天然氣站場露天區域可燃氣體泄漏檢測技術研究

田野 潘誠 陳海艷

1國家管網集團西部管道有限責任公司2中國石油塔里木油田公司

與站外長輸管道相比，天然氣站場的設備設施多，工藝流程復雜，焊接和密封點分布高度集中，更容易發生泄漏事件[1-8]。站場天然氣一旦泄漏，小則影響生產運行，大則發生火災、爆炸等惡性事故，造成人員傷亡和環境污染。根據GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》中6.1.6 要求：“天然氣凝液和液化石油氣廠房、可燃氣體壓縮機廠房和其他建筑面積≥150 m2的甲類火災危險性廠房內，應設可燃氣體檢測報警裝置。天然氣凝液和液化石油氣罐區、天然氣凝液和凝析油回收裝置的工藝設備區應設可燃氣體報警裝置。其他露天或棚式布置的甲類生產設施可不設可燃氣體檢測報警裝置。”目前，天然氣站場的壓縮機廠房都安裝有固定點式可燃氣體探測器，未布置露天區域可燃氣體檢測設施，露天區域的可燃氣體泄漏主要依靠人工巡檢。

隨著區域化運維建設的不斷推進，現有的天然氣站場將逐漸形成無人站或少人站，采用人工定時巡檢的方式已不能滿足區域化運維的管理需求。同時，在站場的非巡檢時段，若天然氣泄漏不能及時報警，或將引發十分嚴重的后果。因此，有必要研究天然氣站場露天區域可燃氣體泄漏的實時和有效檢測技術，提高應急處置效率，完善油氣站場在線感知體系，為智能管道、智慧管網建設提供技術支持。

1 可燃氣體泄漏檢測技術分析

常用可燃氣體泄漏檢測技術主要利用泄漏氣體的理化特性和泄漏時產生的各種信號，采用催化、紅外[9]、激光[10-11]、光纖、壓力監測、聲波[12]等手段實現泄漏檢測。按照安裝方式不同，可以分為固定點式、對射式和云臺式三種。各類技術性能指標對比見表1。

表1 各類泄漏檢測技術比對分析Tab.1 Comparison and analysis of various leakage detection technologies

固定點式可燃氣體探測器的探測原理主要采用紅外吸收和催化燃燒兩種檢測方式，只有在探測器布置點周圍形成一定濃度的天然氣聚集才能實現有效檢測，天然氣站露天工藝裝置區面積大，且存在沙塵、雨雪、風等自然干擾，可燃氣體不易產生聚集，易誤報或故障報警。對于泄漏可聞噪聲檢測原理的探測器，由于容易受到可聞背景噪音的影響，尤其是風聲和雨聲等露天環境常見的噪音會造成頻繁誤報。對于光纖振動原理的探測器，由于安裝時會破壞所監測管道的防腐層，且工程量較大，經濟性較差。實踐證明，露天區域可燃氣體泄漏檢測應用效果較好的有開路式激光可燃氣體探測、超聲氣體泄漏探測、云臺掃描式激光可燃氣體探測。

1.1 開路式激光可燃氣體探測

開路式激光探測器目前主要有兩種結構形式，一種為發射端和接收端單獨設置的探測器結構形式，另一種為發射端和接收端一體化設計+反光板的探測器結構形式。兩種結構形式探測器分別如圖1 和圖2 所示。一般開路式激光原理探測器的量程為0～1 LEL · m，其一級報警濃度為0.2 LEL·m，二級報警濃度為0.4 LEL·m，檢測的最小精度可以達到2×10-6m，需要定期進行設備功能檢查和標定。

圖1 發射端+接收端探測器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of transmitting end+receiving end of the detector

圖2 發射端和接收端一體化+反光板探測器結構示意圖Fig.2 Structural diagram of integrated transmitter and receiver+reflector of the detector

開路式激光探測器是基于可調諧激光光譜吸收（TDLAS）原理而研發的一款新型氣體傳感器，通過氣體的分子吸收波長，且不同氣體分子之間具有互不干擾的波長吸收特性，對目標氣體的濃度進行測量。開路式激光探測器由發射端和接收端組成，當泄漏的天然氣氣體（主要成分為甲烷）經過檢測激光光路時，甲烷分子會吸收特定波長的光，且對光的吸收量與甲烷氣團的厚度和濃度成比例。根據接收端接收到的光束變弱的程度，就可以測得發射端和接收端之間的甲烷氣體濃度。

采用發射端+接收端單獨設置的探測器結構形式時兩個設備之間的激光光路需要較高的對中要求，施工難度較大，但最大檢測距離可達120 m；采用發射端和接收端一體化+反光板探測結構形式時，施工難度較小，安裝便捷，最大檢測距離為100 m。當采用開路式激光探測器作為檢測手段時應優先選用發射端和接收端一體化+反光板的結構形式設備。

開路式激光探測器受天然氣泄漏后氣體云走向影響嚴重，必須保證激光路徑內出現氣體云才能激發探測器報警裝置。根據現場應用測試和模擬計算結果可知，當測量＞200×10-6的天然氣泄漏，探測器的最大橫向覆蓋距離為35 m，開路式激光探測器響應時間在4 s 左右，誤差在5%以內，在日照、有色薄膜、透明薄膜、雨天、沙塵、鏡頭污染等的影響下不影響其探測性能，對中偏差小于0.5°角時能發揮正常的探測效果。

開路式激光探測器每年應進行一次功能測試，可采用設備廠家提供的標準樣氣裝置進行現場測試。將標準樣氣與探測器的檢測數值進行比對：當探測器顯示數值與標準樣氣數值偏差≤0.01%F.S（線性度）時，探測器的檢測精度和示值偏差滿足測試要求，可繼續使用；當示值偏差大于＞0.01%F.S 時，則探測器的偏差不滿足測試要求，需對探測器進行重新校準，校準合格后方可繼續使用。

1.2 超聲氣體泄漏探測器

超聲探測器是通過一種捕獲超聲波泄漏信號用于工業領域泄漏檢測、氣密性檢測和預測性維護的設備。當輸氣管道內壓強高于外部壓強時，由于內外壓差較大，一旦發生泄漏，氣體就會從漏孔沖出，漏孔尺寸較小且雷諾數較高時，沖出氣體就會形成湍流，湍流在漏孔附近會產生超聲波。由于泄漏產生的超聲波是高頻短波信號，其強度隨著聲源距離的增加而迅速衰減。利用這個特征，即可判斷出泄漏的大概位置。超聲波氣體泄漏檢測器即通過對泄漏聲音中超聲波部分聲波的探測、采集和分析來對管道泄漏做出報警。

超聲探測器對環境背景噪聲影響非常敏感，其中超聲（20～100 kHz）背景噪聲的大小直接影響泄漏監測設備的選型和有效覆蓋面積。按照聲壓等級，背景噪聲分為高背景噪聲、中等背景噪聲、低背景噪聲3 類，背景噪聲的分類推薦按照表2 進行。

表2 背景噪聲等級劃分Tab.2 Classification of background noise level

實際應用測試發現，超聲氣體泄漏探測器泄漏響應時間在1 s 以內，在探測距離內均能較好地探測到低壓（1 MPa）、高壓（10 MPa）以及更小孔徑的泄漏，測試初期有少量誤報，但隨著測試的進行，誤報率逐漸降低。

超聲氣體泄漏探測器每年應進行一次功能測試，可采用設備廠家提供的背景噪音檢測設備與超聲氣體泄漏探測器的數值進行現場比對。當數值偏差≤1 dB 時，超聲氣體泄漏探測器的檢測精度和示值偏差滿足測試要求，可繼續使用；當示值偏差＞1 dB 時，則探測器的偏差不滿足測試要求，需對探測器進行重新校準，校準合格后方可繼續使用。

1.3 云臺掃描式激光可燃氣體探測器

云臺掃描式激光探測器是是基于光譜吸收原理，對特征氣體濃度進行實時在線監測的儀器設備。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，到達反射面（氣體管道、天花板、墻體、地板、地面等）并被反射回激光探測器。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，特征氣體濃度越高，吸收量越大，激光探測器將監測到激光強度的變化并反饋至單片機控制電路進行處理，最終由信號輸出電路將濃度結果傳輸出去。其主要用于遠程測量甲烷和含甲烷氣體的濃度。通過將一束激光指向檢測點，測量檢測點的可燃氣體濃度，并通過攝像頭顯示現場畫面。其檢測原理見圖3 和圖4。

圖3 云臺掃描式探測器原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the principle of PTZ scanning detector

圖4 云臺掃描式探測器掃描軌跡示意圖Fig.4 Schematic diagram of PTZ scanning detector scanning track

云臺掃描式激光探測器具有預置點和巡檢軌跡兩種自動巡檢方式。預置點巡檢方式為探測器自動依次對各預置點進行定點檢測，可設置定點檢測的時長，預置點最大可設置為1 000 個，并能夠通過軟件手段有效控制機械傳動誤差，確保預置點與實際巡檢點的一致性；巡檢軌跡方式可以將軌跡設置為自由曲線，探測器自動、精確地沿軌跡進行連續檢測。

實際應用測試發現，設備響應時間＜1 s，在夜間、陰天和晴天下的探測極限距離差距較大。晴天正午探測極限距離＞25 m。陰天條件下探測極限距離＞45 m，約為100 m 左右，在該距離下示值存在較大的誤差，約為20%左右；而50 m 以內的探測則示值誤差小，約在5%以內。將其布置在較高位置，可實現蒸氣云高度方向上的全覆蓋。

云臺掃描式激光可燃氣體探測器的檢驗測試要求與開路式激光探測器一致。

2 可燃氣體檢測技術要求和配置方案

英國安全與健康執行局按照可能會引起潛在災害的程度，將泄漏率分為3 個等級。泄漏率在0～0.1 kg/s 為微量泄漏；泄漏率在0.1～1 kg/s 為中型泄漏；泄漏率在1 kg/s 以上為大量泄漏。并明確了0.1 kg/s 的臨界微量泄漏標準為4 mm（0.16 in）泄漏孔徑和45 bar 泄漏壓力。

為兼顧可靠性和可行性，天然氣站場露天區域可燃氣體探測器的選擇應能滿足天然氣泄漏率在中型泄漏及大型泄漏的檢測與報警。同時，還應能滿足一定微量泄漏量的天然氣泄漏檢測。

開路式激光探測器在開放式工藝裝置區的檢測效果受風向影響嚴重，應采用漏報率最低的邊界式布置方案，但采用該方案時單個工藝區需設置4 臺探測器，經濟性大幅降低。

超聲探測器用于露天工藝區泄漏檢測不受惡劣天氣的影響，對一定天然氣泄漏量具有及時、有效的檢測優勢。由于其探測半徑為15 m，所以針對較大的工藝裝置區需要設置多臺設備才能實現檢測半徑內有效的覆蓋。根據應用測試和超聲探測器的特點，超聲探測器由于采用超聲測量原理，具有響應時間短、抗環境干擾能力強等特點，適用于氣體不宜聚集開放性區域，但探測器宜受調節閥節流工況、氣動執行機構開關閥排氣、站場放空等可發出超聲噪音等工況的影響而產生一定的誤報率，通過設置延遲報警時間可有效降低誤報率。天然氣站場中長時間產生超聲噪音的設備主要為壓力或流量調節閥，由于超聲聲強值隨距離的增大而減小，為保證設備的探測半徑，減少誤報率，超聲探測器布置位置距調節閥的直線距離應≥3 m。

云臺式激光探測器采用主動探尋的激光檢測原理，可適用于開放式區域的天然氣泄漏檢測。云臺式激光探測器精度高，可測量微量泄漏。為保證微量泄漏檢測的精度，探測器的掃描路徑應盡量靠近泄漏源上方1～2 m。由于激光光束無法穿透遮擋物，當站場工藝管道布置高低錯落且數量較多時，不宜選擇云臺式激光探測器。結合現場應用測試結果，當泄漏點與探測器之間的距離大于50 m 時，探測器示值和標準氣數值之間偏差較大，為保證探測器的測量精度及響應時間，最大探測半徑應≤70 m。

3 結論

（1）對于易發生大風天氣的天然氣站場開放式工藝裝置區，微量的天然氣泄漏后不宜形成氣體云。采用激光對射式可燃氣體探測器受風向影響存在一定的漏報；云臺掃描式激光可燃氣體探測器在大風環境下天然氣泄漏檢測效果較差；超聲氣體泄漏探測器對于微量泄漏檢測效果較差，但針對中型及以上泄漏檢測效果較好，且不受風速影響。

（2）一般天然氣站場露天區域可燃氣體泄漏檢測推薦采用云臺掃描式激光可燃氣體探測器，其中大風環境的站場露天區域可燃氣體泄漏檢測采用云臺掃描式激光可燃氣體探測器和超聲氣體泄漏探測器結合的方式；對于壓縮機廠房內可燃氣體泄漏檢測采用開路式激光可燃氣體探測器；對于壓縮機廠房地下管溝可燃氣體泄漏檢測可采用固定式紅外可燃氣體探測器。

（3）云臺式激光探測器建議選擇自動巡檢模式，設置的預定軌跡應根據季節或時間段的泄漏特點進行自動切換。