石油石化企業(yè)泄漏檢測技術(shù)現(xiàn)狀及前景＊

張靜宇 孫秉才 馮 興 曹航博 周玉杰

(1.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；2.中國石油大學(xué)(北京)；3.中國石油長慶油田分公司第四采油廠；4.中國石油蘭州石化分公司)

0 引 言

隨著第四次工業(yè)革命的到來，人工智能、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展為智能化油氣田、智能化站場、智慧化管道的建設(shè)提供了可能。由于石油石化行業(yè)介質(zhì)的特殊性，需要重點(diǎn)關(guān)注站場介質(zhì)的泄漏檢測與監(jiān)測。石油石化行業(yè)站場智能化對泄漏檢測及監(jiān)測技術(shù)提出的需求主要包括以下兩方面：一是機(jī)、泵、爐、罐、管等結(jié)構(gòu)泄漏的視頻識別；二是泄漏介質(zhì)類別的視頻識別。

美國Providence Photonics公司將有機(jī)氣體泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展劃分為三個階段：第一階段為傳統(tǒng)識別，采用便攜式檢測儀進(jìn)行泄漏識別；第二階段為智能識別，人工采用紅外氣體相機(jī)、光譜相機(jī)進(jìn)行泄漏檢測；第三階段為人工智能識別，利用泄漏檢測設(shè)備與計算機(jī)視覺自動識別,實(shí)現(xiàn)全天候報警[1]。目前我國多數(shù)煉化企業(yè)、油氣站場有機(jī)氣體泄漏檢測處于傳統(tǒng)識別階段，部分企業(yè)引進(jìn)了紅外氣體檢測攝像機(jī)用以進(jìn)行VOCs檢測，少部分企業(yè)配備固定式高光譜智能相機(jī)，實(shí)現(xiàn)全天候泄漏檢測及泄漏介質(zhì)識別。

紅外成像技術(shù)在介質(zhì)泄漏檢測方面效果顯著。該技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用集中于中紅外波段，目前在行業(yè)內(nèi)已有應(yīng)用，但尚未普及。因此利用先進(jìn)視頻識別技術(shù)來提高泄漏檢測效率，增強(qiáng)站場安防監(jiān)控效果，將成為未來石油石化企業(yè)安防監(jiān)控的發(fā)展方向。

1 站場傳統(tǒng)泄漏檢測技術(shù)

目前站場泄漏檢測與監(jiān)測以固定式和便攜式設(shè)備為主。便攜式泄漏檢測設(shè)備主要應(yīng)用于工人巡檢過程中對設(shè)備“跑、冒、滴、漏”的檢查，固定式泄漏檢測設(shè)備主要應(yīng)用于大場景下危險介質(zhì)泄漏的預(yù)警。

1.1 便攜式泄漏檢測設(shè)備

站場便攜式泄漏檢測設(shè)備包括傳統(tǒng)色譜分析儀、紅外光譜氣體分析儀、電化學(xué)分析儀、順磁氧分析儀等?？紫檐姷萚2]利用便攜式泄漏檢測設(shè)備對某煉油廠開展了全面的泄漏檢測與統(tǒng)計分析，共檢測31 433個密封點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)72 處，泄漏率0.23%。統(tǒng)計結(jié)果表明，該技術(shù)能夠完成工作任務(wù)，但工作量大。目前部分石油石化單位引進(jìn)了某品牌點(diǎn)檢信息處理終端系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量、查詢及通訊等系統(tǒng)化操作，在一定程度降低了管理難度，提高了工作效率。

1.2 固定式泄漏檢測設(shè)備

固定式泄漏檢測設(shè)備分為點(diǎn)式和線式兩種，兩者均利用氣體擴(kuò)散特性進(jìn)行檢測。目前石油石化站場內(nèi)普遍布置可燃?xì)怏w檢測儀、有毒氣體檢測儀等。該類點(diǎn)式設(shè)備一般采用電化學(xué)原理，待檢測介質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入儀器感應(yīng)單元發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，通過改變原件的電物理特性進(jìn)行檢測，當(dāng)傳遞信號超限時即可進(jìn)行報警[3]。固定線式報警器依靠激光進(jìn)行檢測，分激光發(fā)射端和接收端兩部分，兩端通過光纖連接，待檢測氣體飄散至激光所在位置后設(shè)備報警。

傳統(tǒng)的泄漏介質(zhì)檢測與監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)也存在一些弊端。例如：西北某石化企業(yè)丙烯腈車間曾發(fā)生微量氫氰酸泄漏，現(xiàn)場固定式氫氰酸報警器及時報警，并有效地避免了事故發(fā)生。但后續(xù)事故處置過程中，由于管線被保溫層覆蓋，點(diǎn)式危險氣體報警器難以確定泄漏位置。同時該企業(yè)高壓聚乙烯車間壓縮機(jī)棚內(nèi)設(shè)置多套激光對射式泄漏檢測儀，當(dāng)乙烯泄漏擴(kuò)散至對射式檢測設(shè)備之間時設(shè)備報警，但報警響應(yīng)受風(fēng)的影響較大。

上述案例表明，固定式可燃?xì)怏w檢測形式在一定程度上能夠滿足石油石化行業(yè)的安全需求，雖然仍存在漏點(diǎn)檢測不直觀、報警濃度滯后[4]、設(shè)備安裝位置難以優(yōu)選、受環(huán)境影響大等缺點(diǎn)，但作為傳統(tǒng)泄漏檢測裝置，目前在石油石化站場仍發(fā)揮主力作用。

利用某品牌紅外視頻成像儀器對華北某煉廠污油池進(jìn)行現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部輕組分大量揮發(fā)，而污油池下風(fēng)向固定式可燃?xì)怏w報警儀未報警；同樣利用該設(shè)備對該廠區(qū)內(nèi)某罐區(qū)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)3具重整原料儲罐底部鋼帶式液位計履帶處發(fā)生大量泄漏，1具輕油儲罐罐頂取樣口法蘭處及安全閥處發(fā)生大量泄漏，現(xiàn)場報警設(shè)備均未報警。液位計泄漏紅外圖像見圖1。

圖1 重整原料泄漏紅外圖像

2 紅外成像檢測技術(shù)

紅外成像技術(shù)檢測氣體的關(guān)鍵因素在于氣體能夠吸收經(jīng)過的紅外輻射，并產(chǎn)生具有其“指紋特性”的吸收光譜。紅外光譜可分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外3個波段。中紅外波段又分為短波紅外、中波紅外和長波紅外3個波段。石油石化行業(yè)危險介質(zhì)紅外吸收峰大多集中在中紅外波段。根據(jù)待檢測氣體吸收光源的不同，紅外視頻圖像檢測技術(shù)可分為基于激光光源輻射吸收的主動式成像檢測技術(shù)和基于背景輻射吸收的被動式成像檢測技術(shù)[5]。主動式成像檢測技術(shù)包括傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)、差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)、可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)和差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)(DIAL)。其本質(zhì)均為利用紅外光源照射待檢測氣體，利用其吸收特性進(jìn)行識別。在被動式紅外成像檢測技術(shù)中，按照工作波段不同可分為紅外熱成像技術(shù)和紅外光譜成像技術(shù)。依據(jù)光譜分辨率不同，紅外光譜成像技術(shù)可分為多光譜技術(shù)和高光譜技術(shù)[6]。

2.1 TDLAS技術(shù)

TDLAS技術(shù)是指可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)，這種測量方法由美國科學(xué)家Hinkley和Reid提出，可用于氣體監(jiān)測、溫度監(jiān)測，現(xiàn)已發(fā)展成為非常靈敏和常用的痕量氣體的監(jiān)測技術(shù)。TDLAS技術(shù)利用紅外激光被氣體分子吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體種類與濃度，半導(dǎo)體激光器發(fā)射出僅能被待測氣體吸收的特定波長的激光穿過待測氣體，激光強(qiáng)度的衰減與待測氣體的濃度成一定的函數(shù)關(guān)系，通過測量激光強(qiáng)度衰減信息分析獲得待測氣體的濃度，通過吸收光譜確定氣體種類。可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光線寬窄、波長可隨注入電流的改變而發(fā)生變化。TDLAS技術(shù)利用上述特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對分子的單個或幾個距離很近、很難分辨的吸收線進(jìn)行測量。該技術(shù)靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H2S、HCN、C2H2、C2H4等氣體的自動檢測，適用于石油、化工、環(huán)保等領(lǐng)域。目前該技術(shù)在大氣痕量污染氣體監(jiān)測等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。

國內(nèi)許多學(xué)者基于TDLAS技術(shù)對氣體泄漏檢測進(jìn)行了相關(guān)研究，姜治深等[7]基于該技術(shù)原理對標(biāo)準(zhǔn)濃度CH4進(jìn)行了測量標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)在單程40 m的遙測距離下具有良好的時間響應(yīng)性，能夠有效實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。同時該技術(shù)也可用于石油石化行業(yè)H2S、NH3等的泄漏監(jiān)測中。孫鵬帥等[8]在開放式天然氣泄漏情況下對TDLAS技術(shù)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可對CH4、C2H2、C2H4等氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)測，響應(yīng)時間均小于2 s，在距離50 m和100 m兩種實(shí)驗(yàn)條件下報警正確率均可達(dá)100%。

TDLAS技術(shù)具有高選擇性、適用性強(qiáng)、速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。TDLAS技術(shù)基于高分辨率的光譜技術(shù)，分子光譜獨(dú)特的“指紋”特征使其不受其他氣體的干擾，對所有在紅外波段有吸收的活躍分子都有效，且在不失靈敏度的情況下，時間分辨率可在ms量級。TDLAS技術(shù)利用單束激光光源進(jìn)行氣體檢測的原理決定了其在獲得高的光譜分辨率的同時，難以獲得寬的譜段，因此單個激光器僅能分辨一種氣體，而多激光器耦合進(jìn)行多組分測量難度劇增。該技術(shù)適用于成分明確的氣體泄漏監(jiān)測。

2.2 紅外熱成像技術(shù)

紅外熱像儀有光子探測與熱探測兩種不同的原理。光子探測技術(shù)是利用光子在半導(dǎo)體材料上產(chǎn)生的電效應(yīng)進(jìn)行成像，敏感度高，受溫度影響大，需要在探測器前進(jìn)行降溫。熱探測技術(shù)則是將光線引發(fā)的熱量轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行成像，敏感度相對較低，但無需制冷。根據(jù)成像原理，紅外熱像儀采用的紅外探測器有制冷型與非制冷型兩種，實(shí)際應(yīng)用中選擇紅外熱像儀的類型與用戶對于精度的要求直接相關(guān)。制冷型紅外熱像儀靈敏度高、能夠分辨更細(xì)微的溫度差別(10 mK左右)、響應(yīng)速度快、探測器距離遠(yuǎn)，但設(shè)備使用的小型斯特林制冷機(jī)目前售價在30～40 萬元，價格昂貴；非制冷紅外熱像儀具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、壽命長、成本低、啟動快等優(yōu)點(diǎn)。

典型的制冷型紅外熱像儀生產(chǎn)廠家有美國FLIR、法國Sofradir、以色列SCD、高德紅外等。法國Bertin技術(shù)公司Second Sight TC 、Second Sight MS屬于典型的非制冷型紅外熱像儀。相關(guān)設(shè)備及現(xiàn)場應(yīng)用情況見圖2、圖3。

圖2 法國Second Sight紅外攝像機(jī)

圖3 法國Second Sight紅外攝像機(jī)應(yīng)用實(shí)例

2.3 紅外多光譜技術(shù)

光譜成像技術(shù)是基于成像學(xué)和光譜學(xué)發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它作為一種分析工具，可應(yīng)用于物質(zhì)識別，在石油石化站場泄漏介質(zhì)檢測及識別方面優(yōu)勢明顯。與主動式成像檢測技術(shù)不同，作為被動式成像的紅外光譜成像技術(shù)依靠背景產(chǎn)生的黑體輻射成像，黑體輻射穿過待檢測氣云被吸收后，投射部分進(jìn)入攝像機(jī)，產(chǎn)生特定氣體的吸收光譜被紅外探測器捕捉，從而檢測氣體。黑體輻射的強(qiáng)度與溫度密切相關(guān)，晝夜交替使得探測場景中目標(biāo)與背景的溫差產(chǎn)生變化，可能存在某個階段兩者之間紅外差異接近零，從而產(chǎn)生盲區(qū)。針對上述問題，趙慧潔等[9]進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了基于中紅外多光譜的晝夜熱交替時段探測方法，利用不同目標(biāo)之間的紅外光譜特性差異實(shí)現(xiàn)熱交替時段目標(biāo)的識別與區(qū)分，為紅外探測系統(tǒng)的全天候?qū)嶋H應(yīng)用提供了良好借鑒。

多光譜的定義在于待檢測波段內(nèi)光譜通道的多少，光譜通道增加意味著光譜分辨率提高。一般光譜通道在10～20 個的光譜成像技術(shù)被稱為多光譜成像。

加拿大Telops公司生產(chǎn)MS-IR系列紅外多光譜攝像機(jī)，配備8位快速旋轉(zhuǎn)濾光輪，可將場景信號分成不同光譜帶，以實(shí)現(xiàn)光譜特征分析。濾光輪可提高幀率，可選固定或旋轉(zhuǎn)模式。濾波器最高轉(zhuǎn)速100 Hz，幀率可達(dá)800 fps。中波系列MS-M100K探測波段為3.0～4.9 μm，長波系列MS-V300探測波段為7.7～11.8 μm，均采用制冷式紅外探測器。

多數(shù)烴類光譜特性集中于3.2～3.4 μm波段，多光譜成像技術(shù)光譜分辨率在10～100 nm，這使得在該波段上的光譜連續(xù)性較差，因此多光譜技術(shù)不能有效區(qū)分氣體種類。在氣體組分大致了解，且不需要明確氣體種類的泄漏檢測中，多光譜技術(shù)能對泄漏進(jìn)行有效檢測與監(jiān)測。該技術(shù)相較于傳統(tǒng)泄漏檢測技術(shù)在有害氣體識別方面具有成像直觀、泄漏源易排查等優(yōu)勢，但由于部分氣體在相同波段內(nèi)有類似的吸收峰，如CH4與SO2在7～8 μm吸收峰接近，因此在泄漏氣體種類識別方面需要提高光譜分辨率，石油石化行業(yè)的泄漏檢測技術(shù)有必要從多光譜向高光譜邁進(jìn)。

2.4 紅外高光譜技術(shù)

高光譜更接近于成像光譜的概念，高光譜成像的光譜通道一般為100～400 個，分辨率一般在10 nm以下，而且各光譜通道間往往是連續(xù)的。通過搭載在不同平臺上的高光譜傳感器，能夠在電磁波譜的紫外、可見光、近紅外和中紅外區(qū)域，以數(shù)十至數(shù)百個連續(xù)且細(xì)分的光譜波段對目標(biāo)區(qū)域同時成像。

許多學(xué)者對紅外高光譜技術(shù)在泄漏檢測成像方面進(jìn)行了研究。朱亮等[10]利用加拿大Telops公司生產(chǎn)的基于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)的Hyper-Cam傅里葉光學(xué)紅外成像光譜儀對濃度為99.9%的CH4氣體進(jìn)行識別，實(shí)驗(yàn)分析了光譜分辨率、氣體排放流量對遙測識別的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)光譜分辨率為4 cm-1時，可以明顯識別出云團(tuán)為CH4氣體，繼續(xù)提高光譜分辨率后，設(shè)備對氣體種類的識別無影響。

美國某公司利用高光譜技術(shù)生產(chǎn)高光譜攝像機(jī)，具有量化氣體釋放、泄漏源精確定位等功能。該攝像機(jī)目前在國內(nèi)應(yīng)用較少，僅在西南某煉廠及油氣田有應(yīng)用案例[11]，見圖4。

圖4 西南某煉廠配備的氣云成像攝像機(jī)

該攝像機(jī)采用的成像技術(shù)主要分為熱源成像技術(shù)和高光譜成像技術(shù)。熱源成像技術(shù)是指采集氣體目標(biāo)場景某一紅外波段的輻射信息以實(shí)現(xiàn)氣體泄漏檢測的熱成像技術(shù)，其檢測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)相對簡單、光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜度較低、維護(hù)成本低等優(yōu)勢。光譜成像技術(shù)是指利用不同成分的氣體對特定紅外波長的吸收差異分辨氣體種類，通過吸收強(qiáng)度確定氣體濃度，根據(jù)吸收波長分辨氣體類型。高分辨率光譜對氣體的特征有更精細(xì)的區(qū)分，能更準(zhǔn)確地識別出氣體的類別和濃度特征。

高光譜成像技術(shù)的本質(zhì)在于光譜分辨率的提高，制冷型紅外探測器等關(guān)鍵設(shè)備作用巨大。小型制冷機(jī)的工作壽命限制了設(shè)備全天候連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，紅外探測器技術(shù)受國外壟斷。以上因素導(dǎo)致高光譜成像技術(shù)應(yīng)用維護(hù)成本高，目前廣泛應(yīng)用難度較大。針對上述問題，南京、安徽部分高校及科研院所提出了基于激光光源的主動式成像技術(shù)及制冷機(jī)解決方案，可實(shí)現(xiàn)高分辨率的泄漏檢測，分辨泄漏介質(zhì)種類，但這些技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)束語

在油氣行業(yè)智能化的大背景下，智能化站場的感知能力提高尤為關(guān)鍵，本文針對站場泄漏檢測與監(jiān)測存在的弊端，調(diào)研了傳統(tǒng)模式下的檢測與監(jiān)測方法。傳統(tǒng)方法操作簡單，但流程復(fù)雜、效率低，難以滿足當(dāng)前智能化站場的需求。紅外激光成像、紅外熱成像和光譜成像技術(shù)在泄漏介質(zhì)檢測方面具有準(zhǔn)確、迅速、直觀等優(yōu)點(diǎn)，將為未來石油石化行業(yè)安防監(jiān)控、智能感知提供有力支持。