基于紅外成像的LNG動力船燃料泄漏檢測可行性及優(yōu)勢分析

劉壘 王宇川

摘 要：液化天然氣（LNG）的應(yīng)用安全一直被廣泛關(guān)注。本文闡述了LNG泄漏的特點和檢漏技術(shù)現(xiàn)狀，提出采用紅外熱成像技術(shù)檢測LNG動力船泄漏，通過理論分析和替代實驗進一步驗證了紅外檢漏的可行性及優(yōu)勢，為后續(xù)深入研究紅外檢漏奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：液化天然氣 檢漏技術(shù) 紅外熱成像

1.前言

液化天然氣（LNG）是國家優(yōu)先推廣的清潔能源，水運行業(yè)推廣應(yīng)用LNG是發(fā)展綠色水運、建設(shè)生態(tài)文明、服務(wù)交通強國建設(shè)的需要。目前，LNG動力船正在全球大力推廣。2018年8月，交通運輸部辦公廳發(fā)布征求《關(guān)于深入推進水運行業(yè)應(yīng)用液化天然氣的意見（征求意見稿）》意見的函，其中在基本原則中再次強調(diào)“堅持安全發(fā)展理念，優(yōu)化安全監(jiān)管與應(yīng)急保障體系，保障運輸與應(yīng)用安全”。

近年來，隨著運行時間的延長，連接部件的老化、腐蝕以及其它自然損壞、人為操作失誤等原因，L NG泄漏事故時有發(fā)生，尤其是L NG供應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，如法蘭、閥件、管道連接處等易泄漏部位。從新技術(shù)應(yīng)用提高檢測效率的角度，本文率先提出采用紅外熱成像技術(shù)開展LNG動力船燃料泄漏檢測，對完善現(xiàn)有LNG動力船泄漏檢測意義重大。

2.LNG泄漏特點及檢漏現(xiàn)狀

L NG泄漏屬于一種比較嚴重的事故，泄漏的L NG蒸發(fā)形成大量的蒸氣云，遇到火源則會產(chǎn)生火災(zāi)（熱輻射）或爆炸（濃度區(qū)間：5%～15%）。此外，超低溫-162℃還可能對泄漏點處的人員引起低溫凍傷和附近船體結(jié)構(gòu)與設(shè)施帶來冷脆危險，如導(dǎo)致船體鋼板低溫脆斷。

目前，我國新建和改造的LNG動力船均采用溫度、壓力、液位、氣體濃度傳感器，結(jié)合可燃氣體探測儀等監(jiān)測LNG供應(yīng)系統(tǒng)的泄漏情況。例如全容式LNG儲罐，在罐壁和罐底安裝8個熱電偶，根據(jù)熱電偶所測溫度來判斷是否有泄漏發(fā)生；同時，在LNG儲罐罐頂及外壁安裝有可燃氣體探測儀和火焰離子探測器，用于監(jiān)測LNG泄漏之后氣化生成的天然氣以及天然氣燃燒所產(chǎn)生的火焰離子。

上述檢漏方法存在溫度監(jiān)測點過少、檢測精度較低、無法及時發(fā)現(xiàn)少量LNG泄漏（現(xiàn)有規(guī)范要求可燃氣體濃度達到20%爆炸下限時，應(yīng)有聽覺和視覺報警），可能造成次生災(zāi)害。法蘭、閥件、管道連接處等易泄漏部位較難檢測，且很難確定泄漏點的準確位置，因此，現(xiàn)有LNG檢漏技術(shù)有待完善和提高。

3.紅外檢漏的可行性及優(yōu)勢

紅外熱成像技術(shù)是一種輻射信息探測技術(shù)，具有被動工作、抗干擾性強、目標識別能力強、全天候工作等特點。它的成像機理是根據(jù)目標與背景之間的溫度差異和發(fā)射率的差異利用紅外探測器和光學(xué)成像鏡接收被測目標的紅外輻射信號，經(jīng)過處理后，轉(zhuǎn)換成標準的紅外視頻圖像。因此，紅外熱成像是目前較為先進的成像技術(shù)之一。

LNG具有超低溫的特性，其泄漏會快速汽化。而紅外熱成像則是溫度的反應(yīng)器，根據(jù)泄漏點和周圍環(huán)境溫度的變化可有效捕捉泄漏位置。利用紅外熱成像的非接觸式測溫能夠檢測LNG儲罐系統(tǒng)附近的火災(zāi)和著火源。

相比目前安裝的監(jiān)測甲烷等氣體濃度、煙霧濃度、壓力及溫度等傳感器而言，紅外熱成像的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四個方面：一是能同時監(jiān)測泄漏和著火源，可避免同時安裝多種傳感器；二是能用視頻圖像的方式監(jiān)測具體位置，便于連續(xù)觀察問題態(tài)勢和快速找到事故位置；三是能動態(tài)實時監(jiān)測船上發(fā)動機的狀況，如高溫等異常情況；四是靈敏度高，能第一時間發(fā)現(xiàn)問題，避免更大事故的發(fā)生。

4.替代泄漏實驗

為了驗證紅外熱成像檢漏的可行性和有效性，本人在實驗室開展了泄漏模擬實驗?？紤]安全性，實驗采用液氮進行替代，二者屬性接近，如表1所示。實驗利用兩個相同的鐵桶，一個空桶，一個倒入液氮，利用美國FLIR公司的紅外熱成像進行了現(xiàn)場對比實驗，效果如圖1所示。

根據(jù)紅外熱成像的特點，物體溫度越高，所成影像越白。實驗結(jié)果表明，倒入液氮的鐵桶迅速降溫，所成影像發(fā)黑，兩個鐵通的影像在灰度值上存在明顯差異，紅外熱成像能夠進行LNG泄漏檢測。

5.建議

為確保L NG清潔能源應(yīng)用安全，服務(wù)交通強國建設(shè)，建議將紅外熱成像技術(shù)與計算機視覺分析技術(shù)相結(jié)合，采用人工智能手段，在LNG泄漏的最初階段進行自動智能預(yù)警，避免造成次生災(zāi)害及長時間泄漏帶來的燃料浪費，保障運輸和應(yīng)用安全。

參考文獻：

[1]李俊山，楊威，張雄美.紅外圖像處理、分析與融合[M].北京：科學(xué)出版社，2009.