泄漏检测新技术在炼化厂的应用前景*

冯 兴 孙秉才 张静宇 黄 伟 田卫东

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；2.中国石油大学(北京)；3.中国石油长庆油田分公司第二输油处；4.中国石油华北石化公司)

0 引 言

近年来，我国石油天然气工业发展迅速，下游炼化能力也得到快速提升，全国炼化厂数量已达120多家。炼化厂流程复杂，阀门、泵、压缩机等设备繁多，运行过程可能出现各种故障，从而导致泄漏事故，造成环境污染和经济损失，甚至造成人员伤亡。2007年，美国McKee炼油厂液态丙烷泄漏，并引发火灾[1]，大量石油产品泄漏到环境中，造成14人不同程度受伤。2012年，委内瑞拉阿穆艾炼油厂瓦斯管道发生泄漏并爆炸，造成数十人死亡。大规模泄漏发生前，如果能够及时检测出轻微泄漏，及时采取补救措施，事故风险就能极大降低。

1 炼化厂泄漏检测现状

石化行业的检测设备必须防火防爆，还要能够高效率、高准确率的识别泄漏。目前，炼化厂检测泄漏主要是依靠人工巡检与点式气体探测仪相结合的方式，在高风险区域安装点式气体探测仪，其他区域通过人工手持移动式探测器检测气体浓度。探测器种类较多[2-3]，按检测原理可分为催化燃烧检测仪、光电离子化检测仪、火焰离子化检测仪和红外线吸收检测仪等；按移动方式可分为固定式和可移动式。固定式探测器也叫点式探测器，只能安装在某一固定的地方，针对某一区域进行定点检测。经过现场调研，点式探测器虽然能检测出泄漏，但受风向影响大，不能对泄漏位置准确定位，且炼化厂设备繁多，区域较大，不可能在每个地方都安装点式探测器，因而需要将移动式探测器与点式探测器结合起来，通过人工携带移动式探测器靠近设备进行测量。一方面厂区内有毒有害气体较多，发生泄漏后会威胁人员安全；另一方面炼化厂部分设备、管线、塔器布置较高，人工巡检工作量大，且往往关注高风险区域，忽略低风险区域，从而埋下事故隐患。除探测器检测泄漏外，可见光视频、红外热成像等技术也应用于石化行业来辅助检测，但效果有限。发展和利用新技术检测泄漏可以提高检测效率，降低劳动强度，符合行业发展要求。

1.1 火焰离子化探测器检测

现场巡检常用的手持式探测器是氢火焰离子化探测器，它由燃烧器、离子收集器和电路等组成，工作原理见图1。

图1 氢火焰离子化探测器工作原理

泄漏的碳氢化合物进入探测器，在氢火焰高温作用下，部分分子和原子电离成自由离子，而电离程度与碳原子数呈正相关。因此，通过外加合适的电场使自由离子形成微电流信号，经转换处理后可判断碳氢化合物浓度的大小。其优点是结构简单、操作方便、灵敏度高、响应快，缺点是只能用来检测碳氢化合物。

1.2 可见光视频检测

随着视频监控技术的不断发展，为了保障安全生产，各行各业都引进了先进的监控设备。炼化厂的可见光视频一方面用来检测泄漏和火灾，另一方面监督员工是否有违规操作。目前，可见光视频已经实现了大范围、高分辨率、超远距离监测，但在火灾和泄漏检测方面效果不是很好。可见光视频检测方法不能检测无色气体的泄漏，但可以检测比较明显的液体泄漏和火灾。因此，可见光视频检测只能起辅助作用，需结合其他技术来保证炼化厂安全生产。

1.3 红外热成像检测

红外热成像技术在工业上已得到广泛应用，主要用来测量物体的温度，同时也可检测泄漏。检测泄漏的主要原理是物体能发出热辐射，当泄漏物质与周围环境存在温差时，辐射能量出现差异。通过热像仪接收热辐射，并将能量密度分布情况以云图的形式展示出来，查看图像上的不同颜色就可判断是否有泄漏发生。热成像判断泄漏点示意见图2。此方法判断泄漏简单、直观，能准确定位，但当泄漏气体与背景物质温差较小时效果不好，且检测精度受风速、距离等影响。

图2 热成像判断泄漏点示意

2 泄漏检测新技术

2.1 机载泄漏检测技术

2000年以来，基于机载平台的监测技术在美国、德国和瑞士等国家得到重视和发展[4]。机载泄漏检测技术是将一种检测设备加载到无人机或机器人上，通过机器的移动完成设备对目标区域的扫描，捕捉某些物质特征，并加以识别。目前，能加载到机器人上用来检测泄漏的技术主要有激光检测、红外检测和嗅探器检测。

激光检测技术是在气体分子对光谱具有选择性吸收的原理上发展而来的。首先需将激光调节到甲烷的吸收波长，用此激光扫描某区域，若该区域有甲烷泄漏，激光穿过甲烷气团时，部分激光被吸收，通过分析激光的初始功率和回波功率获得气体的浓度[5]。红外检测技术是用带有红外摄像机的移动设备扫描管道或设备，在一定波长范围内，泄漏的气体会吸收红外线辐射，在图像中显示出不同颜色。嗅探器检测需要接近管道或设备，通过提取附近空气的样本进行分析，确定空气中泄漏气体的浓度。

机载泄漏检测的优势在于能够快速检测泄漏，准确度高。利用机器人作为载体，一方面使检测更加灵活，另一方面提高了智能化水平，保证了人员安全。因此，针对炼化厂泄漏检测存在的检测不灵活、人工巡检效率低、不能实时检测等问题，采用加载泄漏检测设备的机器人巡检成为了炼化厂泄漏检测的新方法。

2.2 多光谱技术

多光谱成像技术是利用多种滤光片、分光器使相机接收物体在不同波长的信息。相比常规摄像，多光谱成像将成像范围扩大到了红外光和紫外光，不同波段的信息通过计算机处理后可获得更丰富的图像。因此，它不仅能根据图像形态区分物质，当图像差距很小时，还可根据光谱特性的差异来判别。正因为这种性质，多光谱技术在食品检测、制药、农业等行业得到了广泛应用。石化行业有许多易燃易爆、有毒气体，不同气体对电磁波能量的反射、吸收能力不同，这些差别也称为光谱特性，这就为多光谱技术在石化行业的应用提供了可能。通过多光谱相机探测气体的光谱信息，将其与事先掌握的光谱信息相比较，不但能检测出泄漏的气体，还能明显区分气体种类。

多光谱技术可应用于整个石化行业的泄漏检测，其优势是精度高、反应迅速、基本不受环境和其他物质影响；设备可定制化，可根据用户需求加载到无人机、机器人等移动设备上。目前存在的不足是只能对部分介质进行检测，且核心设备探测器需要从国外进口，价格和数量都受到限制，所以目前还不能大规模生产。虽然该技术目前还没有与石化行业结合起来，但前景非常广阔。

2.3 高光谱技术

高光谱成像与多光谱成像原理类似，不同的是高光谱具有更多的波段，分辨率更高，且波段都是连续的。通过高光谱技术获得的图像包含更丰富的信息。通过光谱特征进行识别，不但对气体进行更精细的区分，还可以量化气体体积。美国Rebellion公司利用高光谱成像技术研发了气云成像系统(GCI)，用以检测站场泄漏，可对50多种烃类气体进行识别[6]。该摄像机已在川东北某气田应用，效果良好。当站场发生泄漏后，通过摄像机传回的云图可清晰地看到发生泄漏的区域和泄漏气体的扩散轨迹，还可以根据颜色的深浅判断浓度大小，现场应用效果见图3。

图3 Rebellion高光谱摄像机现场应用效果

基于高光谱技术的气云摄像机优点众多。首先是检测范围广，可实现1.5 km半径范围内的检测；其次是检测速度较快；最重要的是该方法基本不受雨天、雾天等恶劣天气的影响，由于它能区分不同气体的特征，所以也不受其他蒸汽的干扰。面对石化行业介质易燃易爆、泄漏后易扩散的特点，高光谱气云成像技术以其远距离、高精度、大范围等优势成为泄漏检测的新方向。由于该技术能识别多种介质，也可应用于炼化厂、油库、储气库等。该技术不但能代替人，还能提供及时准确的泄漏信息，极大地提高了工作效率。该产品由美国Rebellion公司研发，核心技术垄断，设备昂贵，不适合大批量应用。国内相关单位也在积极研发高光谱摄像机，目前还没有形成样机，未来几年很可能实现突破。

2.4 基于可见光的智能识别泄漏技术

针对泄漏检测方面存在的不足，有关企业为石化行业提出了基于可见光的智能识别泄漏技术。所谓智能识别泄漏就是通过在摄像机内置智能算法来识别不同泄漏后的样张，分析其各种特征，经过深度学习后应用于现场，通过拍照分析判断出该区域是否发生泄漏，主要流程见图4。先从某一特定区域采集几十到几百张不同泄漏情况的照片进行学习，如不同油量泄漏后的场景、泄漏到不同环境中的场景、不同介质的泄漏场景等，样张越多则可信度越大。深度学习后将该相机应用于现场，后台会自动辨别和分析拍摄到的图片，并判断是否与泄漏场景相似，若相似度高则会报警。在光照充足的情况下，该技术识别泄漏的准确率可达80%。

图4 智能识别泄漏基本流程

该技术的优势在于设备简单，投资少，泄漏识别较准确。但该技术是基于可见光成像，无法检测气体及无色无味物质的泄漏，且目前只能识别某一固定场景的泄漏，一旦场景变化则需要重新采集样张。因其种种局限性，所以适合在特定场合使用，如能结合其他技术实现对气体的泄漏检测，该技术将具有较好的发展前景。

2.5 TDLAS技术

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术也称可调谐二极管激光吸收光谱技术。TDLAS技术与传统红外光谱技术本质上没有差别，不同的是TDLAS采用的半导体激光光源的光谱线宽远小于传统红外光源[7]。TDLAS检测泄漏的原理[8]是利用待测气体对光波的选择性吸收，从而产生吸收光谱的特性来对气体成分和浓度进行分析[9]。主要工作流程见图5。为了提高信噪比，使光谱信号更容易被吸收，可通过输入正弦波电流对波长进行调制。调制后的激光在反射池内多次反射，从而增加了吸收光程，被待测气体吸收后到达探测器，将光信号转换为电信号后通过计算机处理得到气体浓度。

图5 TDLAS系统工作原理

相比传统的气体泄漏检测，该方法具有选择性高、分辨率高、灵敏度高、响应时间短及远距离遥测[10]、不需要对待测气体进行预先处理等优点。目前利用TDLAS技术进行气体浓度监测的研究较多，应用于现场在线检测方面较少，未来该技术将在石化行业泄漏检测方面广泛应用。

泄漏检测新技术优缺点对比见表1。

表1 泄漏检测新技术优缺点对比

高光谱技术虽然效果最好，但由于技术和设备来自国外，价格昂贵；基于可见光的智能识别技术因其不能识别气体，很难应用在炼化厂。综合对比各技术优缺点，多光谱技术和TDLAS技术较适合炼化厂泄漏检测。

3 结束语

炼化厂的泄漏识别必须要做到灵敏度高、响应及时，而常规的检测方法存在局限性，如点式探测器只能定点检测；移动式探测器需人工巡检，危险性高；红外监控受距离和环境影响大等。通过对国内外泄漏检测新技术的分析可知，多光谱技术、高光谱技术、TDLAS技术都是基于光学原理实现泄漏检测，与其他方法相比，这几种方法具有能检测多种介质、灵敏度高、反应快等优势。将这些技术与石化行业有效结合，搭载到智能机器人上，可对炼化厂进行全天候、灵活、精确的监测。机器人的使用可以大幅降低作业人员的劳动强度，提高工作效率，对于推进石化行业智能化建设具有重要意义。