燃?xì)夤艿栏咝孤z測(cè)及定位方法探討與實(shí)踐

蘇日提，劉 鑫，陳泂杉

(1.港華投資有限公司, 廣東 深圳 518028； 2.港華燃?xì)馔顿Y有限公司，廣東 深圳 518028)

1 概述

隨著城市化建設(shè)的迅猛發(fā)展，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，截至2021年，城市天然氣管道總長度達(dá)92.91×104km[1]。燃?xì)夤芫W(wǎng)埋于地下，隨著管道在役年限的延長，不可避免因腐蝕、老化、第三方破壞等原因引起管道燃?xì)庑孤?，能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)和正確處置燃?xì)庑孤?，直接影響到社?huì)公眾安全，也是保障燃?xì)夤具\(yùn)行安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著新技術(shù)、新設(shè)備、新算法的不斷引入，泄漏檢測(cè)的精度和效率有了很大的提升。

2 城市燃?xì)庑孤z測(cè)技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)泄漏檢測(cè)技術(shù)

通常依據(jù)檢測(cè)原理將燃?xì)庑孤z測(cè)技術(shù)分為3類：物理檢測(cè)技術(shù)，如電纜及光纖傳感技術(shù)、聲學(xué)或超聲學(xué)探測(cè)技術(shù)、可見光攝像檢測(cè)技術(shù)、放射性物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)、管壁參數(shù)檢測(cè)法等；計(jì)算機(jī)軟件檢測(cè)技術(shù)，常見的有統(tǒng)計(jì)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、參數(shù)分析法、質(zhì)量平衡法、數(shù)學(xué)模型法等；人工巡查檢測(cè)技術(shù)，泄漏檢測(cè)人員使用推車式或探桿式10-6級(jí)全量程泄漏檢測(cè)儀沿管道行進(jìn)泄漏檢測(cè)，對(duì)運(yùn)行管道及附屬設(shè)施、規(guī)定范圍內(nèi)密閉空間進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行觀察，確認(rèn)管道是否存在泄漏情況[2]。人工巡查檢測(cè)技術(shù)是目前城市燃?xì)庑袠I(yè)使用較為普遍的泄漏檢測(cè)技術(shù)。

由于燃?xì)馀c沼氣的主要成分都是甲烷，在實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的疑似泄漏可能是地下沼氣造成的干擾。燃?xì)庵锌赡馨钠渌M分有乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮?dú)獾?。沼氣中可能包含的其他組分有氮?dú)?、氨氣、硫化氫、二氧化碳等。采用氣相色譜分析技術(shù)判別氣體中是否含有乙烷就可以快速判斷是否為燃?xì)庑孤2]。

2.2 車載泄漏檢測(cè)技術(shù)

目前精度最高的2種高精度車載泄漏檢測(cè)系統(tǒng)(簡稱車載檢測(cè)系統(tǒng))，分別是基于CRDS(光腔衰蕩光譜技術(shù))和軟件算法的Picarro Surveyor泄漏檢測(cè)系統(tǒng)與基于OA-ICOS(離軸積分腔輸出光譜技術(shù))和軟件算法的ABB Ability泄漏檢測(cè)系統(tǒng)[3]。CRDS和OA-ICOS是2種基于激光吸收光譜技術(shù)發(fā)明而發(fā)展的高靈敏光譜技術(shù)。

CRDS是通過測(cè)量脈沖激光在高反射光腔內(nèi)來回反射過程中的衰減率，進(jìn)而測(cè)量物質(zhì)吸收光程的方法[4]。當(dāng)反射率很高時(shí)，光可在衰蕩腔來回振蕩很多次，即吸收光程很大，因此可以檢測(cè)到痕量氣體[5]。OA-ICOS是一種結(jié)構(gòu)更簡單的激光吸收光譜技術(shù)，其使一束激光在光腔中來回反射，測(cè)量透過光腔的時(shí)間積分光強(qiáng)，通過比較與入射光強(qiáng)的差值，計(jì)算待測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。特點(diǎn)是激光以離軸的方式進(jìn)入光學(xué)諧振腔，調(diào)節(jié)腔長激發(fā)大量的高階橫模[6]。使各波段激光都能均勻通過光腔，有效地抑制了腔模波動(dòng)引起的噪聲，在一定程度上抗環(huán)境干擾[7]。上述2種車載檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)甲烷、乙烷體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)精度都可達(dá)到10-9級(jí)，最大車載檢測(cè)覆蓋范圍均達(dá)到檢測(cè)車兩側(cè)150 m[6]。檢測(cè)過程中都會(huì)檢測(cè)風(fēng)力、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)，作為泄漏點(diǎn)定位的重要依據(jù)，均可與北斗或GPS定位系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用。通過內(nèi)置的算法軟件，分析計(jì)算燃?xì)庑孤┣闆r并定位燃?xì)庑孤┪恢谩?/p>

3 現(xiàn)有燃?xì)庑孤z測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)與不足

3.1 傳統(tǒng)泄漏檢測(cè)技術(shù)

人工巡查檢測(cè)通常與硬件檢測(cè)、軟件檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)是成本較低、儀器自動(dòng)化程度高，操作容易。不足是人工巡查檢測(cè)使用的檢測(cè)儀器通常為10-6級(jí)，精度相對(duì)較低。同時(shí)，人工巡查檢測(cè)的檢測(cè)效率較低，檢測(cè)效率約3～5 km/d，檢測(cè)區(qū)域范圍較小，檢測(cè)結(jié)果也易受到沼氣、汽車尾氣等含甲烷的氣體干擾。

目前檢測(cè)效率較高的方法是采用車載檢測(cè)系統(tǒng)初檢排查，針對(duì)初檢中發(fā)現(xiàn)的疑似區(qū)域，再人工巡查檢測(cè)出泄漏信息點(diǎn)，最后通過激光分析類或色譜分析類的乙烷辨識(shí)設(shè)備，進(jìn)一步判定燃?xì)庑孤?/p>

3.2 車載檢測(cè)系統(tǒng)

車載檢測(cè)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，具有以下優(yōu)勢(shì)：

① 提高泄漏檢測(cè)效率。傳統(tǒng)人工巡查檢測(cè)需要人員徒步進(jìn)行，車載檢測(cè)系統(tǒng)可以在行駛過程中持續(xù)檢測(cè)，檢測(cè)效率為人工巡查檢測(cè)效率的8～10倍。

② 擴(kuò)大檢測(cè)覆蓋范圍。2種車載檢測(cè)系統(tǒng)最大可以覆蓋檢測(cè)車兩側(cè)150 m范圍，軟件算法結(jié)合檢測(cè)軌跡、風(fēng)向、檢測(cè)時(shí)間，可對(duì)已檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記。通過不同時(shí)段多次檢測(cè)，除車輛無法檢測(cè)區(qū)域(可行車地段兩側(cè)150 m外的農(nóng)田、山地、鐵路等)外，對(duì)整個(gè)城市管網(wǎng)進(jìn)行全面泄漏排查。

③ 提高泄漏氣體判別能力和效率?；贑RDS和基于OA-ICOS技術(shù)的泄漏檢測(cè)技術(shù)均可以檢測(cè)到極低體積分?jǐn)?shù)的甲烷和乙烷氣體，因此可以準(zhǔn)確判別輕微跡象的泄漏事件。

④ 提升泄漏點(diǎn)精準(zhǔn)定位能力。兩種車載檢測(cè)系統(tǒng)都需配合分析軟件使用?？烧故緳z測(cè)車的實(shí)時(shí)位置和檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)到高體積分?jǐn)?shù)時(shí)報(bào)警，分析并縮小泄漏點(diǎn)的可能位置，檢測(cè)完成后還可生成檢測(cè)區(qū)域的評(píng)估報(bào)告，可作為參考資料幫助燃?xì)馄髽I(yè)快速發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)。

車載檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)同樣存在一些不足，主要有：

① 存在檢測(cè)盲區(qū)，管道距離檢測(cè)車大于150 m時(shí)無法被檢測(cè)。

② 泄漏檢測(cè)靈敏度較高，檢測(cè)易受干擾。以LNG、CNG汽車的尾氣，以及天然氣、液化石油氣燃具點(diǎn)火過程中或燃燒不完全逸散的可燃?xì)怏w對(duì)車載檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大干擾，需要通過分時(shí)段多次檢測(cè)的方法，避開車輛、夜市、居民炊事高峰期對(duì)泄漏檢測(cè)帶來的干擾。

③ 氣源乙烷體積分?jǐn)?shù)過低時(shí)影響檢測(cè)效率。燃?xì)馄髽I(yè)無法掌握核心算法，在氣源乙烷含量較低的城市，不能根據(jù)氣源組成調(diào)節(jié)乙烷檢測(cè)預(yù)警值。如果城市燃?xì)庖彝楹枯^低(例如四川、江西省一些城市)，則同時(shí)檢測(cè)甲烷、乙烷體積分?jǐn)?shù)以便判定是否為燃?xì)庑孤?，效果?huì)被大幅度削弱。

④ “最后一段”泄漏定位效率待提升。車載檢測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)疑似泄漏定位結(jié)果是一個(gè)扇形區(qū)域，仍需運(yùn)行人員對(duì)該區(qū)域內(nèi)的管道及設(shè)施進(jìn)行排查。多次檢測(cè)后，車載檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)給出多個(gè)扇形區(qū)域，檢測(cè)人員需要定位到體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定的泄漏點(diǎn)。

4 車犬聯(lián)動(dòng)泄漏檢測(cè)方案

車犬聯(lián)動(dòng)泄漏檢測(cè)方案是利用車載檢測(cè)系統(tǒng)的快速檢測(cè)能力和燃?xì)庑崽饺`敏的嗅覺，捕捉四氫噻吩(THT)氣味從而輔助判定燃?xì)庑孤┎⒖焖俣ㄎ恍孤┪恢玫男滦吐?lián)合泄漏檢測(cè)方法。

4.1 燃?xì)庑崽饺?/h3>

燃?xì)庑崽饺悄軌虿蹲絋HT的氣味，判定是否存在燃?xì)庑孤┎⒍ㄎ恍孤┪恢玫膶I(yè)工作犬。2015年在英國某燃?xì)夤芫W(wǎng)公司首次應(yīng)用。2019年港華燃?xì)饧瘓F(tuán)從香港中華煤氣引入該技術(shù)，并在廈門建立燃?xì)庑崽饺嘤?xùn)基地，自主研發(fā)燃?xì)庑崽饺?xùn)導(dǎo)設(shè)施及訓(xùn)導(dǎo)方案，并成功訓(xùn)導(dǎo)出可實(shí)際應(yīng)用的燃?xì)庑崽饺?019年在本溪、常州、武漢、濟(jì)南等地進(jìn)行燃?xì)鈾z漏工作，復(fù)核及主動(dòng)查找泄漏點(diǎn)總計(jì)逾100處，得到當(dāng)?shù)仄髽I(yè)、政府、媒體等的認(rèn)可及好評(píng)。燃?xì)庑崽饺M(jìn)行泄漏檢測(cè)見圖1。

圖1 燃?xì)庑崽饺M(jìn)行泄漏檢測(cè)

燃?xì)庑崽饺?xùn)導(dǎo)通常選擇性格活潑開朗、膽量大、自信以及喜愛工作的犬，才能在比較復(fù)雜的環(huán)境下正常工作。犬種一般鎖定在4個(gè)品種：德國牧羊犬、史賓格犬、比利時(shí)馬犬、比格犬。這4個(gè)品種在長期使用中被認(rèn)為是嗅覺敏銳、可訓(xùn)性強(qiáng)的品種。

燃?xì)庑崽饺挠?xùn)導(dǎo)通常分為3個(gè)階段：

① 基本幼訓(xùn)和社會(huì)化的訓(xùn)練。訓(xùn)練犬對(duì)THT形成嗅聞的條件反射及氣味捕捉能力。訓(xùn)練犬的服從行為，以便讓犬能夠按預(yù)定報(bào)警方式給出報(bào)警信號(hào)。

② THT針對(duì)性訓(xùn)練。這個(gè)階段犬對(duì)THT已經(jīng)形成穩(wěn)定的條件反射，當(dāng)嗅聞到指定氣味時(shí)可以果斷報(bào)警，指定氣味來源位置，且讓犬能在其他氣味干擾下，找到只含THT的嗅源。

③ 燃?xì)庑孤ｍ?xiàng)訓(xùn)練。在訓(xùn)犬基地按照真實(shí)的燃?xì)夤艿婪笤O(shè)場(chǎng)景(綠化帶、人行道、混凝土路面等)建設(shè)訓(xùn)犬場(chǎng)地，設(shè)置泄漏點(diǎn)，模擬燃?xì)庑孤?，?duì)犬進(jìn)行專項(xiàng)訓(xùn)練，使犬具備對(duì)管道燃?xì)庑孤c(diǎn)的嗅探和識(shí)別定位能力。

4.2 車犬聯(lián)動(dòng)泄漏檢測(cè)方案

2020年，港華燃?xì)饧瘓F(tuán)經(jīng)過不斷探索優(yōu)化，首創(chuàng)車犬聯(lián)動(dòng)泄漏檢測(cè)方案(簡稱車犬聯(lián)動(dòng)方案)，使用車載檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)需要檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行初檢，針對(duì)初檢后懷疑存在泄漏的區(qū)域，燃?xì)庑崽饺ㄟ^捕捉空氣中有無THT氣味，判斷有無天然氣泄漏，并對(duì)地表燃?xì)庑孤c(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。車犬聯(lián)動(dòng)方案在檢測(cè)有無甲烷、乙烷的基礎(chǔ)上，同時(shí)檢測(cè)有無THT，使其更加準(zhǔn)確快速，檢測(cè)覆蓋面更廣。車犬聯(lián)動(dòng)方案步驟為：首先由車載檢測(cè)系統(tǒng)初檢，指出疑似泄漏范圍。檢測(cè)車檢測(cè)范圍用灰色標(biāo)出，紅色扇形為泄漏指示標(biāo)志，黃色扇形為疑似泄漏指示標(biāo)志，灰綠色扇形為沼氣指示標(biāo)志，見圖2。再由燃?xì)庑崽饺M(jìn)入紅色及黃色扇形區(qū)域，通過追蹤THT氣味定位泄漏點(diǎn)。

圖2 檢測(cè)車終端分析過程(軟件截圖)

5 車犬聯(lián)動(dòng)方案的應(yīng)用

截至2022年1月，按照車犬聯(lián)動(dòng)方案已在江蘇、吉林、遼寧、湖北、安徽、江西、廣西、廣東、山東、四川等省自治區(qū)對(duì)超過3 000 km管道進(jìn)行周期泄漏檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)的泄漏點(diǎn)中，埋地鋼管泄漏點(diǎn)占29%，埋地PE管泄漏點(diǎn)占15%，立管絲堵泄漏點(diǎn)占34%，閥門泄漏點(diǎn)占14%，調(diào)壓箱或調(diào)壓柜泄漏點(diǎn)占7%，表箱泄漏點(diǎn)占1%。前2項(xiàng)為地下泄漏點(diǎn)，其他為地上泄漏點(diǎn)。

5.1 埋地管道應(yīng)用

埋地管道泄漏后，燃?xì)饪赡茉谕寥乐辛鞲Z，較難精準(zhǔn)定位。但是利用燃?xì)庑崽饺男嵊X，可通過土層里的THT準(zhǔn)確定位泄漏位置，定位速度快、精準(zhǔn)度高。

2021年3月，利用車犬聯(lián)動(dòng)方案為某公司檢測(cè)時(shí)，車載檢測(cè)系統(tǒng)在某醫(yī)院附近標(biāo)記了多個(gè)黃色扇形(疑似泄漏指示標(biāo)志)，且密集分布?？紤]到當(dāng)?shù)貧庠匆彝楹枯^低，將該區(qū)域定為疑似泄漏區(qū)域。隨后利用燃?xì)庑崽饺谠搮^(qū)域進(jìn)行泄漏檢測(cè)，嗅探犬在院墻墻角處示警(定位泄漏點(diǎn))，見圖3。檢測(cè)人員用便攜式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀確認(rèn)，甲烷體積分?jǐn)?shù)為甲烷爆炸下限的16.6%。開挖之后，有一處管道受到外腐蝕導(dǎo)致管道穿孔，燃?xì)庑孤c(diǎn)距燃?xì)庑崽饺ㄎ恍孤c(diǎn)相距僅約50 cm。隨后該公司更換該管段，并提高對(duì)該管道的檢測(cè)頻率。

圖3 嗅探犬在院墻墻角處示警

2020年10月，利用燃?xì)庑崽饺疄槟彻緳z測(cè)某小區(qū)時(shí)，在小區(qū)綠化帶發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏。檢測(cè)人員用便攜式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀進(jìn)行確認(rèn)，儀器測(cè)量讀數(shù)顯示甲烷體積分?jǐn)?shù)為64.2%，經(jīng)開挖確認(rèn)是DN 50 mm埋地鋼管因腐蝕銹穿。地下泄漏點(diǎn)在燃?xì)庑崽饺ㄎ恍孤c(diǎn)的正下方，無水平偏差。隨后該公司立即對(duì)泄漏管道進(jìn)行整改，并加強(qiáng)同一批次施工管道的監(jiān)測(cè)工作。

2020年10月，利用燃?xì)庑崽饺疄槟彻緳z測(cè)時(shí)，一處停車場(chǎng)內(nèi)(瀝青路面)發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏。檢測(cè)人員用便攜式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀進(jìn)行確認(rèn)，儀器測(cè)量讀數(shù)顯示甲烷體積分?jǐn)?shù)為10%，經(jīng)開挖搶修確認(rèn)是DN 100 mm埋地鋼管法蘭接頭處泄漏。地下泄漏點(diǎn)距燃?xì)庑崽饺ㄎ恍孤c(diǎn)約1 m。

5.2 地上管道應(yīng)用

燃?xì)庑崽饺蓪?duì)敷設(shè)位置相對(duì)較低的地上燃?xì)夤艿肋M(jìn)行泄漏檢測(cè)，而此部分管道往往處于埋地與架空敷設(shè)管道結(jié)合處，容易出現(xiàn)腐蝕情況。如發(fā)生泄漏，燃?xì)庑崽饺煽焖倬珳?zhǔn)進(jìn)行定位。

2021年3月，某公司利用車犬聯(lián)動(dòng)方案進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí)，車載檢測(cè)系統(tǒng)在某銀行附近發(fā)現(xiàn)紅色扇形(泄漏指示標(biāo)志)。隨后利用燃?xì)庑崽饺诩t色扇形區(qū)域進(jìn)行泄漏檢測(cè)，燃?xì)庑崽饺芸煸谌細(xì)獗硐淞⒐芏骂^處示警，見圖4。運(yùn)行人員用便攜式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀進(jìn)行確認(rèn)，甲烷體積分?jǐn)?shù)為甲烷爆炸下限的5.3%，隨即對(duì)該處泄漏進(jìn)行整改。

圖4 燃?xì)庑崽饺谌細(xì)獗硐淞⒐芏骂^處示警

2021年7月，某公司利用燃?xì)庑崽饺M(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí)，燃?xì)庑崽饺谌細(xì)饧斜硐涮幇l(fā)現(xiàn)疑似泄漏。運(yùn)行人員用便攜式可燃甲烷檢測(cè)儀進(jìn)行確認(rèn)，儀器測(cè)量甲烷體積分?jǐn)?shù)為甲烷爆炸下限的6.6%，該公司隨即對(duì)該處泄漏進(jìn)行整改。

5.3 車犬聯(lián)動(dòng)方案的優(yōu)勢(shì)

① 提升高檢測(cè)精度。車載檢測(cè)系統(tǒng)和燃?xì)庑崽饺臋z測(cè)精度均可達(dá)到10-9級(jí)，在車載檢測(cè)系統(tǒng)無法檢測(cè)區(qū)域，可由燃?xì)庑崽饺毓艿肋M(jìn)行泄漏檢測(cè)，從而保證泄漏檢測(cè)的精度。

② 抗干擾能力強(qiáng)。在不同時(shí)段多次檢測(cè)的基礎(chǔ)上，可利用燃?xì)庑崽饺畽z測(cè)可疑區(qū)域是否存在THT，通過辨別乙烷、THT是否存在，無論城市燃?xì)夥N類、氣質(zhì)如何，均能快速判定是否為燃?xì)庑孤?，保證用氣安全。