新型可燃气体探测器在海上平台的适用性分析

张颖，周学军，张艺，徐正海，何骁勇，郑伟

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

海上油气平台空间小，工艺设备布置紧凑，油气输送管线贯穿平台，一旦发生可燃气体泄漏，容易聚集进而引发火灾和爆炸事故，后果不堪设想。可燃气体探测器应布置在所有可能产生可燃气体泄漏和聚集的场所[1]，对已经发生或可能发生可燃气体泄漏的场所进行及时、准确的探测，并接入火气系统[2]以采取相应措施保护平台人员和设施的安全。

目前常用的可燃气体探测器主要有催化式可燃气体探测器、红外式可燃气体探测器和超声波式可燃气体探测器。随着科技的进步和发展，采用被动式光谱成像检测技术的多功能可燃气体探测器(以下简称光谱成像可燃气体探测器)已应运而生，能够更精确地检测、识别可燃气体，并实时显示气体扩散图，自动触发报警。本文详细地描述和比较了目前常用的可燃气体探测器及光谱成像可燃气体探测器，并分析了光谱成像可燃气体探测器在海上平台的适用性。

1 常用可燃气体探测器

1.1 催化式可燃气体探测器

催化式可燃气体探测器利用催化燃烧的热效应原理如图1所示。

图1 催化式可燃气体探测器原理示意

由图1可知，检测元件和补偿元件配对构成惠斯通电桥，其中检测元件一般由带电加热的铂丝电阻与其表面的催化剂组成，对铂丝电阻通电，使检测元件保持一定高温。当可燃气体存在时，在检测元件催化剂作用下发生无焰燃烧，铂丝电阻温度升高，电阻值上升，从而使电桥失去平衡。通过惠斯通电桥精确测量检测元件的阻值变化，即可计算出可燃气体浓度[3]。

催化式可燃气体探测器成本低，输出信号线性好，但寿命较短，一般只有2 a。监测区域若存在H2S等气体泄漏时易导致探测器中毒，给安全管理带来隐患。

1.2 红外式可燃气体探测器

红外式可燃气体探测器利用可燃气体对红外波段的吸收特征来识别可燃气体，并通过检测气体对红外线的吸收强度计算可燃气体浓度。由Lambert-Beer定律可知，接收端衰减后光强度I0的计算式为

I0=I×10-klc

(1)

式中：I——发射端光强度；k——光的吸收系数，与光的波长相关；l——光程长度;c——气体物质的量的浓度。

由式(1)得知，当光的波长和光程长度一定时，通过测量接收端光强度，即可求得c。

当一束红外波穿过可燃气体时，气体的吸收导致特定波段红外波强度衰减，通过检测接收端红外波吸收带分布特征及相应的I0，即可识别气体类型并得到相应气体浓度。

红外式可燃气体探测器有点式和线型两种类型。点式探测器在海上平台应用广泛，其响应速度快，灵敏度高，由于点式红外式探测属于吸入式探测，因此易受风向以及气体扩散的影响。线型探测器又称为开路式可燃气体探测器，由红外发射器、红外接收器及相关电路组成，可探测发射器与接收器之间光路上的可燃气体，相比于点式探测器，线型探测器覆盖范围更广，最远可达百米左右。由于海上平台设备布置紧凑，线型探测器易受设备遮挡的影响，因此常作为点式探测器的补充，布置于平台上危险区域边界[4]。

1.3 超声波式可燃气体探测器

超声波式可燃气体探测器通过检测泄漏发出的超声波来识别气体泄漏。当压力管道或设备存在泄漏点时，由于内外压差较大，气体会从泄漏点向低压端冲出，形成湍流，在泄漏点附近产生一定频率的振动，形成声波。声波频率与泄漏点的压强有关，压强较小时，发出人耳可闻的漏气声，当压强较大，声波频率大于20 kHz时，称为超声波，人耳无法听到，但可通过收音装置接收，并转换成电信号[5]。超声波式可燃气体探测器具有如下优缺点：

1)优 点：

a)速度快。相比于传统的红外可燃气体探测器，超声波式可燃气体探测器无需与泄漏气体接触，因此可燃气体泄漏一旦发生即可立刻被捕捉。

b)灵敏度高。超声波探测器不需要泄漏气体的扩散累积过程，因此可识别气体的微小泄漏。

2)缺 点：

a)适用范围有限。超声波式可燃气体探测器适用于高压设备区域，如段塞流捕集器、天然气压缩机等，适用范围有限。

b)超声波式可燃气体探测器易受背景噪音的影响，产生误报警，如压缩机运行、安全阀泄放、气动执行器动作等。因此需考虑平台正常运行噪声频率，调整超声波探测器触发设置。

c)超声波式可燃气体探测器只能判断是否存在泄漏，无法给出泄漏气体成分及泄漏浓度。

2 光谱成像可燃气体探测器

2.1 原 理

光谱成像可燃气体探测器采用被动式红外成像检测技术探测可燃气体。自然界中高于绝对零度的所有物体，都在不断地辐射、吸收、反射电磁波，相比于普通红外可燃气体探测器，光谱成像可燃气体探测器采用来自大自然的复杂背景作为辐射源，通过对比环境中的辐射强度与经过气体云团后的辐射强度，得到被探测气体云团的吸收波段及强度，进而分析得知气体成分及对应浓度[6]。

来自周围环境的辐射源穿过气体云团后进入气体探测器，探测器接收到的经过气体云团后的辐射强度以及来自环境的辐射强度如图2所示。进而通过识别气体云团吸收特征波长得到气体云团主要成分，如图2中的CH4，NH3等，通过检测吸收强度可得到不同成分对应的气体浓度[7]。由于大多数可燃气体对波长0.76～1 000 μm的红外线波段具有强烈的吸收特征，因此光谱成像可燃气体探测器主要作用在红外线波段。

图2 背景辐射受气体云团影响示意

2.2 特 点

光谱成像可燃气体探测器相比于传统的可燃气体探测器，具有以下特点：

1)功能全面，可实时监测气体泄漏，直观显示气体云团扩散及浓度变化情况，定位泄漏点，并提供可靠信息帮助操作人员做出安全决策，避免泄漏升级导致“低频率高损失”事故发生。

2)覆盖范围广。光谱成像可燃气体探测器测量范围约为1 km左右，半径为220 m圆内可探测最小气体云团量约1 m3，半径为471 m圆内可探测最小气体云团量约10 m3，半径为800 m圆内可探测最小气体云团量约100 m3，测量范围远大于普通红外探测器。

3)可探测气体类型多。目前可监测到20种以上烃类气体，并可识别每种气体对应的泄漏浓度。

4)光谱成像可燃气体探测器有强大的数据分析系统做支持，误报率、漏报率低。

5)价格昂贵。单台光谱成像可燃气体探测器价格超百万人民币，远高于传统点式红外可燃气体探测器。

3 不同类型可燃气体探测器比较

根据以上分析，不同类型可燃气体探测器对比见表1所列。

表1 不同类型可燃气体探测器比较

4 光谱成像可燃气体探测器在海上平台的适用性分析

光谱成像可燃气体探测器功能全面，可直观地显示泄漏气体的种类、浓度、泄漏位置，在可燃气体探测方面具有非常大的优势。光谱成像探测器探测范围广，但需要安装在制高点，监测整个厂区可燃气体泄漏，因此非常适合用于厂区大、设施多以及管线长的场合，如炼化厂、长输管线、陆上终端等。光谱成像可燃气体探测器目前已成功应用在中国石油川东北某气田项目[8]，运行效果良好。

光谱成像可燃气体探测器采用被动式红外成像检测技术来判断是否有气体泄漏，对于阻挡较多的场所，不能发挥其技术优势。

海上钻井平台、浮式生产储油船(FPSO)或水下干式舱由于单层面积较大，相对容易布置光谱成像可燃气体探测摄像头，但该探测器价格昂贵，建议可在高后果区设置进行辅助监测。

5 结束语

目前海上油气平台探测可燃气体泄漏主要是在可能存在可燃气泄漏区域集中布置点式红外探测器，并在危险区域边界布置线型红外探测器。超声波可燃气体探测器适用于高压设备区域，但易误报警，且不能判断泄漏浓度，因此未在海上平台广泛应用。光谱成像可燃气体探测器功能全面，准确率高，探测范围广，但不适合用于层数多，单层面积小，设备设置多且易遮挡的海上固定平台。可用于单层面积较大的海上钻井平台、FPSO或水下干式舱，但由于价格昂贵，需进行详细经济概算分析其性价比。