董高華 趙廉斌 曹永樂 梁懌 葛淩志 馬鐵量 孟書進

摘 要 以西氣東輸工程某無人分輸站為背景，從泄漏監(jiān)測的全面性、可靠性及經(jīng)濟性等方面考慮，給出該無人站露天工藝區(qū)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，以激光云臺式產(chǎn)品為主負(fù)責(zé)區(qū)域的全面監(jiān)測，超聲波式或激光線型產(chǎn)品為輔負(fù)責(zé)重點區(qū)域監(jiān)測。最后根據(jù)現(xiàn)有方案，提出露天工藝區(qū)氣體泄漏監(jiān)測方案的進一步改進優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞 泄漏監(jiān)測 無人站 探測器 全面監(jiān)測 重點區(qū)域監(jiān)測

中圖分類號 TP216? ?文獻標(biāo)識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0383?04

作者簡介：董高華（1994-），工程師，從事長輸天然氣管道儀表自動化系統(tǒng)的研究，donggh@pipechina.com.cn。

引用本文：董高華，趙廉斌，曹永樂，等.無人輸氣站露天工藝區(qū)泄漏監(jiān)測方案優(yōu)化設(shè)計［J］.化工自動化及儀表，2023，50（3）：383-386.

GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：在生產(chǎn)或使用可燃氣體及有毒氣體的生產(chǎn)設(shè)施及儲運設(shè)施的區(qū)域內(nèi)，泄漏氣體中可燃氣體濃度可能達到報警設(shè)定值時，應(yīng)設(shè)置可燃氣體探測器。西氣東輸?shù)葒抑鞲商烊粴夤艿赖妮敋庹緢稣谥鸩皆鲈O(shè)可燃氣體探測系統(tǒng)，但在設(shè)計和實際應(yīng)用過程中還存在較多不足，需要全面分析應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問題，系統(tǒng)分析各類探測器的性能特點，對各類探測器的優(yōu)、缺點進行比較，進一步完善方案設(shè)計，及時發(fā)現(xiàn)和消除輸氣站氣體泄漏帶來的安全風(fēng)險。

1 各類探測器原理及性能介紹

傳統(tǒng)的點型可燃氣體探測器包括自由擴散式探測器、吸氣式探測器和光纖傳感式探測器。此類探測器有效探測范圍小，一般在相對密閉空間應(yīng)用，并設(shè)置在廠房最高點泄漏氣體最易聚集處，不適用于室外露天工藝區(qū)域的泄漏監(jiān)測。

線型可燃氣體探測器包括激光型和紅外線型，一般由發(fā)射器、接收器和反射器3部分組成。該類探測器適用于大面積開放空間的氣體泄漏監(jiān)測，可以監(jiān)測到探測光束上的可燃氣體云團，探測距離不超過100 m。其中，紅外線型探測器最早由英國西格公司在20世紀(jì)90年代初期推出［1］，在西氣東輸工程早期站場露天工藝區(qū)安裝，后因其受環(huán)境影響大、誤報率高及維護量大等原因，逐漸被拆除［2］。

考慮到天然氣站場工藝區(qū)域面積大，工藝設(shè)備復(fù)雜，單純的線型探測器適用于重要泄漏部位的監(jiān)測，不適用于全區(qū)域監(jiān)測。激光線型可燃氣體探測器與云臺轉(zhuǎn)動設(shè)備可組合成激光云臺式可燃氣體探測器，此類探測器以固定安裝、自動掃描的方式對工藝區(qū)域多個預(yù)設(shè)位置的甲烷濃度進行非接觸式測量，同時具備視頻實時監(jiān)控功能，可以全方位監(jiān)測氣體泄漏，定位泄漏點的大體位置［3］。相較于普通激光線型可燃氣體探測器，具有全方位面式探測的優(yōu)點［4，5］，目前廣泛應(yīng)用在天然氣站場進行泄漏監(jiān)測。

面型可燃氣體探測器采用紅外成像原理監(jiān)測，現(xiàn)場實際應(yīng)用甚少，原因主要有兩點：一是價格昂貴，單價高達數(shù)百萬元；二是穩(wěn)定性差，易受環(huán)境影響?，F(xiàn)階段不建議在露天工藝區(qū)布署［6］。

超聲波式可燃氣體探測器是近年來新興的產(chǎn)品，適合室外露天場所的高壓設(shè)備可燃氣體監(jiān)測，在天然氣站場應(yīng)用很廣泛。

綜上對比分析，建議天然氣站場露天工藝區(qū)域氣體泄漏監(jiān)測中選擇激光線型探測器、激光云臺式探測器和超聲波式探測器。

2 基礎(chǔ)資料

西氣東輸工程某無人分輸站工藝區(qū)域大小20 m×59 m?，F(xiàn)已在工藝區(qū)調(diào)壓撬旁布置了一臺超聲波式可燃氣體探測器。

一臺超聲監(jiān)測設(shè)備市場價約10萬元，探測半徑10 m。一臺激光云臺式甲烷探測器市場價約15萬元，探測半徑100 m。

3 泄漏監(jiān)測方案比選

現(xiàn)對超聲波式和激光云臺式探測器這兩種適用于在開放環(huán)境監(jiān)測的設(shè)備原理、特點和現(xiàn)場實際應(yīng)用情況進行對比分析，以某分輸站為試點，尋求一種適用于無人站的氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)最優(yōu)布置方案。

3.1 超聲波式探測器

當(dāng)露天工藝區(qū)域管道及設(shè)備發(fā)生天然氣泄漏時，會產(chǎn)生一定頻率的超聲波，探測器捕獲到超聲信號，經(jīng)過分析判斷確認(rèn)氣體泄漏情況。

超聲波式探測器具有如下特點：

a. 氣體泄漏產(chǎn)生的超聲分貝取決于氣體壓力、孔徑及角度［7］等多種因素；

b. 以4 mm、流量0.1 kg/s、介質(zhì)壓力小于1 MPa的氣體泄漏點為超聲波式探測源，超聲波式探測器的理論探測范圍約15 m。

GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于噪聲區(qū)域劃分的規(guī)定，給出了報警值和探測器離聲源的距離要求，詳見表1。

超聲波式探測器也有一些缺點需要在選用時加以規(guī)避，如：易受外界因素（蟬鳴、打雷、馬路噪聲、分輸調(diào)壓）影響，現(xiàn)有較為合適的改進做法是合理設(shè)置報警閾值，一般高于背景噪聲6 dB可有效規(guī)避大部分誤報警；同時合理設(shè)置報警延時，目前推薦站場的設(shè)置值為30 s。超聲波式探測器適用于泄漏產(chǎn)生的噪聲能顯著改變環(huán)境聲壓的場所，即高壓管線附近，所以超聲波式探測器無法監(jiān)測到管線微量泄漏的情況。

據(jù)調(diào)研，某分輸站露天工藝區(qū)氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)由一臺超聲波式探測器組成，設(shè)置于計量和調(diào)壓撬附近，主要用于對計量、調(diào)壓回路進行泄漏監(jiān)測，理論探測距離15 m。該分輸站實際背景噪聲值為57 dB，報警值設(shè)置為64 dB，但現(xiàn)場實測監(jiān)測半徑為10 m，無法覆蓋全工藝區(qū)域，不滿足整個露天工藝區(qū)域的監(jiān)測需要。

3.2 激光云臺式探測器

激光云臺式探測器是利用氣體對光譜的選擇吸收特性，激光收發(fā)裝置對外發(fā)射特定波長范圍的探測激光，該探測激光遇到如管道、閥門、地面、墻面等反射物，經(jīng)漫反射后部分激光返回到探測單元，在光路中如果存在可燃氣體云團，該云團中的甲烷成分將吸收部分探測激光，被吸收前光強與被吸收后光強的比值與氣團濃度成函數(shù)比例關(guān)系，通過計算即可得出甲烷氣體的濃度，其檢測原理如圖1所示。

激光云臺式探測器具有靈敏度高（5ppm·m（1ppm=0.001‰））、響應(yīng)時間短（0.1 s）、監(jiān)測范圍大（半徑100 m）的特點。其缺點是報警時效存在一定滯后性，只有當(dāng)系統(tǒng)掃描到特定泄漏位置附近才能發(fā)出報警。

2021年，西氣東輸管道45座站場設(shè)置了激光云臺式甲烷探測器，運行時間不長，設(shè)備性能總體良好，使用過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，如設(shè)備巡檢周期設(shè)置過長、存在誤報警、上位監(jiān)控軟件存在缺陷等。其中，巡檢周期過長問題可通過合理設(shè)置巡檢點位、巡檢速度和巡檢路線加以解決，使其巡檢周期控制在10 min以內(nèi)。對于誤報警問題，現(xiàn)階段是通過調(diào)整報警閾值，按照推薦值（高報1 000ppm·m、高高報3 000ppm·m）進行設(shè)置；通過監(jiān)控軟件設(shè)置預(yù)警監(jiān)測時間，即發(fā)現(xiàn)報警后對報警區(qū)域的上下左右進行重點掃描，當(dāng)統(tǒng)計的超預(yù)警次數(shù)超過設(shè)定值時，才確認(rèn)為甲烷超濃度報警。通過這兩種方式可有效避免誤報警。后續(xù)廠家進一步修改完善了監(jiān)測算法和監(jiān)控軟件，提高了抗干擾性，現(xiàn)場已安裝的設(shè)備后續(xù)可通過固件升級等手段進行更新。

綜上所述，超聲波式探測器和激光云臺式探測器各有優(yōu)勢，超聲波式探測器監(jiān)測及時性好，不受風(fēng)速影響；激光云臺式探測器能監(jiān)測到微量泄漏情況，覆蓋范圍大。

4 優(yōu)化方案

4.1 增設(shè)超聲波式探測器方案

基于現(xiàn)有的氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)布置情況，如需全面監(jiān)測工藝區(qū)域設(shè)備，至少增加兩臺超聲波式探測器。這樣設(shè)計的優(yōu)點是監(jiān)測及時性較好，不受大風(fēng)天氣影響；缺點是無法進行微量氣體泄漏監(jiān)測；現(xiàn)場施工量大。

4.2 增設(shè)激光云臺式甲烷探測器方案

如采用激光云臺式甲烷探測器作為某分輸站工藝區(qū)域泄漏監(jiān)測設(shè)備，應(yīng)當(dāng)避免將探測器安裝在進出站區(qū)域，而應(yīng)安裝在工藝區(qū)域的中間［8］，使監(jiān)測效果最大化，只需布置一臺即可滿足全面監(jiān)測的要求。優(yōu)點是與超聲監(jiān)測設(shè)備共同在現(xiàn)場應(yīng)用，形成優(yōu)勢互補，既可對露天工藝區(qū)全面監(jiān)測又提高了報警時效。

激光云臺式甲烷氣體探測器和超聲波式可燃氣體探測器分別將各自的報警、故障等信號傳輸至站控PLC系統(tǒng)，由站控PLC系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)合檢測邏輯判斷，如圖2所示。

將某站工藝區(qū)域進行網(wǎng)格化，激光云臺式甲烷探測器沿著網(wǎng)格線進行水平線掃描，合理設(shè)置巡檢點位，根據(jù)各個點位之間設(shè)備分布情況設(shè)置不同的掃描速率，對重點區(qū)域設(shè)置采用慢速轉(zhuǎn)動速率精細掃描，對長距離無設(shè)備分布的路徑調(diào)整為快速轉(zhuǎn)動速率掃描（圖3），確保工藝區(qū)泄漏檢測區(qū)域全覆蓋的同時保障了檢測效果、提高了檢測時效性。

當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到超聲波式可燃氣體探測器報警，將報警信息傳輸至PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)輸出命令至激光云臺式甲烷探測器，由激光云臺式甲烷探測器調(diào)整巡檢區(qū)域，對超聲波式可燃氣體探測器覆蓋區(qū)域進行復(fù)測，當(dāng)檢測到甲烷氣體濃度超高時，輸出報警至站控系統(tǒng)，當(dāng)未檢測出泄漏情況，則不輸出報警，從而減少系統(tǒng)誤報率，也保障了報警的時效性。實際投運一年時間，共出現(xiàn)報警兩次，經(jīng)現(xiàn)場人工復(fù)測均存在微小泄漏，未發(fā)現(xiàn)誤報情況。

經(jīng)過對比分析，增設(shè)激光云臺式甲烷探測器的方案對于現(xiàn)場氣體泄漏的監(jiān)測效果和經(jīng)濟性更好，確保無人站工藝區(qū)氣體泄漏風(fēng)險可控，提高輸氣生產(chǎn)的安全性。

5 結(jié)論和建議

5.1 以西氣東輸某分輸站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為設(shè)計條件，考慮天然氣站場應(yīng)用較為廣泛的兩種泄漏監(jiān)測設(shè)備，進行露天工藝區(qū)泄漏監(jiān)測方案設(shè)計，并從監(jiān)測全面性和經(jīng)濟性進行方案比選，確定增設(shè)一臺激光云臺式甲烷探測器為最優(yōu)解決方案。

5.2 無人站露天工藝區(qū)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)宜具備微量天然氣泄漏監(jiān)測水平，故可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)以激光云臺式產(chǎn)品為主，負(fù)責(zé)區(qū)域全面監(jiān)測，超聲波式或激光線型產(chǎn)品為輔，負(fù)責(zé)重點區(qū)域監(jiān)測，可最大程度提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5.3 由于激光光束無法穿透遮擋物，當(dāng)站場工藝管道布置高低錯落且數(shù)量較多時，不宜選用激光云臺式探測器。此時，建議選用超聲波式可燃氣體探測器對整個工藝區(qū)進行監(jiān)測，激光線型可燃氣體探測器對重點區(qū)域進行監(jiān)測。

5.4 現(xiàn)場長期刮風(fēng)等級較高時，可燃氣體云團不易形成，不宜選用激光云臺式探測器。此時，建議選用超聲波式可燃氣體探測器用于無人站工藝區(qū)氣體泄漏監(jiān)測。

5.5 GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“可燃氣體探測器必須取得消防產(chǎn)品型式檢驗報告”。激光云臺式和超聲波式探測器目前均無相關(guān)試驗、檢驗國家標(biāo)準(zhǔn)，故無法取得消防產(chǎn)品型式檢驗報告，期待相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范盡快制定出臺，用以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計改進、物資采購和現(xiàn)場應(yīng)用。激光線型可燃氣體探測器具有相關(guān)檢驗、試驗國標(biāo)（GB 15322.4—2019），但取得相關(guān)測試檢驗報告的產(chǎn)品少之又少。建議企業(yè)、消費者在產(chǎn)品采購過程中加強市場準(zhǔn)入、物資采購和質(zhì)量管理，促進產(chǎn)品優(yōu)化和服務(wù)質(zhì)量的提升。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-09-29，修回日期：2023-01-19）