云台天然气管道泄漏检测仪影响因素分析

王玮奇，王春楠，李 向

(1.上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司，上海 200233；2.上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

目前，国际上主要采用点型可燃气体探测器探测可燃气体泄漏情况。在实际应用中发现,该探测器存在寿命短[1]、易中毒、探测面积小等缺陷，因此，一般只限于在应用现场重点位置安放。激光原理探测器抗干扰能力强，具有气体吸收单一选择性和防爆等方面的优势[2-3]，探测距离一般能达到70 m；与传统探测器相比，具有布放数量少、节约采购成本和安装维护成本等优点。为了验证云台气体泄漏检测仪的可靠性，设计了激光原理泄漏检测仪的论证试验，并分析评定了检测仪的测量不确定度,对其影响因素进行分析评价。

1 激光原理泄漏检测特点

1.1 检测原理

云台天然气管道泄漏检测仪基于大气传输理论中的本征谱带吸收原理,即伯朗-比尔定律(又称光的吸收定律)。该定律表明：一束单色光通过某一气体后,由于气体吸收了一部分能,光的强度就要减弱。若气体浓度不变,则气体的厚度越大,即光在气体中所经过的途径越长,光的强度减弱也越显著[4]。泄漏检测仪的主要检测器的工作方式是发射一束穿过环境中的气体，并且在另一端进行接收。发射器与接收器之间的距离即为光程。伯朗-比尔定律用式(1)表示:

Id=Ioe-Clk

(1)

式中:Id为气体吸收后的光强;Io为气体吸收前入射光强;C为气体浓度;l为光路长度;k为波长相关系数。

从式(1)可看出,当光路长度l一定时,Id与气体浓度C有关。只要知道Id,即可求得气体浓度C。

具有多原子结构的可燃气体分子能引起强烈的光谱吸收,并且都具有各自固定的本征吸收谱带。云台天然气管道泄漏检测仪利用可燃气体的本征谱带吸收特征。该探测器核心部件由发射器和接收器两部分组成,在环境大气中选择一条吸收光谱线频率位置，并选择发射频率范围与之对应的激光二极管。调节温度后，确定激光位于中心的频率，并且通过注入一些低频率锯齿波的电流促进激光频率对整条吸收谱线的扫描，从而获得环境气体的“单线吸收光谱”数据。吸收光谱中的“单线”特性在一定程度上避免了背景气体组分对于被检测环境气体交叉形式的吸收干扰[5]，从而保证了测量准确性。在理论上,可以证明该波段光强的变化量取决于泄漏可燃气体的体积百分比浓度(LEL)与该气体所占光路长度(m)的乘积[6]。

1.2 激光原理泄漏检测优点

①高选择性。由于分子光谱的“指纹”特征，高分辨率的光谱技术使其不受其他气体的干扰。这一特性与其他的技术相比具有明显的优势[7]。

②通用性。它是一种对所有在红外有吸收的活跃分子都有效的通用技术。同样的仪器只需要改变激光器和标准气，即可改装成测量其他气体组分的仪器。这个特点亦可同时改善超声波技术检测误报率高的缺点。

③高灵敏度[8]。其时间分辨率一般在ms量级。

2 测试方案及因素分析

2.1 试验初始设置说明

进行试验前，云台报警值设置为50×10-6mol/mol，并利用云台摄像头对现场测试进行监控。将气袋沿检测激光可以覆盖的路径上放置，放置区域应距离云台约20 m，利用指示激光进行检测点位的定位。当设备检测到甲烷气体泄漏时，指示激光会自动打开提示，同时云台停止转动，由设备对浓度值进行测试显示。浓度应包含1 000×10-6mol/mol或者更高浓度。

2.2 试验方法说明

通过控制变量法，对以下泄漏检测仪的参数分别进行测量试验[9]。

(1)响应时间测量。当云台沿设定轨迹运行到分离区附近时，将云台暂停，打开指示激光，在现场标记该点位。将充满1 000×10-6mol/mol浓度的标准甲烷气体放置在距离云台大约20 m的区域，云台激光直接对准气体区域，记录上位机软件接收到浓度的时间。连续测量接收时间3次，其平均值即为系统响应时间t。

(2)扫描周期测量。将云台设置为自动巡检模式，并将充满1 000×10-6mol/mol浓度的标准甲烷气体的气袋放置在响应时间测量所确定的点位处。当云台扫描到该点位时，云台停止转动，记录该时刻T1。使云台继续运行，当下一时刻云台停止在该点位时，记录该时刻T2。则ΔT=T2-T1即为设备周期响应时间。

(3)准确度测量。将云台设置为自动巡检模式，并将充满1 000×10-6mol/mol浓度的标准甲烷气体放置在之前所确定的点位处，利用遮光板挡住气袋。当测试开始后，移开遮光板使检测激光可以照射在气袋上。待浓度数据稳定后，记录上位机软件浓度数据，计算误差。

(4)重复性测量。将云台设置为自动巡检模式，并将充满1 000×10-6mol/mol浓度的标准甲烷气体的气袋放置在之前所确定的点位处。待浓度数据稳定后，记录上位机软件10组浓度数据得其平均值，计算重复性S。重复性的条件包括：①相同的测量程序；②相同的操作者；③相同的测量系统；④相同的操作条件和相同的地点；⑤在短时间内重复的测量[10]。重复性计算公式用式(2)表示。

(2)

(5)极限距离测量。云台设置为手动巡检模式，并将充满50×10-6mol/mol和1 000×10-6mol/mol浓度的标准甲烷气体的气袋固定某一区域，由近及远地手动控制云台，使检测激光照射在气袋上。该测试能让上位机软件显示有效浓度值时的最大探测距离L。

3 现场测试

3.1 样品准备

此次试验准备两台不同厂家、不同型号、相同技术指标的样品，分别标记为样品甲和样品乙。

3.2 响应时间测量

当距离为20 m时，响应时间测量数据如表1所示。

表1 响应时间测量数据

3.3 扫描周期测量

当距离为20 m时，扫描周期测量数据如表2所示。

表2 扫描周期测量数据

样品甲和样品乙的报警响应时间均小于1 s，而周期扫描时间均在6 min以上，说明产品从泄漏开始到最终报警所持续的时间主要取决于扫描周期，响应时间的影响足以忽略。

云台扫描周期时间和扫描速率有关。扫描速率越快，扫描周期越短，反之亦然[11]。需按照站场泄漏时所能接受报警响应的极限值进行扫描速率设定，既满足扫描的全面性，又满足泄漏报警的及时性。

3.4 准确度测量

当距离为20 m、浓度值为1 000×106mol/mol时，样品甲和样品乙的测量误差分别为3.3%和5.0%。

3.5 重复性测量

当距离为20 m、浓度为1 000×106mol/mol时，样品甲和样品乙的重复性分别为68.3×10-6mol/mol和112.3×10-6mol/mol。

3.6 极限距离测量

极限距离测量数据如表3所示。

表3 极限距离测量数据

样品甲、样品乙在性能(准确度)未有明显衰减时，报警探测极限距离均大于70 m。由此可以认为，激光泄漏探测的范围大致为半径为70 m的半圆。

4 不确定度分析

B类不确定度主要与产品测量的基本误差样品甲、样品乙名义值均为±10%)有关，满足均匀分布时，B类不确定度大小为uB=57.7×10-6mol/mol。

合成标准不确定度：

取p=95%，当置信概率k=2时，扩展不确定度u甲=123.2×10-6mol/mol。

同理求得测试样品乙扩展不确定度u乙=134.9 ×10-6mol/mol。

由此可见,产品测量不确定度大约是产品标称准确度的1.23～1.34倍，说明产品示值的重复性能较为理想，读值可靠性一般。对此，建议产品示值读数用于参考或报警用，尽量不作为重要数值的采集使用。

泄漏探测设定阈值附近的泄漏报警情况容易受到重复性差的较大影响，存在同一疑似泄漏点，时而探测出泄漏报警，时而探测不出泄漏的概率。

5 实际泄漏报警测试应用

5.1 现场测试方法

云台式设备安装在分离区，高度为4.2 m。云台前半周期正对东侧的墙体扫描，可以覆盖分离区、调压区及计量区的所有管道，云台距东侧墙体65 m。当云台对东侧墙体扫描结束后会自动调节俯仰和水平角度，后半周期对云台后方的管道进行扫描，一个扫描周期可以覆盖除进站管道之外的所有管道。将设备上电运行后，安装好监控室声光报警器并将报警值设置为50×10-6mol/mol。准备就绪后，分别选取分离区阀门编号为PI-2201、PI-2601、PI-6102，计量区阀门编号为PI-3001、PT-3002，调压区阀门编号为PI-5301进行放气测试。放气时，以较小的释放速度，待云台运行两个完整周期结束后关闭阀门。若云台运行过程中在相应放气阀门附近出现指示红光闪烁且云台有停止动作，则代表检测到该点位发生气体泄漏。此时，查询上位机历史记录，记录浓度异常的坐标位置及响应情况。

5.2 现场测试结果

测试产品甲对于白鹤站不同工艺区典型位置的真实泄漏均有较好的报警响应。而测试产品乙在PI-2201及PI-6102区域无响应。经对比排查，两区域反射环境较差，激光无法有效回传。测试产品在不同区域的实际测试数据如表4所示。

表4 测试产品在不同区域的实际测试数据

由表4可知，在加入反光板后，在各区均能作出报警响应。

6 硬件软件改进分析

与常规仪表设备相比，云台式激光气体探测器的可动部件为水平控制电机、垂直控制电机两部分。电机多采用步进电机，步幅应当满足检测控制需求。当前测试仪器可通过提高电机转速以缩短扫描周期的方式提高报警响应速度。

根据表4的测试数据，激光探测器逆光环境下及弱反射环境下的功能算法需要进行优化，以提高探测器检测速度和摒除干扰因素影响。

7 结论

由以上分析可知，云台气体泄漏检测仪在探测距离上有较大优势，但是其浓度测量值的不确定度较大。站场天然气泄漏危险的根本原因是较高的泄漏率非常容易达到爆炸浓度，而低泄漏率易于被流动的空气稀释，危险程度较低。因此，云台天然气管道泄漏检测仪在使用中能有较好表现。