无人输气站露天工艺区泄漏监测方案优化设计

董高华 赵廉斌 曹永乐 梁怿 葛淩志 马铁量 孟书进

摘 要 以西气东输工程某无人分输站为背景，从泄漏监测的全面性、可靠性及经济性等方面考虑，给出该无人站露天工艺区泄漏监测系统设计方案，以激光云台式产品为主负责区域的全面监测，超声波式或激光线型产品为辅负责重点区域监测。最后根据现有方案，提出露天工艺区气体泄漏监测方案的进一步改进优化建议。

关键词 泄漏监测 无人站 探测器 全面监测 重点区域监测

中图分类号 TP216   文献标识码 B   文章编号 1000?3932（2023）03?0383?04

作者简介：董高华（1994-），工程师，从事长输天然气管道仪表自动化系统的研究，donggh@pipechina.com.cn。

引用本文：董高华，赵廉斌，曹永乐，等.无人输气站露天工艺区泄漏监测方案优化设计［J］.化工自动化及仪表，2023，50（3）：383-386.

GB/T 50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》规定：在生产或使用可燃气体及有毒气体的生产设施及储运设施的区域内，泄漏气体中可燃气体浓度可能达到报警设定值时，应设置可燃气体探测器。西气东输等国家主干天然气管道的输气站场正在逐步增设可燃气体探测系统，但在设计和实际应用过程中还存在较多不足，需要全面分析应用中存在的关键问题，系统分析各类探测器的性能特点，对各类探测器的优、缺点进行比较，进一步完善方案设计，及时发现和消除输气站气体泄漏带来的安全风险。

1 各类探测器原理及性能介绍

传统的点型可燃气体探测器包括自由扩散式探测器、吸气式探测器和光纤传感式探测器。此类探测器有效探测范围小，一般在相对密闭空间应用，并设置在厂房最高点泄漏气体最易聚集处，不适用于室外露天工艺区域的泄漏监测。

线型可燃气体探测器包括激光型和红外线型，一般由发射器、接收器和反射器3部分组成。该类探测器适用于大面积开放空间的气体泄漏监测，可以监测到探测光束上的可燃气体云团，探测距离不超过100 m。其中，红外线型探测器最早由英国西格公司在20世纪90年代初期推出［1］，在西气东输工程早期站场露天工艺区安装，后因其受环境影响大、误报率高及维护量大等原因，逐渐被拆除［2］。

考虑到天然气站场工艺区域面积大，工艺设备复杂，单纯的线型探测器适用于重要泄漏部位的监测，不适用于全区域监测。激光线型可燃气体探测器与云台转动设备可组合成激光云台式可燃气体探测器，此类探测器以固定安装、自动扫描的方式对工艺区域多个预设位置的甲烷浓度进行非接触式测量，同时具备视频实时监控功能，可以全方位监测气体泄漏，定位泄漏点的大体位置［3］。相较于普通激光线型可燃气体探测器，具有全方位面式探测的优点［4，5］，目前广泛应用在天然气站场进行泄漏监测。

面型可燃气体探测器采用红外成像原理监测，现场实际应用甚少，原因主要有两点：一是价格昂贵，单价高达数百万元；二是稳定性差，易受环境影响。现阶段不建议在露天工艺区布署［6］。

超声波式可燃气体探测器是近年来新兴的产品，适合室外露天场所的高压设备可燃气体监测，在天然气站场应用很广泛。

综上对比分析，建议天然气站场露天工艺区域气体泄漏监测中选择激光线型探测器、激光云台式探测器和超声波式探测器。

2 基础资料

西气东输工程某无人分输站工艺区域大小20 m×59 m。现已在工艺区调压撬旁布置了一台超声波式可燃气体探测器。

一台超声监测设备市场价约10万元，探测半径10 m。一台激光云台式甲烷探测器市场价约15万元，探测半径100 m。

3 泄漏监测方案比选

现对超声波式和激光云台式探测器这两种适用于在开放环境监测的设备原理、特点和现场实际应用情况进行对比分析，以某分输站为试点，寻求一种适用于无人站的气体泄漏监测系统最优布置方案。

3.1 超声波式探测器

当露天工艺区域管道及设备发生天然气泄漏时，会产生一定频率的超声波，探测器捕获到超声信号，经过分析判断确认气体泄漏情况。

超声波式探测器具有如下特点：

a. 气体泄漏产生的超声分贝取决于气体压力、孔径及角度［7］等多种因素；

b. 以4 mm、流量0.1 kg/s、介质压力小于1 MPa的气体泄漏点为超声波式探测源，超声波式探测器的理论探测范围约15 m。

GB/T 50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》关于噪声区域划分的规定，给出了报警值和探测器离声源的距离要求，详见表1。

超聲波式探测器也有一些缺点需要在选用时加以规避，如：易受外界因素（蝉鸣、打雷、马路噪声、分输调压）影响，现有较为合适的改进做法是合理设置报警阈值，一般高于背景噪声6 dB可有效规避大部分误报警；同时合理设置报警延时，目前推荐站场的设置值为30 s。超声波式探测器适用于泄漏产生的噪声能显著改变环境声压的场所，即高压管线附近，所以超声波式探测器无法监测到管线微量泄漏的情况。

据调研，某分输站露天工艺区气体泄漏监测系统由一台超声波式探测器组成，设置于计量和调压撬附近，主要用于对计量、调压回路进行泄漏监测，理论探测距离15 m。该分输站实际背景噪声值为57 dB，报警值设置为64 dB，但现场实测监测半径为10 m，无法覆盖全工艺区域，不满足整个露天工艺区域的监测需要。

3.2 激光云台式探测器

激光云台式探测器是利用气体对光谱的选择吸收特性，激光收发装置对外发射特定波长范围的探测激光，该探测激光遇到如管道、阀门、地面、墙面等反射物，经漫反射后部分激光返回到探测单元，在光路中如果存在可燃气体云团，该云团中的甲烷成分将吸收部分探测激光，被吸收前光强与被吸收后光强的比值与气团浓度成函数比例关系，通过计算即可得出甲烷气体的浓度，其检测原理如图1所示。

激光云台式探测器具有灵敏度高（5ppm·m（1ppm=0.001‰））、响应时间短（0.1 s）、监测范围大（半径100 m）的特点。其缺点是报警时效存在一定滞后性，只有当系统扫描到特定泄漏位置附近才能发出报警。

2021年，西气东输管道45座站场设置了激光云台式甲烷探测器，运行时间不长，设备性能总体良好，使用过程中发现了一些问题，如设备巡检周期设置过长、存在误报警、上位监控软件存在缺陷等。其中，巡检周期过长问题可通过合理设置巡检点位、巡检速度和巡检路线加以解决，使其巡检周期控制在10 min以内。对于误报警问题，现阶段是通过调整报警阈值，按照推荐值（高报1 000ppm·m、高高报3 000ppm·m）进行设置；通过监控软件设置预警监测时间，即发现报警后对报警区域的上下左右进行重点扫描，当统计的超预警次数超过设定值时，才确认为甲烷超浓度报警。通过这两种方式可有效避免误报警。后续厂家进一步修改完善了监测算法和监控软件，提高了抗干扰性，现场已安装的设备后续可通过固件升级等手段进行更新。

综上所述，超声波式探测器和激光云台式探测器各有优势，超声波式探测器监测及时性好，不受风速影响；激光云台式探测器能监测到微量泄漏情况，覆盖范围大。

4 优化方案

4.1 增设超声波式探测器方案

基于现有的气体泄漏监测系统布置情况，如需全面监测工艺区域设备，至少增加两台超声波式探测器。这样设计的优点是监测及时性较好，不受大风天气影响；缺点是无法进行微量气体泄漏监测；现场施工量大。

4.2 增设激光云台式甲烷探测器方案

如采用激光云台式甲烷探测器作为某分输站工艺区域泄漏监测设备，应当避免将探测器安装在进出站区域，而应安装在工艺区域的中间［8］，使监测效果最大化，只需布置一台即可满足全面监测的要求。优点是与超声监测设备共同在现场应用，形成优势互补，既可对露天工艺区全面监测又提高了报警时效。

激光云台式甲烷气体探测器和超声波式可燃气体探测器分别将各自的报警、故障等信号传输至站控PLC系统，由站控PLC系统实现联合检测逻辑判断，如图2所示。

将某站工艺区域进行网格化，激光云台式甲烷探测器沿着网格线进行水平线扫描，合理设置巡检点位，根据各个点位之间设备分布情况设置不同的扫描速率，对重点区域设置采用慢速转动速率精细扫描，对长距离无设备分布的路径调整为快速转动速率扫描（图3），确保工艺区泄漏检测区域全覆盖的同时保障了检测效果、提高了检测时效性。

当PLC系统检测到超声波式可燃气体探测器报警，将报警信息传输至PLC系统，PLC系统输出命令至激光云台式甲烷探測器，由激光云台式甲烷探测器调整巡检区域，对超声波式可燃气体探测器覆盖区域进行复测，当检测到甲烷气体浓度超高时，输出报警至站控系统，当未检测出泄漏情况，则不输出报警，从而减少系统误报率，也保障了报警的时效性。实际投运一年时间，共出现报警两次，经现场人工复测均存在微小泄漏，未发现误报情况。

经过对比分析，增设激光云台式甲烷探测器的方案对于现场气体泄漏的监测效果和经济性更好，确保无人站工艺区气体泄漏风险可控，提高输气生产的安全性。

5 结论和建议

5.1 以西气东输某分输站基础数据为设计条件，考虑天然气站场应用较为广泛的两种泄漏监测设备，进行露天工艺区泄漏监测方案设计，并从监测全面性和经济性进行方案比选，确定增设一台激光云台式甲烷探测器为最优解决方案。

5.2 无人站露天工艺区泄漏监测系统宜具备微量天然气泄漏监测水平，故可燃气体监测系统以激光云台式产品为主，负责区域全面监测，超声波式或激光线型产品为辅，负责重点区域监测，可最大程度提高系统的稳定性和可靠性。

5.3 由于激光光束无法穿透遮挡物，当站场工艺管道布置高低错落且数量较多时，不宜选用激光云台式探测器。此时，建议选用超声波式可燃气体探测器对整个工艺区进行监测，激光线型可燃气体探测器对重点区域进行监测。

5.4 现场长期刮风等级较高时，可燃气体云团不易形成，不宜选用激光云台式探测器。此时，建议选用超声波式可燃气体探测器用于无人站工艺区气体泄漏监测。

5.5 GB/T 50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》规定“可燃气体探测器必须取得消防产品型式检验报告”。激光云台式和超声波式探测器目前均无相关试验、检验国家标准，故无法取得消防产品型式检验报告，期待相关标准和规范尽快制定出台，用以指导产品设计改进、物资采购和现场应用。激光线型可燃气体探测器具有相关检验、试验国标（GB 15322.4—2019），但取得相关测试检验报告的产品少之又少。建议企业、消费者在产品采购过程中加强市场准入、物资采购和质量管理，促进产品优化和服务质量的提升。

参 考 文 献

［1］ 张玺林，王文清.大面积可燃气体探测新技术——线型红外可燃气体探测器［J］.消防技术与产品信息，2000（3）：16-18.

［2］ 孙旭.超声波气体泄漏检测仪在天然气分输站场的应用［J］.化工设计通讯，2018，44（11）：188.

［3］ 时国明，周智，苏晔华，等.天然气站场扫描式激光气体监测系统的研制［J］.油气储运，2021，40（5）：554-560.

［4］ 田野，潘诚，陈海艳.天然气站场露天区域可燃气体泄漏检测技术研究［J］.油气田地面工程，2022，41（3）：73-77.

［5］ 王琴梅，林盛阳.大风天气对开放式区域可燃气体探测器选型的影响［J］.化工自动化及仪表，2021，48（5）：515-518.

［6］ 刘欢，胡畔宁，魏莱.气云成像摄像机气体泄漏监测技术研究及应用［J］.天然气技术与经济，2019，13（1）：53-56.

［7］ 王春楠，李向，许挺挺，等.天然气站场超声波原理泄漏检测影响因素分析［J］.自动化仪表，2018，39（3）：92-94；102.

［8］ 严密，袁晓骏，管文涌.露天站场天然气泄漏激光监测系统的设计及应用［J］.油气储运，2021，40（6）：685-691.

（收稿日期：2022-09-29，修回日期：2023-01-19）