在天然氣集輸系統(tǒng)中，天然氣站場的可靠性在很大程度上影響整個集輸系統(tǒng)的安全，但是因設(shè)備多、流程復(fù)雜、密封點(diǎn)多，導(dǎo)致其泄漏概率較大。因此，在天然氣站場建立一套可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，可將管道運(yùn)營的安全水平控制在合理、可接受的范圍內(nèi)，減少事故發(fā)生。隨著研究的深入，基于激光檢測原理的傳感器逐漸被開發(fā)并投入使用，激光氣體檢測技術(shù)采用光譜吸收原理，具有靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)場站內(nèi)微小泄漏的檢測。

激光氣體檢測原理

激光氣體檢測技術(shù)利用氣體的紅外光譜吸收特征來確定其濃度，根據(jù)甲烷特征吸收峰來選取特定頻率的激光，以保證不受其他干擾氣體的影響。系統(tǒng)的激光氣體傳感器采用基于TDLAS技術(shù)的波長調(diào)制法進(jìn)行檢測，通過在激光器驅(qū)動電流中注入低頻三角波和高頻正弦波，實(shí)現(xiàn)激光波長的掃描和調(diào)制。將探測信號輸入鎖相放大器，提取各諧波信號分量，以此來計(jì)算氣體泄漏的分?jǐn)?shù)。通過提高激光功率，可實(shí)現(xiàn)對天然氣的遠(yuǎn)距離遙測；同時，激光檢測為非接觸式測量，可通過調(diào)整激光光路的路徑，使其穿過管道的法蘭、閥門、螺紋等部位附件的空間區(qū)域并形成反射，從而實(shí)現(xiàn)對管道設(shè)備微小泄漏的監(jiān)測。

系統(tǒng)組成

天然氣站場掃描式激光氣體監(jiān)測系統(tǒng)由掃描式激光氣體傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、預(yù)警監(jiān)控終端3部分組成：掃描式激光氣體傳感器安裝在站場的露天工藝區(qū)內(nèi)，其位置與高度根據(jù)管道設(shè)備的分布確定；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用“光端機(jī)+光纜”的形式進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化，同時傳輸前端傳感器所采集數(shù)據(jù)與預(yù)警監(jiān)控終端發(fā)出的指令信號；預(yù)警監(jiān)控終端基于力控組態(tài)軟件與可編程邏輯控制器開發(fā)設(shè)計(jì)，包含云臺控制、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集三大模塊。

掃描式激光氣體傳感器

該系統(tǒng)采用基于云臺的掃描式激光氣體傳感器，其由三維旋轉(zhuǎn)云臺、激光檢測模塊、視頻監(jiān)控模塊組成。

激光檢測模塊

激光檢測模塊主要由激光信號收發(fā)單元、信號控制采集處理單元、主控與數(shù)據(jù)傳輸單元3部分組成。其中，激光信號收發(fā)單元由激光器、探測器、透鏡組成；信號控制采集處理單元包括激光器控制電路與信號檢測電路；主控與數(shù)據(jù)傳輸單元主體結(jié)構(gòu)為單片機(jī)，其主要作用為向信號控制采集處理單元發(fā)送指令并接收信號，同時進(jìn)行外部數(shù)據(jù)的傳輸。

三維旋轉(zhuǎn)云臺與視頻監(jiān)控模塊

三維旋轉(zhuǎn)云臺選用適用于氣體防爆Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)及粉塵防爆A20～A22區(qū)防爆場合的防爆一體化全方位變速云臺，其滿足電源、信號、視頻三重防雷要求，符合天然氣站場的使用要求。云臺可實(shí)現(xiàn)水平360°、垂直180°的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時可根據(jù)后端動作指令完成預(yù)置位的設(shè)置，每臺云臺可獨(dú)立設(shè)置128個預(yù)置位，通過預(yù)置位的設(shè)置可確定傳感器巡航路徑。云臺內(nèi)安裝的視頻監(jiān)控模塊采用?？低暭t外高清攝像頭，最大圖像尺寸為1280×960，視頻流為32kb/s~8Mb/s。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)前端激光氣體傳感器與后端預(yù)警監(jiān)控終端之間信號的傳輸。其中前端傳感器向后端傳輸?shù)男盘枮椋杭す鈾z測模塊的濃度數(shù)據(jù)信號；三維旋轉(zhuǎn)云臺實(shí)時返回的云臺動作信號；視頻監(jiān)控模塊采集的工藝現(xiàn)場視頻信號。預(yù)警監(jiān)控終端通過向前端傳感器發(fā)送指令信號控制傳感器的運(yùn)行。

預(yù)警監(jiān)控終端

系統(tǒng)監(jiān)控終端軟件平臺基于力控組態(tài)軟件與可編程邏輯控制器進(jìn)行開發(fā)，其上位機(jī)監(jiān)控軟件采用力控ForceControl7.2組態(tài)軟件進(jìn)行搭建，下位機(jī)系統(tǒng)軟件采用PLC編程軟件實(shí)現(xiàn)，通過上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信連接可實(shí)現(xiàn)對激光氣體傳感器的運(yùn)行控制以及對天然氣站場天然氣泄漏的實(shí)時監(jiān)測。根據(jù)天然氣站場可燃?xì)怏w監(jiān)測的需求，系統(tǒng)中設(shè)有云臺控制、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集三大模塊。

系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)在中哈天然氣管道C線某壓氣站的工藝區(qū)內(nèi)安裝使用，在該壓氣站工藝區(qū)內(nèi)安裝4臺掃描式激光氣體傳感器。為形成對管道設(shè)備的覆蓋式監(jiān)測，通過分析氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律與場區(qū)管道設(shè)備的分布，將4臺傳感器的安裝高度統(tǒng)一定為9m，其中過濾分離區(qū)與空冷區(qū)的兩臺傳感器借助照明塔進(jìn)行安裝，壓縮機(jī)區(qū)的兩臺傳感器使用監(jiān)控專用立桿進(jìn)行安裝。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)安裝在監(jiān)控立桿下方防爆箱內(nèi)，借助其完成氣體傳感器的信號轉(zhuǎn)化與傳輸；通信光纜與電纜采用直埋方式敷設(shè)，與站控室的預(yù)警終端連接；預(yù)警監(jiān)控終端安裝在站控室，由站場工作人員實(shí)時監(jiān)控工藝區(qū)可燃?xì)怏w濃度。

為完成對場區(qū)的自動化巡航監(jiān)測，需要對激光氣體傳感器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置此外，根據(jù)工藝場區(qū)設(shè)備的分布與工況條件等，需要對傳感器的掃描速度進(jìn)行定義，從而確定傳感器的巡航周期。以GS01傳感器為例，其位于壓氣站的過濾分離區(qū)，屬于場站的易泄漏區(qū)域，因此需要設(shè)置較低的巡航速度，其巡航周期較長，約為18min。

對傳感器運(yùn)行參數(shù)設(shè)置完成后，選取系統(tǒng)運(yùn)行一日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析可知：過濾區(qū)與空冷區(qū)管道設(shè)備種類繁多，包括大量閥門、法蘭等部件，且負(fù)責(zé)大輸送量的天然氣過濾與冷卻等工藝，其在日常的運(yùn)行中存在微量泄漏，天然氣體積分?jǐn)?shù)一般處于200×10-6以下，遠(yuǎn)低于爆炸極限，處于安全水平。此外，該工藝區(qū)在7:00與0:00均監(jiān)測到較高的天然氣泄漏，此現(xiàn)象與該時間段輸氣壓力較高有關(guān)。而增壓區(qū)的設(shè)備主要是輸氣管道，工藝較為簡單，因此存在的微泄漏現(xiàn)象相比過濾區(qū)與冷卻區(qū)輕微，天然氣體積分?jǐn)?shù)多集中在100×10-6下。以上監(jiān)測結(jié)果符合壓氣站實(shí)際情況，說明該系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

結(jié)論

針對天然氣站場可燃?xì)怏w泄漏問題，研制了一套由激光氣體傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、后端預(yù)警監(jiān)控終端組成的基于掃描式激光氣體傳感器的安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測量精度高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)、線式測量到立體掃描式測量的轉(zhuǎn)變。隨著天然氣站場向智慧化管理轉(zhuǎn)變與GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)等可視化展示技術(shù)的發(fā)展，利用傳感器立體掃描的特性，將站場的設(shè)備空間坐標(biāo)等靜態(tài)數(shù)據(jù)與天然氣濃度等動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合，對于實(shí)現(xiàn)站場可視化智能監(jiān)測具有重要意義，是未來的重要發(fā)展方向。