記錄上位機軟件接收到濃度的時間。連續測量接收時間3次，其平均值即為系統響應時間t。

(2)掃描周期測量。將云臺設置為自動巡檢模式，并將充滿1 000×10-6mol/mol濃度的標準甲烷氣體的氣袋放置在響應時間測量所確定的點位處。當云臺掃描到該點位時，云臺停止轉動，記錄該時刻T1。使云臺繼續運行，當下一時刻云臺停止在該點位時，記錄該時刻T2。則ΔT=T2-T1即為設備周期響應時間。

(3)準確度測量。將云臺設置為自動巡檢模式，并將充滿1 000×10-6mol/mol濃度的標準甲烷氣體放置在之前所確定的點位處，利用遮光板擋住氣袋。當測試開始后，移開遮光板使檢測激光可以照射在氣袋上。待濃度數據穩定后，記錄上位機軟件濃度數據，計算誤差。

(4)重復性測量。將云臺設置為自動巡檢模式，并將充滿1 000×10-6mol/mol濃度的標準甲烷氣體的氣袋放置在之前所確定的點位處。待濃度數據穩定后，記錄上位機軟件10組濃度數據得其平均值，計算重復性S。重復性的條件包括：①相同的測量程序；②相同的操作者；③相同的測量系統；④相同的操作條件和相同的地點；⑤在短時間內重復的測量[10]。重復性計算公式用式(2)表示。

(2)

(5)極限距離測量。云臺設置為手動巡檢模式，并將充滿50×10-6mol/mol和1 000×10-6mol/mol濃度的標準甲烷氣體的氣袋固定某一區域，由近及遠地手動控制云臺，使檢測激光照射在氣袋上。該測試能讓上位機軟件顯示有效濃度值時的最大探測距離L。

3 現場測試

3.1 樣品準備

此次試驗準備兩臺不同廠家、不同型號、相同技術指標的樣品，分別標記為樣品甲和樣品乙。

3.2 響應時間測量

當距離為20 m時，響應時間測量數據如表1所示。

表1 響應時間測量數據

3.3 掃描周期測量

當距離為20 m時，掃描周期測量數據如表2所示。

表2 掃描周期測量數據

樣品甲和樣品乙的報警響應時間均小于1 s，而周期掃描時間均在6 min以上，說明產品從泄漏開始到最終報警所持續的時間主要取決于掃描周期，響應時間的影響足以忽略。

云臺掃描周期時間和掃描速率有關。掃描速率越快，掃描周期越短，反之亦然[11]。需按照站場泄漏時所能接受報警響應的極限值進行掃描速率設定，既滿足掃描的全面性，又滿足泄漏報警的及時性。

3.4 準確度測量

當距離為20 m、濃度值為1 000×106mol/mol時，樣品甲和樣品乙的測量誤差分別為3.3%和5.0%。

3.5 重復性測量

當距離為20 m、濃度為1 000×106mol/mol時，樣品甲和樣品乙的重復性分別為68.3×10-6mol/mol和112.3×10-6mol/mol。

3.6 極限距離測量

極限距離測量數據如表3所示。

表3 極限距離測量數據

樣品甲、樣品乙在性能(準確度)未有明顯衰減時，報警探測極限距離均大于70 m。由此可以認為，激光泄漏探測的范圍大致為半徑為70 m的半圓。

4 不確定度分析

B類不確定度主要與產品測量的基本誤差樣品甲、樣品乙名義值均為±10%)有關，滿足均勻分布時，B類不確定度大小為uB=57.7×10-6mol/mol。

合成標準不確定度：

取p=95%，當置信概率k=2時，擴展不確定度u甲=123.2×10-6mol/mol。

同理求得測試樣品乙擴展不確定度u乙=134.9 ×10-6mol/mol。

由此可見,產品測量不確定度大約是產品標稱準確度的1.23～1.34倍，說明產品示值的重復性能較為理想，讀值可靠性一般。對此，建議產品示值讀數用于參考或報警用，盡量不作為重要數值的采集使用。

泄漏探測設定閾值附近的泄漏報警情況容易受到重復性差的較大影響，存在同一疑似泄漏點，時而探測出泄漏報警，時而探測不出泄漏的概率。

5 實際泄漏報警測試應用

5.1 現場測試方法

云臺式設備安裝在分離區，高度為4.2 m。云臺前半周期正對東側的墻體掃描，可以覆蓋分離區、調壓區及計量區的所有管道，云臺距東側墻體65 m。當云臺對東側墻體掃描結束后會自動調節俯仰和水平角度，后半周期對云臺后方的管道進行掃描，一個掃描周期可以覆蓋除進站管道之外的所有管道。將設備上電運行后，安裝好監控室聲光報警器并將報警值設置為50×10-6mol/mol。準備就緒后，分別選取分離區閥門編號為PI-2201、PI-2601、PI-6102，計量區閥門編號為PI-3001、PT-3002，調壓區閥門編號為PI-5301進行放氣測試。放氣時，以較小的釋放速度，待云臺運行兩個完整周期結束后關閉閥門。若云臺運行過程中在相應放氣閥門附近出現指示紅光閃爍且云臺有停止動作，則代表檢測到該點位發生氣體泄漏。此時，查詢上位機歷史記錄，記錄濃度異常的坐標位置及響應情況。

5.2 現場測試結果

測試產品甲對于白鶴站不同工藝區典型位置的真實泄漏均有較好的報警響應。而測試產品乙在PI-2201及PI-6102區域無響應。經對比排查，兩區域反射環境較差，激光無法有效回傳。測試產品在不同區域的實際測試數據如表4所示。

表4 測試產品在不同區域的實際測試數據

由表4可知，在加入反光板后，在各區均能作出報警響應。

6 硬件軟件改進分析

與常規儀表設備相比，云臺式激光氣體探測器的可動部件為水平控制電機、垂直控制電機兩部分。電機多采用步進電機，步幅應當滿足檢測控制需求。當前測試儀器可通過提高電機轉速以縮短掃描周期的方式提高報警響應速度。

根據表4的測試數據，激光探測器逆光環境下及弱反射環境下的功能算法需要進行優化，以提高探測器檢測速度和摒除干擾因素影響。

7 結論

由以上分析可知，云臺氣體泄漏檢測儀在探測距離上有較大優勢，但是其濃度測量值的不確定度較大。站場天然氣泄漏危險的根本原因是較高的泄漏率非常容易達到爆炸濃度，而低泄漏率易于被流動的空氣稀釋，危險程度較低。因此，云臺天然氣管道泄漏檢測儀在使用中能有較好表現。