氣云成像攝像機(jī)氣體泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用

劉 歡 胡畔寧 魏 萊

（1.中國(guó)石油西南油氣田公司國(guó)際合作事業(yè)部，四川 成都 610051；2.中國(guó)石油西南油氣田公司通信與信息技術(shù)中心，四川 成都 610051；3.中國(guó)石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部，四川 成都 610051）

0 引言

四川盆地是我國(guó)已探明天然氣儲(chǔ)量重要集中地區(qū)，在四川盆地近10年發(fā)現(xiàn)的大型、特大型氣田探明儲(chǔ)量達(dá)24 070×108m3，其中川東北區(qū)塊的天然氣資源量最為豐富，普光礁灘、元壩礁灘探明儲(chǔ)量達(dá)6 317×108m3［1］。雖然川東北地區(qū)天然氣資源豐富，但川東北氣田多為高含硫氣田，高含硫天然氣開發(fā)本身面臨腐蝕性強(qiáng)、毒性大等風(fēng)險(xiǎn)，川東北氣田普遍還具有氣藏埋藏深、地質(zhì)條件復(fù)雜、氣田周邊人居稠密、地形復(fù)雜、交通不便等特點(diǎn)，安全清潔開發(fā)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［2］。其開發(fā)存在的重大安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)主要有：① 井噴失控造成含硫天然氣釋放；② 含硫天然氣管道泄漏；③ 天然氣凈化廠裝置區(qū)含硫天然氣或酸氣泄漏。因此，防范管道及裝置的含硫天然氣或酸氣泄漏是高含硫氣田安全開發(fā)的重要議題，一方面需要強(qiáng)化工程安全設(shè)計(jì)防止泄漏的發(fā)生，例如增加管壁厚度和加深管埋深度，建立正確的內(nèi)部腐蝕監(jiān)測(cè)和陰極保護(hù)系統(tǒng)，確保管道和裝置的本質(zhì)安全；另一方面應(yīng)建立可靠、高效、全面的天然氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)、準(zhǔn)確、有效發(fā)現(xiàn)泄漏險(xiǎn)情，充分考慮到管道輸送介質(zhì)（高壓、高酸性、易燃?xì)怏w）所帶來的健康和安全隱患，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小泄漏的敏感識(shí)別和準(zhǔn)確定位，以便能夠及時(shí)采取措施來避免泄漏的擴(kuò)大，減少造成更大事故的幾率，提高氣體泄漏時(shí)的應(yīng)急響應(yīng)能力。

1 天然氣泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

氣體泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)并不是為了預(yù)防泄漏的發(fā)生，而是盡快、盡早、盡可能準(zhǔn)確地在泄漏發(fā)生時(shí)發(fā)出警報(bào)并具體提供泄漏的相關(guān)信息，以便及時(shí)采取行動(dòng)減輕泄漏的影響。

隨著光電傳輸技術(shù)、通信技術(shù)及氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展，當(dāng)前已有多種直接接觸泄漏介質(zhì)和非直接接觸泄漏介質(zhì)的監(jiān)測(cè)技術(shù)。在需直接接觸泄漏介質(zhì)的泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)中，常規(guī)氣體探測(cè)器應(yīng)用普遍，技術(shù)成熟，靈敏度、可靠性高，但存在受環(huán)境因素如風(fēng)向等影響大、監(jiān)控區(qū)域固定的劣勢(shì)。近年來國(guó)內(nèi)科研院校對(duì)光纖傳感泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)開展的大量研究，以及部分油氣田企業(yè)的光纖溫度傳感泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)及光纖被動(dòng)聲學(xué)傳感泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)都充分證實(shí)了光纖傳感泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)靈敏度高、定位精確的優(yōu)勢(shì)，但其中溫度傳感技術(shù)通過監(jiān)測(cè)氣體泄漏導(dǎo)致的環(huán)境溫度變化，需綜合分析土壤成分、河流穿跨越附近區(qū)域及水面上方空氣流動(dòng)等具體環(huán)境條件造成的溫度差等；光纖被動(dòng)聲學(xué)傳感泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)通過監(jiān)測(cè)氣體泄漏監(jiān)測(cè)的噪音來識(shí)別泄漏，受周邊環(huán)境活動(dòng)影響較大，報(bào)警較多，通常需增加人工識(shí)別。

對(duì)管線而言，可利用管道同溝敷設(shè)的光纜設(shè)置光纖傳感泄漏監(jiān)測(cè)，配合分段監(jiān)測(cè)定位法、負(fù)壓波監(jiān)測(cè)等技術(shù)方法，通過多種技術(shù)對(duì)泄漏報(bào)警進(jìn)行識(shí)別和分析，得出較為準(zhǔn)確的泄漏情況和泄漏位置判斷。對(duì)站場(chǎng)而言，主要在閥室、天然氣處理區(qū)、井場(chǎng)等固定場(chǎng)站布設(shè)一定數(shù)量點(diǎn)式可燃?xì)怏w探頭和硫化氫探頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)設(shè)置點(diǎn)式探頭報(bào)警觸發(fā)連鎖關(guān)斷閥來保證閥室、脫硫站場(chǎng)和重要設(shè)備的安全。站場(chǎng)周界設(shè)置對(duì)射式氣體探測(cè)器，反映氣體泄漏逸散情況。但由于氣體探測(cè)器屬于固定式接觸介質(zhì)監(jiān)測(cè)，其有效監(jiān)測(cè)范圍在安裝后即固化，泄漏點(diǎn)判斷不直觀，區(qū)域覆蓋性僅能通過增加部署數(shù)量加以彌補(bǔ)。氣云成像攝像機(jī)以其高效率、遠(yuǎn)距離、大范圍、動(dòng)態(tài)直觀等顯著優(yōu)勢(shì)已成為監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向。在氣體泄漏監(jiān)測(cè)中，相對(duì)于常規(guī)氣體探測(cè)器和光纖探測(cè)技術(shù)，氣云成像攝像機(jī)技術(shù)將氣體監(jiān)測(cè)的范圍從點(diǎn)、線擴(kuò)展到了區(qū)域的“面”的范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)裝置和高后果區(qū)域的連續(xù)覆蓋監(jiān)測(cè)。

2 氣云成像攝像機(jī)泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

2.1 技術(shù)發(fā)展

氣云成像攝像機(jī)采用的成像技術(shù)主要可分為熱源成像技術(shù)和光譜成像技術(shù)。熱源成像技術(shù)是指采集氣體目標(biāo)場(chǎng)景某一紅外波段的輻射信息實(shí)現(xiàn)氣體泄漏檢測(cè)的熱成像技術(shù)，其檢測(cè)系統(tǒng)往往具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜度較低、維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)。光譜成像技術(shù)是指利用不同成分的氣體對(duì)特定紅外波長(zhǎng)的吸收差異來識(shí)別不同的氣體，對(duì)氣體的特征有更精細(xì)的區(qū)分，能更準(zhǔn)確地識(shí)別出氣體的類別和濃度特征［3］。得益于信息技術(shù)和高清攝像技術(shù)的發(fā)展，在成本逐步降低的背景下，基于光譜成像技術(shù)的氣云成像攝像機(jī)在氣體識(shí)別、范圍標(biāo)識(shí)、極端天氣下識(shí)別準(zhǔn)確度等各方面的優(yōu)勢(shì)更加突出，逐步成為泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署的重要組成部分。

2.2 基于光譜成像技術(shù)的氣云成像攝像機(jī)

2.2.1 技術(shù)原理

基于光譜成像技術(shù)的氣云成像攝像機(jī)使用精細(xì)熱輻射儀（Microbolometer）檢測(cè)長(zhǎng)波紅外信號(hào)。精細(xì)熱輻射儀是一種特定類型的光波測(cè)量設(shè)備，在熱成像攝像機(jī)中用作探測(cè)器。紅外線輻射波長(zhǎng)在7.5～14 μm之間的光線在接觸探測(cè)器材料后，探測(cè)器溫度發(fā)生微變，從而改變其電阻，通過這種電阻的變化對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和處理并顯示為圖像分布，溫差圖像可以反映氣體具體分布情況。與其他類型的紅外線探測(cè)設(shè)備不同，精細(xì)熱輻射儀不需要冷卻。

2.2.2 識(shí)別的敏感性和可靠性

傳統(tǒng)的紅外氣體探測(cè)攝像機(jī)依靠識(shí)別溫度差異色塊來實(shí)現(xiàn)識(shí)別氣體的目的，僅能粗略反映存在異常氣體?；诠庾V的氣云成像攝像機(jī)通過收集光譜特征點(diǎn)識(shí)別每個(gè)溫度像素差異識(shí)別氣體。通過光譜特征進(jìn)行識(shí)別，可對(duì)氣體的具體類別進(jìn)行更精細(xì)的識(shí)別并根據(jù)時(shí)間濃度值量化氣體的體積?；诠庾V的氣云成像攝像機(jī)對(duì)多達(dá)25種不同烴類氣體敏感，對(duì)各類氣體的最小檢測(cè)級(jí)別見表1所示［4］。

紅外測(cè)量的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以使氣體頻譜檢測(cè)具有更高的可靠性，減少監(jiān)測(cè)到如蒸汽、汽車尾氣、雨水、污垢、或雪等事件引起的誤報(bào)警。以蒸汽為例，在發(fā)生蒸汽的情況下，因?yàn)檎羝瑯涌梢蕴峁┮粋€(gè)活躍的溫度讀數(shù)，當(dāng)使用中波長(zhǎng)紅外線紅外氣體探測(cè)攝像機(jī)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與烴類氣體相同的指數(shù)報(bào)警。但對(duì)于光譜成像的氣云成像攝像機(jī)而言，蒸汽不會(huì)觸發(fā)報(bào)警響應(yīng)（除非將蒸汽設(shè)置為獨(dú)立的異常情況報(bào)警），因?yàn)檎羝c碳?xì)浠衔锘蚱渌麚]發(fā)性有機(jī)化合物的氣體特征不同，在系統(tǒng)內(nèi)已被過濾掉。如圖1所示，在系統(tǒng)圖像內(nèi)，對(duì)蒸汽將不進(jìn)行氣體顏色的分辨和顯示。

表1 氣體檢測(cè)級(jí)別表 mg／m3

圖1 在蒸汽中探測(cè)烴類氣體的實(shí)例圖

通過借助紅外識(shí)別技術(shù)還可消除極端天氣下溫度和氣液體顆粒對(duì)氣云成像攝像機(jī)的影響，降低誤報(bào)警率，保證泄漏監(jiān)測(cè)的可靠性。根據(jù)廠商的技術(shù)報(bào)告，氣云成像攝像機(jī)能夠在各種天氣條件下保證識(shí)別可靠性和低誤報(bào)警率，包括氣溫高于55℃的高溫天氣，低于-40℃的低溫天氣，以及冰雪、雨天、霧天、沙塵暴等存在氣液、固體顆粒的外部環(huán)境和溫度劇烈變化的極端天氣。

2.2.3 監(jiān)測(cè)范圍

氣云成像攝像機(jī)通常安裝于較高位置或?qū)Ｓ酶咚每尚D(zhuǎn)底座和可調(diào)傾斜實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測(cè)。在最大1 022 m半徑范圍內(nèi)，若無可視阻礙，單臺(tái)設(shè)備在800～1 000 m區(qū)間可監(jiān)測(cè)體積大于100 m3的氣體云；在471～800 m區(qū)間最小可監(jiān)測(cè)體積為10 m3的氣體云；對(duì)220 m半徑范圍內(nèi)核心區(qū)域可對(duì)最小為1 m3的氣體云進(jìn)行連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)。氣云成像攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域監(jiān)測(cè)，而不僅限于常規(guī)氣體探測(cè)器附近的泄漏監(jiān)測(cè)，具有將泄漏監(jiān)測(cè)擴(kuò)展到“面”的重要優(yōu)勢(shì)。對(duì)大型廠區(qū)而言，通過4臺(tái)攝像機(jī)的正確定位和設(shè)置，可確保在5×105m2區(qū)域內(nèi)對(duì)設(shè)施和關(guān)鍵區(qū)域最小為1 m3的氣體云進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，極大地?cái)U(kuò)展了泄漏監(jiān)測(cè)的范圍。

3 氣云成像攝像機(jī)氣體泄漏監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

中國(guó)石油川東北某氣田項(xiàng)目設(shè)置氣云成像攝像機(jī)作為泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試觀察基于光譜成像技術(shù)的氣云成像攝像機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果。

3.1 安裝要求

安裝的室外設(shè)備包括氣云成像攝像機(jī)本身，盤式傾斜、安裝桿、攝像機(jī)線纜（包括電源和光纖數(shù)據(jù)線）、角度控制電纜和接線盒。室內(nèi)設(shè)備包括用于流數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器和用于軟件接口和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的臺(tái)式機(jī)。為保證視頻的實(shí)時(shí)性和清晰度，采用2G鏈路自氣云成像攝像機(jī)至處理服務(wù)器，同時(shí)為了保證監(jiān)控效果，控制中心采用1G鏈路自處理服務(wù)器至操作控制臺(tái)。

3.2 應(yīng)用效果

測(cè)試方法：放散濃度為92.4%的甲烷測(cè)試氣體，測(cè)試氣云成像攝像機(jī)在一個(gè)監(jiān)視周期（云臺(tái)360度旋轉(zhuǎn)）內(nèi)能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，是否于系統(tǒng)內(nèi)正確顯示。測(cè)試情況如下：① 廠區(qū)儲(chǔ)罐區(qū)域測(cè)試：天氣晴朗，測(cè)試距離為127 m，響應(yīng)時(shí)間為4 s，系統(tǒng)顯示如圖2所示；② 管線區(qū)域測(cè)試，天氣晴朗，測(cè)試距離為1 000 m，響應(yīng)時(shí)間為15 s，系統(tǒng)顯示如圖3所示。

圖2 廠區(qū)儲(chǔ)罐區(qū)域測(cè)試氣體成像圖

圖3 管線區(qū)域測(cè)試氣體成像圖

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果看，氣云成像攝像機(jī)在氣體泄漏位置識(shí)別、泄漏識(shí)別準(zhǔn)確度、泄漏響應(yīng)方面均取得較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論與建議

1）氣云成像攝像機(jī)在泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，應(yīng)作為針對(duì)關(guān)鍵區(qū)域或作為其他監(jiān)測(cè)手段監(jiān)控盲區(qū)的補(bǔ)充技術(shù)，充分發(fā)揮實(shí)時(shí)性和直接反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況的特性，尤其在人員不能第一時(shí)間進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)或進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)存在較大不安全因素的情況下。對(duì)管線而言，建議針對(duì)河流穿越、重要閥室、地形地質(zhì)高危區(qū)域等進(jìn)行設(shè)置；對(duì)站場(chǎng)而言，建議針對(duì)重點(diǎn)裝置區(qū)域、無人值守井場(chǎng)、井口等進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不間斷、大范圍的區(qū)域性泄漏監(jiān)測(cè)，縮短泄漏發(fā)現(xiàn)的時(shí)間，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，避免泄漏擴(kuò)大造成更嚴(yán)重的后果。

2）氣云成像攝像機(jī)監(jiān)測(cè)到泄漏氣體時(shí)間短，但對(duì)通訊要求較高，對(duì)于改造升級(jí)項(xiàng)目而言，廠區(qū)部署可采用架空光纜新部署通訊線路，但對(duì)管線而言，建議盡量利用已敷設(shè)同溝通訊光纜，調(diào)研通訊負(fù)荷，確定是否可以直接使用。同時(shí)，氣云成像攝像機(jī)雖然可以實(shí)現(xiàn)24 h全天候的應(yīng)用監(jiān)測(cè)，但同時(shí)也需要額外考慮相關(guān)電力供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合氣云成像攝像機(jī)相關(guān)軟硬件費(fèi)用，單臺(tái)攝像機(jī)費(fèi)用超過150萬元，仍不建議作為常規(guī)和全面部署的氣體泄漏監(jiān)測(cè)手段。

3）熱源成像技術(shù)攝像機(jī)的應(yīng)用效果受極端天氣影響較大，在大雨或降雪的極端天氣條件下可能無法監(jiān)測(cè)到氣體泄漏，因而熱源成像攝像機(jī)需要考慮到預(yù)設(shè)的天氣條件范圍。基于光譜成像技術(shù)攝像機(jī)在多氣體組分環(huán)境、極端天氣下進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測(cè)有較大和明顯的優(yōu)勢(shì)，建議在大型煉化、凈化廠區(qū)，優(yōu)先考慮采用光譜成像技術(shù)的氣云攝像機(jī)。