气云成像摄像机气体泄漏监测技术研究及应用

刘 欢 胡畔宁 魏 莱

（1.中国石油西南油气田公司国际合作事业部，四川 成都 610051；2.中国石油西南油气田公司通信与信息技术中心，四川 成都 610051；3.中国石油西南油气田公司开发事业部，四川 成都 610051）

0 引言

四川盆地是我国已探明天然气储量重要集中地区，在四川盆地近10年发现的大型、特大型气田探明储量达24 070×108m3，其中川东北区块的天然气资源量最为丰富，普光礁滩、元坝礁滩探明储量达6 317×108m3［1］。虽然川东北地区天然气资源丰富，但川东北气田多为高含硫气田，高含硫天然气开发本身面临腐蚀性强、毒性大等风险，川东北气田普遍还具有气藏埋藏深、地质条件复杂、气田周边人居稠密、地形复杂、交通不便等特点，安全清洁开发面临严峻挑战［2］。其开发存在的重大安全环保风险主要有：① 井喷失控造成含硫天然气释放；② 含硫天然气管道泄漏；③ 天然气净化厂装置区含硫天然气或酸气泄漏。因此，防范管道及装置的含硫天然气或酸气泄漏是高含硫气田安全开发的重要议题，一方面需要强化工程安全设计防止泄漏的发生，例如增加管壁厚度和加深管埋深度，建立正确的内部腐蚀监测和阴极保护系统，确保管道和装置的本质安全；另一方面应建立可靠、高效、全面的天然气泄漏监测系统，及时、准确、有效发现泄漏险情，充分考虑到管道输送介质（高压、高酸性、易燃气体）所带来的健康和安全隐患，实现对微小泄漏的敏感识别和准确定位，以便能够及时采取措施来避免泄漏的扩大，减少造成更大事故的几率，提高气体泄漏时的应急响应能力。

1 天然气泄漏监测技术概述

气体泄漏监测技术并不是为了预防泄漏的发生，而是尽快、尽早、尽可能准确地在泄漏发生时发出警报并具体提供泄漏的相关信息，以便及时采取行动减轻泄漏的影响。

随着光电传输技术、通信技术及气体监测设备的发展，当前已有多种直接接触泄漏介质和非直接接触泄漏介质的监测技术。在需直接接触泄漏介质的泄漏监测技术中，常规气体探测器应用普遍，技术成熟，灵敏度、可靠性高，但存在受环境因素如风向等影响大、监控区域固定的劣势。近年来国内科研院校对光纤传感泄漏监测技术开展的大量研究，以及部分油气田企业的光纤温度传感泄漏监测技术及光纤被动声学传感泄漏监测技术的应用经验都充分证实了光纤传感泄漏监测技术灵敏度高、定位精确的优势，但其中温度传感技术通过监测气体泄漏导致的环境温度变化，需综合分析土壤成分、河流穿跨越附近区域及水面上方空气流动等具体环境条件造成的温度差等；光纤被动声学传感泄漏监测技术通过监测气体泄漏监测的噪音来识别泄漏，受周边环境活动影响较大，报警较多，通常需增加人工识别。

对管线而言，可利用管道同沟敷设的光缆设置光纤传感泄漏监测，配合分段监测定位法、负压波监测等技术方法，通过多种技术对泄漏报警进行识别和分析，得出较为准确的泄漏情况和泄漏位置判断。对站场而言，主要在阀室、天然气处理区、井场等固定场站布设一定数量点式可燃气体探头和硫化氢探头进行监测，同时设置点式探头报警触发连锁关断阀来保证阀室、脱硫站场和重要设备的安全。站场周界设置对射式气体探测器，反映气体泄漏逸散情况。但由于气体探测器属于固定式接触介质监测，其有效监测范围在安装后即固化，泄漏点判断不直观，区域覆盖性仅能通过增加部署数量加以弥补。气云成像摄像机以其高效率、远距离、大范围、动态直观等显著优势已成为监测技术发展的重要方向。在气体泄漏监测中，相对于常规气体探测器和光纤探测技术，气云成像摄像机技术将气体监测的范围从点、线扩展到了区域的“面”的范围，实现对重点装置和高后果区域的连续覆盖监测。

2 气云成像摄像机泄漏监测技术研究

2.1 技术发展

气云成像摄像机采用的成像技术主要可分为热源成像技术和光谱成像技术。热源成像技术是指采集气体目标场景某一红外波段的辐射信息实现气体泄漏检测的热成像技术，其检测系统往往具有结构相对简单、光学系统复杂度较低、维护成本低等优势。光谱成像技术是指利用不同成分的气体对特定红外波长的吸收差异来识别不同的气体，对气体的特征有更精细的区分，能更准确地识别出气体的类别和浓度特征［3］。得益于信息技术和高清摄像技术的发展，在成本逐步降低的背景下，基于光谱成像技术的气云成像摄像机在气体识别、范围标识、极端天气下识别准确度等各方面的优势更加突出，逐步成为泄漏监测系统部署的重要组成部分。

2.2 基于光谱成像技术的气云成像摄像机

2.2.1 技术原理

基于光谱成像技术的气云成像摄像机使用精细热辐射仪（Microbolometer）检测长波红外信号。精细热辐射仪是一种特定类型的光波测量设备，在热成像摄像机中用作探测器。红外线辐射波长在7.5～14 μm之间的光线在接触探测器材料后，探测器温度发生微变，从而改变其电阻，通过这种电阻的变化对温度进行测量和处理并显示为图像分布，温差图像可以反映气体具体分布情况。与其他类型的红外线探测设备不同，精细热辐射仪不需要冷却。

2.2.2 识别的敏感性和可靠性

传统的红外气体探测摄像机依靠识别温度差异色块来实现识别气体的目的，仅能粗略反映存在异常气体。基于光谱的气云成像摄像机通过收集光谱特征点识别每个温度像素差异识别气体。通过光谱特征进行识别，可对气体的具体类别进行更精细的识别并根据时间浓度值量化气体的体积。基于光谱的气云成像摄像机对多达25种不同烃类气体敏感，对各类气体的最小检测级别见表1所示［4］。

红外测量的另一个优势是可以使气体频谱检测具有更高的可靠性，减少监测到如蒸汽、汽车尾气、雨水、污垢、或雪等事件引起的误报警。以蒸汽为例，在发生蒸汽的情况下，因为蒸汽同样可以提供一个活跃的温度读数，当使用中波长红外线红外气体探测摄像机时，会出现与烃类气体相同的指数报警。但对于光谱成像的气云成像摄像机而言，蒸汽不会触发报警响应（除非将蒸汽设置为独立的异常情况报警），因为蒸汽与碳氢化合物或其他挥发性有机化合物的气体特征不同，在系统内已被过滤掉。如图1所示，在系统图像内，对蒸汽将不进行气体颜色的分辨和显示。

表1 气体检测级别表 mg／m3

图1 在蒸汽中探测烃类气体的实例图

通过借助红外识别技术还可消除极端天气下温度和气液体颗粒对气云成像摄像机的影响，降低误报警率，保证泄漏监测的可靠性。根据厂商的技术报告，气云成像摄像机能够在各种天气条件下保证识别可靠性和低误报警率，包括气温高于55℃的高温天气，低于-40℃的低温天气，以及冰雪、雨天、雾天、沙尘暴等存在气液、固体颗粒的外部环境和温度剧烈变化的极端天气。

2.2.3 监测范围

气云成像摄像机通常安装于较高位置或专用高塔，利用可旋转底座和可调倾斜实现区域监测。在最大1 022 m半径范围内，若无可视阻碍，单台设备在800～1 000 m区间可监测体积大于100 m3的气体云；在471～800 m区间最小可监测体积为10 m3的气体云；对220 m半径范围内核心区域可对最小为1 m3的气体云进行连续不间断监测。气云成像摄像机可实现整个区域监测，而不仅限于常规气体探测器附近的泄漏监测，具有将泄漏监测扩展到“面”的重要优势。对大型厂区而言，通过4台摄像机的正确定位和设置，可确保在5×105m2区域内对设施和关键区域最小为1 m3的气体云进行连续监测，极大地扩展了泄漏监测的范围。

3 气云成像摄像机气体泄漏监测现场应用

中国石油川东北某气田项目设置气云成像摄像机作为泄漏监测系统的重要组成部分。通过现场测试观察基于光谱成像技术的气云成像摄像机的实际应用效果。

3.1 安装要求

安装的室外设备包括气云成像摄像机本身，盘式倾斜、安装杆、摄像机线缆（包括电源和光纤数据线）、角度控制电缆和接线盒。室内设备包括用于流数据传输服务器和用于软件接口和数据存储的台式机。为保证视频的实时性和清晰度，采用2G链路自气云成像摄像机至处理服务器，同时为了保证监控效果，控制中心采用1G链路自处理服务器至操作控制台。

3.2 应用效果

测试方法：放散浓度为92.4%的甲烷测试气体，测试气云成像摄像机在一个监视周期（云台360度旋转）内能否及时发现泄漏，是否于系统内正确显示。测试情况如下：① 厂区储罐区域测试：天气晴朗，测试距离为127 m，响应时间为4 s，系统显示如图2所示；② 管线区域测试，天气晴朗，测试距离为1 000 m，响应时间为15 s，系统显示如图3所示。

图2 厂区储罐区域测试气体成像图

图3 管线区域测试气体成像图

从现场测试结果看，气云成像摄像机在气体泄漏位置识别、泄漏识别准确度、泄漏响应方面均取得较好的应用效果。

4 结论与建议

1）气云成像摄像机在泄漏监测系统中，应作为针对关键区域或作为其他监测手段监控盲区的补充技术，充分发挥实时性和直接反映现场实际状况的特性，尤其在人员不能第一时间进入现场或进入现场存在较大不安全因素的情况下。对管线而言，建议针对河流穿越、重要阀室、地形地质高危区域等进行设置；对站场而言，建议针对重点装置区域、无人值守井场、井口等进行设置，实现不间断、大范围的区域性泄漏监测，缩短泄漏发现的时间，及时采取应对措施，避免泄漏扩大造成更严重的后果。

2）气云成像摄像机监测到泄漏气体时间短，但对通讯要求较高，对于改造升级项目而言，厂区部署可采用架空光缆新部署通讯线路，但对管线而言，建议尽量利用已敷设同沟通讯光缆，调研通讯负荷，确定是否可以直接使用。同时，气云成像摄像机虽然可以实现24 h全天候的应用监测，但同时也需要额外考虑相关电力供应和数据传输，结合气云成像摄像机相关软硬件费用，单台摄像机费用超过150万元，仍不建议作为常规和全面部署的气体泄漏监测手段。

3）热源成像技术摄像机的应用效果受极端天气影响较大，在大雨或降雪的极端天气条件下可能无法监测到气体泄漏，因而热源成像摄像机需要考虑到预设的天气条件范围。基于光谱成像技术摄像机在多气体组分环境、极端天气下进行区域监测有较大和明显的优势，建议在大型炼化、净化厂区，优先考虑采用光谱成像技术的气云摄像机。