在天然氣集輸系統(tǒng)中，天然氣站場(chǎng)的可靠性在很大程度上影響整個(gè)集輸系統(tǒng)的安全，但是因設(shè)備多、流程復(fù)雜、密封點(diǎn)多，導(dǎo)致其泄漏概率較大。因此，在天然氣站場(chǎng)建立一套可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可將管道運(yùn)營(yíng)的安全水平控制在合理、可接受的范圍內(nèi)，減少事故發(fā)生。隨著研究的深入，基于激光檢測(cè)原理的傳感器逐漸被開(kāi)發(fā)并投入使用，激光氣體檢測(cè)技術(shù)采用光譜吸收原理，具有靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站內(nèi)微小泄漏的檢測(cè)。

激光氣體檢測(cè)原理

激光氣體檢測(cè)技術(shù)利用氣體的紅外光譜吸收特征來(lái)確定其濃度，根據(jù)甲烷特征吸收峰來(lái)選取特定頻率的激光，以保證不受其他干擾氣體的影響。系統(tǒng)的激光氣體傳感器采用基于TDLAS技術(shù)的波長(zhǎng)調(diào)制法進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)在激光器驅(qū)動(dòng)電流中注入低頻三角波和高頻正弦波，實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的掃描和調(diào)制。將探測(cè)信號(hào)輸入鎖相放大器，提取各諧波信號(hào)分量，以此來(lái)計(jì)算氣體泄漏的分?jǐn)?shù)。通過(guò)提高激光功率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的遠(yuǎn)距離遙測(cè)；同時(shí)，激光檢測(cè)為非接觸式測(cè)量，可通過(guò)調(diào)整激光光路的路徑，使其穿過(guò)管道的法蘭、閥門(mén)、螺紋等部位附件的空間區(qū)域并形成反射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道設(shè)備微小泄漏的監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)組成

天然氣站場(chǎng)掃描式激光氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由掃描式激光氣體傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、預(yù)警監(jiān)控終端3部分組成：掃描式激光氣體傳感器安裝在站場(chǎng)的露天工藝區(qū)內(nèi)，其位置與高度根據(jù)管道設(shè)備的分布確定；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用“光端機(jī)+光纜”的形式進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，同時(shí)傳輸前端傳感器所采集數(shù)據(jù)與預(yù)警監(jiān)控終端發(fā)出的指令信號(hào)；預(yù)警監(jiān)控終端基于力控組態(tài)軟件與可編程邏輯控制器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，包含云臺(tái)控制、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集三大模塊。

掃描式激光氣體傳感器

該系統(tǒng)采用基于云臺(tái)的掃描式激光氣體傳感器，其由三維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、激光檢測(cè)模塊、視頻監(jiān)控模塊組成。

激光檢測(cè)模塊

激光檢測(cè)模塊主要由激光信號(hào)收發(fā)單元、信號(hào)控制采集處理單元、主控與數(shù)據(jù)傳輸單元3部分組成。其中，激光信號(hào)收發(fā)單元由激光器、探測(cè)器、透鏡組成；信號(hào)控制采集處理單元包括激光器控制電路與信號(hào)檢測(cè)電路；主控與數(shù)據(jù)傳輸單元主體結(jié)構(gòu)為單片機(jī)，其主要作用為向信號(hào)控制采集處理單元發(fā)送指令并接收信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行外部數(shù)據(jù)的傳輸。

三維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)與視頻監(jiān)控模塊

三維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)選用適用于氣體防爆Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)及粉塵防爆A20～A22區(qū)防爆場(chǎng)合的防爆一體化全方位變速云臺(tái)，其滿足電源、信號(hào)、視頻三重防雷要求，符合天然氣站場(chǎng)的使用要求。云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)水平360°、垂直180°的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可根據(jù)后端動(dòng)作指令完成預(yù)置位的設(shè)置，每臺(tái)云臺(tái)可獨(dú)立設(shè)置128個(gè)預(yù)置位，通過(guò)預(yù)置位的設(shè)置可確定傳感器巡航路徑。云臺(tái)內(nèi)安裝的視頻監(jiān)控模塊采用海康威視紅外高清攝像頭，最大圖像尺寸為1280×960，視頻流為32kb/s~8Mb/s。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)前端激光氣體傳感器與后端預(yù)警監(jiān)控終端之間信號(hào)的傳輸。其中前端傳感器向后端傳輸?shù)男盘?hào)為：激光檢測(cè)模塊的濃度數(shù)據(jù)信號(hào)；三維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)實(shí)時(shí)返回的云臺(tái)動(dòng)作信號(hào)；視頻監(jiān)控模塊采集的工藝現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)。預(yù)警監(jiān)控終端通過(guò)向前端傳感器發(fā)送指令信號(hào)控制傳感器的運(yùn)行。

預(yù)警監(jiān)控終端

系統(tǒng)監(jiān)控終端軟件平臺(tái)基于力控組態(tài)軟件與可編程邏輯控制器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其上位機(jī)監(jiān)控軟件采用力控ForceControl7.2組態(tài)軟件進(jìn)行搭建，下位機(jī)系統(tǒng)軟件采用PLC編程軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信連接可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光氣體傳感器的運(yùn)行控制以及對(duì)天然氣站場(chǎng)天然氣泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)天然氣站場(chǎng)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)的需求，系統(tǒng)中設(shè)有云臺(tái)控制、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集三大模塊。

系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)在中哈天然氣管道C線某壓氣站的工藝區(qū)內(nèi)安裝使用，在該壓氣站工藝區(qū)內(nèi)安裝4臺(tái)掃描式激光氣體傳感器。為形成對(duì)管道設(shè)備的覆蓋式監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律與場(chǎng)區(qū)管道設(shè)備的分布，將4臺(tái)傳感器的安裝高度統(tǒng)一定為9m，其中過(guò)濾分離區(qū)與空冷區(qū)的兩臺(tái)傳感器借助照明塔進(jìn)行安裝，壓縮機(jī)區(qū)的兩臺(tái)傳感器使用監(jiān)控專用立桿進(jìn)行安裝。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)安裝在監(jiān)控立桿下方防爆箱內(nèi)，借助其完成氣體傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)化與傳輸；通信光纜與電纜采用直埋方式敷設(shè)，與站控室的預(yù)警終端連接；預(yù)警監(jiān)控終端安裝在站控室，由站場(chǎng)工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控工藝區(qū)可燃?xì)怏w濃度。

為完成對(duì)場(chǎng)區(qū)的自動(dòng)化巡航監(jiān)測(cè)，需要對(duì)激光氣體傳感器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置此外，根據(jù)工藝場(chǎng)區(qū)設(shè)備的分布與工況條件等，需要對(duì)傳感器的掃描速度進(jìn)行定義，從而確定傳感器的巡航周期。以GS01傳感器為例，其位于壓氣站的過(guò)濾分離區(qū)，屬于場(chǎng)站的易泄漏區(qū)域，因此需要設(shè)置較低的巡航速度，其巡航周期較長(zhǎng)，約為18min。

對(duì)傳感器運(yùn)行參數(shù)設(shè)置完成后，選取系統(tǒng)運(yùn)行一日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析可知：過(guò)濾區(qū)與空冷區(qū)管道設(shè)備種類繁多，包括大量閥門(mén)、法蘭等部件，且負(fù)責(zé)大輸送量的天然氣過(guò)濾與冷卻等工藝，其在日常的運(yùn)行中存在微量泄漏，天然氣體積分?jǐn)?shù)一般處于200×10-6以下，遠(yuǎn)低于爆炸極限，處于安全水平。此外，該工藝區(qū)在7:00與0:00均監(jiān)測(cè)到較高的天然氣泄漏，此現(xiàn)象與該時(shí)間段輸氣壓力較高有關(guān)。而增壓區(qū)的設(shè)備主要是輸氣管道，工藝較為簡(jiǎn)單，因此存在的微泄漏現(xiàn)象相比過(guò)濾區(qū)與冷卻區(qū)輕微，天然氣體積分?jǐn)?shù)多集中在100×10-6下。以上監(jiān)測(cè)結(jié)果符合壓氣站實(shí)際情況，說(shuō)明該系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

結(jié)論

針對(duì)天然氣站場(chǎng)可燃?xì)怏w泄漏問(wèn)題，研制了一套由激光氣體傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、后端預(yù)警監(jiān)控終端組成的基于掃描式激光氣體傳感器的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)、線式測(cè)量到立體掃描式測(cè)量的轉(zhuǎn)變。隨著天然氣站場(chǎng)向智慧化管理轉(zhuǎn)變與GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)等可視化展示技術(shù)的發(fā)展，利用傳感器立體掃描的特性，將站場(chǎng)的設(shè)備空間坐標(biāo)等靜態(tài)數(shù)據(jù)與天然氣濃度等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合，對(duì)于實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)可視化智能監(jiān)測(cè)具有重要意義，是未來(lái)的重要發(fā)展方向。