激光甲烷泄漏自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)在燃?xì)鈴S站的應(yīng)用

馬季林

(天津?yàn)I海燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司， 天津 300456)

天然氣廠站受到多種因素的影響，存在燃?xì)庑孤┑娘L(fēng)險(xiǎn)[1]。燃?xì)庑孤?huì)給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失，還可能引起火災(zāi)爆炸事故，造成人員傷亡，產(chǎn)生不良社會(huì)影響。因此，在天然氣廠站采取應(yīng)對(duì)泄漏的安全措施，安裝探測(cè)設(shè)備非常必要。

1 天然氣廠站泄漏巡檢中存在的問題

泄漏監(jiān)測(cè)設(shè)備技術(shù)落后。大多廠站使用擴(kuò)散式可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)設(shè)備，原理是被檢測(cè)區(qū)域的氣體隨空氣的自由流動(dòng)緩慢地流入設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，屬于被動(dòng)式檢測(cè)。這種方式受環(huán)境溫度、風(fēng)速等檢測(cè)條件影響，不適合壓力較低的氣源，也不能定位泄漏位置。泄漏監(jiān)測(cè)設(shè)備和視頻監(jiān)視系統(tǒng)各自獨(dú)立，信息不能有效融合和利用。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平低，主要依賴人工巡檢，人力成本高[2]。人工沿地面路徑巡檢存在盲區(qū)，另外還存在個(gè)體間責(zé)任心差異問題，巡檢的實(shí)際效果差。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，激光甲烷泄漏自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效解決上述問題。

2 系統(tǒng)的工作原理和性能特點(diǎn)

① 激光甲烷泄漏自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)原理

激光甲烷泄漏自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)。激光甲烷遙測(cè)儀發(fā)射出的激光通過天然氣氣團(tuán)時(shí)，甲烷氣體會(huì)對(duì)該激光產(chǎn)生吸收，吸收后的激光通過在實(shí)體壁面漫反射后被探測(cè)器接收，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和處理得出甲烷體積分?jǐn)?shù)。激光甲烷遙測(cè)儀工作原理見圖1。圖1中，甲烷體積分?jǐn)?shù)與氣團(tuán)厚度的乘積記為甲烷柱體密度，單位為“10-6·m”，甲烷柱體密度是甲烷激光遙測(cè)儀的性能參數(shù)。

圖1 激光甲烷遙測(cè)儀工作原理

TDLAS探測(cè)甲烷氣體具有對(duì)被檢測(cè)氣體的唯一性，即只對(duì)甲烷氣體有效，因此不受非被測(cè)氣體和環(huán)境干擾，結(jié)果準(zhǔn)確。激光甲烷遙測(cè)儀技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 激光甲烷遙測(cè)儀技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

② 激光甲烷泄漏自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

激光甲烷泄漏自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)云臺(tái)和防爆控制箱、系統(tǒng)控制柜和工作站(含顯示器)4部分組裝成，架構(gòu)見圖2。

圖2 激光甲烷泄漏自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測(cè)云臺(tái)包含用于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的攝像機(jī)、實(shí)時(shí)檢測(cè)泄漏甲烷體積分?jǐn)?shù)的激光甲烷遙測(cè)儀。防爆控制箱將監(jiān)控視頻和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，由光纖傳輸至控制柜。控制柜與前端設(shè)備通過光纖連接，可獲取每個(gè)監(jiān)測(cè)器的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和角度信息(外接電腦可監(jiān)控視頻)，可以進(jìn)行監(jiān)控、產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)、指出報(bào)警點(diǎn)、記錄數(shù)據(jù)。

③ 系統(tǒng)控制與報(bào)警

根據(jù)廠站巡查需要可以設(shè)置不同的自動(dòng)巡查模式，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行巡查記錄。工作站實(shí)時(shí)讀取監(jiān)測(cè)云臺(tái)甲烷柱體密度數(shù)據(jù)，并判斷是否超過報(bào)警值，超過則自動(dòng)報(bào)警，蜂鳴器鳴叫、 LED 燈閃爍。

④ 工作站顯示器界面及監(jiān)測(cè)云臺(tái)功能

工作站顯示器實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)情況和所在位置的甲烷柱體密度，報(bào)警時(shí)，顯示甲烷柱體密度數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于隨時(shí)回放查看。為使工作人員能夠隨時(shí)查看監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)的情況，軟件可控制監(jiān)測(cè)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向及調(diào)節(jié)攝像機(jī)焦距。

監(jiān)測(cè)云臺(tái)采用高精密的步進(jìn)電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)間隙很小，避免傳統(tǒng)齒帶傳動(dòng)不準(zhǔn)確、壽命低、效率低的缺點(diǎn)。定期能自動(dòng)校準(zhǔn)，在巡航過程中消除了累計(jì)誤差，保證預(yù)置點(diǎn)定位準(zhǔn)確。攝像機(jī)選用30倍光學(xué)變焦300×104像素ICR日夜型網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)。

監(jiān)測(cè)云臺(tái)主要功能有巡航掃描、守望、自動(dòng)巡航、自動(dòng)巡跡、自動(dòng)線掃、自校準(zhǔn)原點(diǎn)、預(yù)置點(diǎn)間速度調(diào)節(jié)、預(yù)置點(diǎn)停留時(shí)間調(diào)節(jié)等。可對(duì)音頻異常偵測(cè)、移動(dòng)偵測(cè)、視頻遮擋、網(wǎng)線斷、IP地址沖突、存儲(chǔ)器滿、存儲(chǔ)器錯(cuò)、非法訪問等智能報(bào)警。

3 系統(tǒng)在天津塘沽燃?xì)忾T站的實(shí)踐

天津塘沽燃?xì)忾T站年供氣量約1.7×108m3/a,負(fù)責(zé)為濱海新區(qū)核心區(qū)等地區(qū)提供可靠的燃?xì)獗Ｕ稀＜す饧淄樾孤┳詣?dòng)遙測(cè)系統(tǒng)在天津塘沽燃?xì)忾T站的安裝位置見圖3，設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)見圖4。監(jiān)測(cè)云臺(tái)和防爆控制箱安裝在儲(chǔ)氣井區(qū)，控制柜和工作站安裝在綜合辦公樓內(nèi)的調(diào)度中心。手動(dòng)操作控制監(jiān)測(cè)云臺(tái)界面見圖5。可以人為選擇需要巡視的管線設(shè)備，通過在顯示器選擇需要巡視的管道，根據(jù)顯示器上的軟件顯示框很方便地知道此處的甲烷參數(shù)是否超限，從而判斷出該管道是否泄漏。

圖3 系統(tǒng)在天津塘沽燃?xì)忾T站的安裝位置

圖4 設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)

圖5 手動(dòng)操作控制監(jiān)測(cè)云臺(tái)界面

設(shè)計(jì)自動(dòng)巡查線路，將需要重點(diǎn)巡查的位置設(shè)置停留5 s，使激光照射在這個(gè)位置有充分的時(shí)間探測(cè)，避免遺漏。

共計(jì)設(shè)置455個(gè)重點(diǎn)巡查位置，包括所有閥門、接頭、儀表等易泄漏點(diǎn)。從當(dāng)前預(yù)置點(diǎn)距離下一個(gè)預(yù)置點(diǎn)，監(jiān)測(cè)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)置為中間速度，預(yù)置點(diǎn)停留時(shí)間設(shè)置為5 s，兼顧查詢效率與監(jiān)測(cè)云臺(tái)壽命。

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，巡查一次耗時(shí)為38 min。到夜間，攝像機(jī)在感知到外界光線較弱時(shí)，自動(dòng)切換到夜間模式，系統(tǒng)可以不間斷連續(xù)工作。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，全天24 h，一共系統(tǒng)巡檢38次。人工巡檢受制于環(huán)境、管理、人為等各種因素，一天可以巡檢2次。全自動(dòng)巡檢，與人工巡檢相比，提高了巡檢效率。

4 結(jié)語

激光甲烷泄漏自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)是一種廠站泄漏監(jiān)測(cè)的新技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，將視頻監(jiān)控技術(shù)與激光甲烷泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)融合，與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控方法相比由間接推斷變?yōu)橹苯有孤┍O(jiān)測(cè)，提高了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的水平，可為未來燃?xì)庵腔蹚S站的建設(shè)發(fā)揮重要的作用。