激光式可燃?xì)怏w探測器在天然氣站場的應(yīng)用

劉廣瀠

(中國石油西部管道 甘肅輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730000)

天然氣站場可燃?xì)怏w泄漏檢測過程中，傳統(tǒng)檢測技術(shù)主要采用催化燃燒式、點(diǎn)式紅外吸收型可燃?xì)怏w探測器；現(xiàn)場巡檢采用便攜式可燃?xì)怏w探測器。傳統(tǒng)的檢測方式受環(huán)境影響和應(yīng)用場所的限制，檢測效果和檢測精度均不理想，無法做到實(shí)時(shí)、高精度的天然氣泄漏監(jiān)測。

本文在闡述傳統(tǒng)可燃?xì)怏w泄漏檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)檢測技術(shù)存在的問題，并介紹了激光式可燃?xì)怏w探測器的檢測原理、系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)功能以及現(xiàn)場應(yīng)用效果，為天然氣站場管道泄漏檢測提供參考。

1 傳統(tǒng)可燃?xì)怏w泄漏檢測技術(shù)

1.1 催化燃燒式可燃?xì)怏w探測器

催化燃燒式可燃?xì)怏w是利用催化燃燒的熱效應(yīng)原理，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對構(gòu)成測量電橋，在一定溫度條件下，可燃?xì)怏w在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，導(dǎo)致載體溫度升高，通過它內(nèi)部的鉑絲電阻也相應(yīng)升高，從而使平衡電橋失去平衡，輸出1個(gè)與可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)成正比的電信號。通過測量鉑絲的電阻變化的大小，就可測量出可燃性氣體的體積分?jǐn)?shù)。

催化燃燒式傳感器屬于高溫傳感器，檢測元件是在鉑絲線圈上包裹氧化鋁和粘合劑形成球狀，經(jīng)燒結(jié)而成，其外表面敷有鉑、鈀等稀有金屬的催化層，當(dāng)電流通過鉑絲時(shí)，可使檢測元件溫度保持在300～400 ℃，此時(shí)若與甲烷氣體等可燃?xì)怏w接觸，甲烷就會(huì)在催化劑層上燃燒，燃燒的實(shí)質(zhì)是元件表面吸附的甲烷與吸附的氧離子之間的反應(yīng)，反應(yīng)完成后生成CO2和H2O析出。

甲烷在催化劑層上燃燒是放熱過程，因此燃燒產(chǎn)生的熱量使鉑絲線圈的溫度升高，線圈的電阻值也將上升，導(dǎo)致催化燃燒式可燃?xì)怏w探測器的輸出電壓信號也相應(yīng)地發(fā)生變化，該電壓信號的大小與可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)成正比例關(guān)系。

1.2 點(diǎn)式紅外吸收型可燃?xì)怏w探測器

點(diǎn)式紅外吸收型可燃?xì)怏w探測器基于不同氣體分子對紅外光譜的吸收特性，根據(jù)朗伯-比爾定律，利用氣體體積分?jǐn)?shù)與吸收強(qiáng)度的關(guān)系，用于檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。該傳感器采用光譜分析技術(shù)，對氣體的檢測僅依靠被測氣體對特定紅外光的吸收特性，是一種固有的物理特性，沒有介質(zhì)的反應(yīng)過程，因此該方法是對氣體進(jìn)行定性、定量分析的重要依據(jù)。

天然氣泄漏時(shí)受外界環(huán)境影響，擴(kuò)散范圍較大，而傳統(tǒng)的天然氣泄漏檢測通常采用點(diǎn)式探測器，該點(diǎn)式探測器只有在相對密閉的環(huán)境中，當(dāng)天然氣泄漏達(dá)到一定濃度或泄漏量較大時(shí)，才能檢測到報(bào)警信號。因此，傳統(tǒng)可燃?xì)怏w泄漏檢測技術(shù)不適用于天然氣站場室外工藝區(qū)的泄漏檢測。

2 激光式可燃?xì)怏w探測器

2.1 工作原理

激光式可燃?xì)怏w探測器基于光譜吸收原理，利用被檢測可燃?xì)怏w對特定波長的光譜具有吸收作用，通過吸收的光譜來確定氣體的體積分?jǐn)?shù)。由于不同氣體對光譜吸收存在差異性，且同一氣體對光譜的吸收隨氣體體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。當(dāng)被檢測區(qū)域內(nèi)發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光譜被可燃?xì)怏w吸收，使經(jīng)過反射面到達(dá)接收端的相關(guān)光譜強(qiáng)度減弱，通過探測器內(nèi)部光學(xué)元件對吸收的光譜強(qiáng)度進(jìn)行測量，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的氣體體積分?jǐn)?shù)值，當(dāng)計(jì)算出的氣體體積分?jǐn)?shù)值達(dá)到探測器報(bào)警動(dòng)作閾值時(shí)，探測器輸出報(bào)警信號。

2.2 檢測方法

激光式可燃?xì)怏w探測器對特征氣體的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，通過單片機(jī)控制電路對激光器進(jìn)行電流調(diào)制，控制激光器發(fā)出所需波長的激光，激光穿過氣體監(jiān)測區(qū)域后，到達(dá)背景反射面(漫反射)后，再次被反射回該探測器。若激光穿過的氣體區(qū)域中存在被檢測的特征氣體，激光將與該氣體作用并被吸收，特征氣體的體積分?jǐn)?shù)越高，光的吸收量越大，該探測器將監(jiān)測到的激光強(qiáng)度的變化反饋至單片機(jī)控制電路進(jìn)行處理，最終由信號輸出電路將測得的氣體體積分?jǐn)?shù)傳輸出去。激光式可燃?xì)怏w探測器檢測過程如圖1所示。

圖1 激光式可燃?xì)怏w探測器檢測示意

2.3 功 能

2.3.1 超前預(yù)警

與傳統(tǒng)的催化燃燒式或點(diǎn)式紅外吸收型傳感器相比，激光式可燃?xì)怏w探測器具有響應(yīng)時(shí)間短、檢測精度高等特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了可燃?xì)怏w微泄漏的檢測水平，在天然氣管道發(fā)生微泄漏或管道發(fā)生較大泄漏擴(kuò)散的起始階段即可進(jìn)行預(yù)警，并且解決了管道閥門、法蘭等部位長期存在的微泄漏無法量化監(jiān)測的難題。

2.3.2 監(jiān)測可視化

激光式可燃?xì)怏w探測器借助云臺(tái)賦予的三維立體掃描功能，真正意義上實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、面相結(jié)合的空間監(jiān)測，可通過3Dmax以及AutoCAD等設(shè)計(jì)軟件對天然氣站場內(nèi)主要設(shè)施進(jìn)行三維建模，將其位置信息數(shù)字化，同時(shí)分析管道設(shè)備的泄漏擴(kuò)散規(guī)律，用于設(shè)置最優(yōu)的巡航掃描路徑，實(shí)現(xiàn)了站場內(nèi)設(shè)備分布信息的可視化及天然氣組分體積分?jǐn)?shù)空間分布的可視化。

3 結(jié)束語

在西氣東輸二線西段某壓氣站壓縮機(jī)廠房和某閥室對激光式可燃?xì)怏w探測器進(jìn)行了試用，并分別測試了風(fēng)速、水汽、氣體體積分?jǐn)?shù)對設(shè)備檢測效果的影響，與現(xiàn)場安裝的點(diǎn)式紅外吸收型可燃?xì)怏w檢測效果進(jìn)行了比對，得出以下結(jié)論：

1)天然氣站場廣泛使用的點(diǎn)式紅外吸收型可燃?xì)怏w探測器受外界環(huán)境影響較大，無法檢測微量可燃?xì)怏w泄漏和室外工藝區(qū)的天然氣泄漏檢測。

2)激光式可燃?xì)怏w探測器受風(fēng)速、水汽等外界環(huán)境的影響較小，可實(shí)現(xiàn)空廓區(qū)域內(nèi)天然氣的泄漏檢測，同時(shí)室外工藝區(qū)的泄漏檢測效果較好。

3)激光式可燃?xì)怏w檢測技術(shù)是近幾年新興的技術(shù)，雖然現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，但目前關(guān)于該類產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還不健全，期待檢定規(guī)程等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)早日頒發(fā)，供現(xiàn)場使用有據(jù)可查。