天然氣管道專業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)

孟綾 大慶油田化工集團(tuán)技術(shù)開(kāi)發(fā)研究院

1 泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 輸送管道

輸送液體的管道原則上可以集中監(jiān)測(cè)，使用內(nèi)部系統(tǒng)監(jiān)視管道內(nèi)的液體是否發(fā)生破裂或泄漏。這樣的系統(tǒng)對(duì)液體適用，但是不適用于氣體。由于天然氣具有高壓縮性，氣體泄漏不會(huì)以氣壓下降的形式表現(xiàn)出來(lái)，中心監(jiān)測(cè)站無(wú)法發(fā)現(xiàn)氣體泄漏。另外，在管道并聯(lián)系統(tǒng)中可監(jiān)測(cè)到碳?xì)浠衔锏嫩E象。同樣，這種系統(tǒng)在液態(tài)烴中工作良好，但也不適宜天然氣。因此，巡檢只能通過(guò)可以探測(cè)甲烷的氣體探測(cè)器進(jìn)行目視檢查，確定泄漏。

1.2 配送管道

天然氣配送管道監(jiān)測(cè)也需要巡檢。中國(guó)天然氣協(xié)會(huì)的天然氣管道技術(shù)委員會(huì)已經(jīng)提供了泄漏監(jiān)測(cè)指導(dǎo)和方法，包括校準(zhǔn)和維護(hù)方面的可行性說(shuō)明和建議。儀器的最基本要求是可以探測(cè)到空氣中濃度為50mg/L的甲烷氣體。主要提供技術(shù)包括火焰電離、紅外、半導(dǎo)體和催化珠探測(cè)器。目前，最常見(jiàn)的泄漏巡檢儀器是以火焰電離為原理的。

盡管火焰電離探測(cè)器長(zhǎng)期用于泄漏監(jiān)測(cè)，但還是具有局限性。例如，因?yàn)椴捎脷浠鹧?，所以本質(zhì)上并不安全。此外，氫氣鋼瓶重量大，以及日常補(bǔ)給氫氣也不方便。如果需要進(jìn)行地下泄漏檢測(cè)，通常是必須使用可燃?xì)怏w探測(cè)器。

2 催化燃燒傳感技術(shù)

2.1 優(yōu)勢(shì)

催化燃燒傳感器通常應(yīng)用于感應(yīng)大約100mg/L（0.2%爆炸下限的甲烷）至爆炸極限下限范圍的天然氣和其他可燃?xì)怏w（當(dāng)量甲烷為5%）。高于5%濃度用導(dǎo)熱傳感器和催化珠同步測(cè)量，常作為火焰避雷器的載體催化傳感器。

該燃燒傳感器的下限由傳感器的噪音和漂移鑒別能力決定。此下限適用于評(píng)估和監(jiān)測(cè)大氣安全性。但是，如果下限可以再擴(kuò)大，催化燃燒儀器將適用于泄漏監(jiān)測(cè)。這樣的儀器本質(zhì)上是安全的，可以應(yīng)用于泄漏點(diǎn)。

2.2 高性能催化燃燒傳感器

Gas-Rover是最近推出的使用催化燃燒傳感器新技術(shù)的儀器，可以測(cè)量濃度為1mg/L的天然氣。

催化傳感器下限取決于若干因素：維持傳感器在其工作溫度的電信號(hào)比；控制和測(cè)量用電子儀器的精確度；熱噪音和電子噪音水平；熱漂移與電子漂移，以及環(huán)境條件（主要為溫度和濕度）的影響。總的來(lái)說(shuō)，各種來(lái)源的噪聲或干擾誤差等同于約100mg/L天然氣（甲烷）產(chǎn)生的信號(hào)，從而確定了催化傳感器的下限。測(cè)試靈敏度為濃度1mg/L的甲烷要求對(duì)誤差和噪聲扣除或精確補(bǔ)償。

環(huán)境（溫度、濕度）是影響傳感器的主要因素，只是它們影響媒介（空氣），而不直接影響傳感器。由于這些影響因素與傳感器的表面性質(zhì)無(wú)關(guān)，但仍需通過(guò)使用一對(duì)載體催化傳感器珠（1個(gè)活性珠和1個(gè)非活性珠）補(bǔ)償，并參照非活性載體催化傳感器珠進(jìn)行測(cè)量。這一原理已在多數(shù)現(xiàn)有設(shè)備中使用，但是上述設(shè)備現(xiàn)有的一般應(yīng)用技術(shù)難以滿足傳感器所需配套技術(shù)。

噪音和漂移電子源是可監(jiān)控的，甚至用帶有現(xiàn)代化的集成電路和其他電子元件的手持式測(cè)試儀就可實(shí)現(xiàn)。

熱漂移和自然對(duì)流的影響較難監(jiān)控。在儀器使用時(shí)，通常會(huì)因傳感器腔的加熱產(chǎn)生熱漂移。大部分而并非所有此類漂移可以通過(guò)串聯(lián)使用2個(gè)載體催化傳感器來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，其余漂移可以使用現(xiàn)有的納米技術(shù)通過(guò)載體催化傳感器將影響減到最小，最大化反應(yīng)信號(hào)，最小化物理尺寸。

最后，現(xiàn)代微型處理器可用于生成和利用先進(jìn)的信號(hào)處理程序去除熱噪聲和漂移的影響。數(shù)據(jù)處理結(jié)合新型催化劑構(gòu)造，可以達(dá)到傳感器所需的精度和準(zhǔn)確度。

時(shí)下生產(chǎn)的高性能催化燃燒傳感器可以監(jiān)測(cè)濃度最高達(dá)1000mg/L的甲烷，此范圍內(nèi)響應(yīng)是線性的，實(shí)際在2.5×104mg/L（50%LEL）的范圍內(nèi)都是呈線性的。該傳感器的響應(yīng)是可再生和可逆的。

3 泄漏檢測(cè)的需求

3.1 步行巡檢泄漏

步行的操作者在沿直線移動(dòng)時(shí)將測(cè)試大約0.5s周期的地點(diǎn)。因此一個(gè)設(shè)計(jì)良好的催化燃燒傳感器，必須對(duì)持續(xù)0.5s的氣體輸入作出反應(yīng)。

當(dāng)輸入50mg/L的氣體持續(xù)時(shí)間從0.5～1.5s時(shí)，即使是只持續(xù)0.5s的氣體樣品，儀器也有強(qiáng)烈的反應(yīng)。由于步行巡檢的收集系統(tǒng)以10mL/s脈動(dòng)，并有約7.5s的“滯”量，在輸入和信號(hào)之間有0.75s的平均延遲。雖然這是一個(gè)明顯的延遲，但在實(shí)踐中，它對(duì)定位一個(gè)剛采集到的信號(hào)沒(méi)有意義。

3.2 卡車巡檢泄漏

典型的收集系統(tǒng)由2