城市燃氣泄漏檢測新方法及其應用

摘 要

摘要：在城市燃氣泄漏檢測中，常用甲烷檢測儀很容易受到C0、CO2、H20等氣體和現場實際條件(如潮濕度、覆蓋物和風向等)的干擾影響，導致誤檢和判斷失效。為此，優選了利用紅外吸收原
摘要：在城市燃氣泄漏檢測中，常用甲烷檢測儀很容易受到C0、CO2、H20等氣體和現場實際條件(如潮濕度、覆蓋物和風向等)的干擾影響，導致誤檢和判斷失效。為此，優選了利用紅外吸收原理的光學甲烷檢測儀替代傳統可燃氣體探測器，分析了光學甲烷檢測儀的5個優點：①氣體選擇性好；②檢測儀表不易受有害氣體的影響而老化；③響應速度快，穩定性好；④防爆性好，信噪比高，使用壽命長，測量精度高；⑤應用范圍廣。為了提高燃氣泄漏檢測的精度和效率，還提出了車載式OMDTM光學甲烷探測儀和便攜式RMLDTM激光甲烷遙距檢測儀互補使用的燃氣泄漏檢測新方法，即在巡檢過程中，若車載式OMDTM光學甲烷探測儀出現報警，則用RMLDTM在報警范圍內進行遙測，確定泄漏源。該方法可有效排除沼氣等其他可燃氣體對泄漏檢測的干擾影響，不僅能夠覆蓋城市的整個燃氣管網，主動預防泄漏事故的發生，而且在泄漏搶險工作中，檢測車能夠迅速到達現場參與漏點查找工作，有助于盡快處理泄漏事故。現場實際應用效果表明，該燃氣泄漏檢測方法準確率較高，誤報率低，響應速度快，符合現代城市燃氣泄漏檢測的需要。
關鍵詞：城市燃氣；甲烷；可燃氣體；泄漏；光學甲烷檢測儀0MDTM； RMLDTM；響應速度
    城市燃氣泄漏可能導致局部燃氣管道停輸，不僅給居民生活帶來不便，如果采取措施不及時，甚至還會造成重大事故和經濟損失。目前國內對燃氣泄漏檢測普遍采用便攜式、袖珍式和固定式3類甲烷濃度監測儀，在檢測過程中很容易受到C0、C02和H2O等其他氣體和現場實際條件(如潮濕度、覆蓋物和風向等)的干擾影響，導致誤檢和判斷失效[1～9]。為了提高燃氣泄漏檢測的精度和效率，有必要選用合適的檢測儀器來進行燃氣泄漏檢測和鑒別，同時積極探索各種探測儀的功能互補性。
1 光學甲烷檢測儀的工作原理
    每種氣體都有自己的特征紅外吸收頻率，不受其他氣體吸收峰的干擾，吸收的能量與氣體在紅外光區內的濃度有關，大部分光學甲烷檢測儀就是據此來進行設計的[10]。甲烷(CH4)分子的光譜吸收區為3.26μm，在3.26μm附近，C0、C02和H2O分子等沒有明顯吸收，對甲烷氣體檢測的影響幾乎可以忽略。由lambert-beer定律可知，當一定頻率強度為I0的入射紅外光穿過氣體時，氣體吸收自己特征頻率紅外光的能量后，而使出射光能量減弱為I，即吸收度I=I0exp(-μCL)，其中μ為氣體吸收系數；C為待測氣體濃度；L為光程長度。CH4、C02、C0和H2O的吸收峰圖如圖1所示。

2 光學檢測儀的優點
    對比常用的傳統氣體檢測儀，利用紅外吸收原理的氣體檢測儀表有以下5個優點[11]：
   1) 氣體選擇性好。每種氣體都有自己的特征紅外吸收頻率，在對混合氣體檢測時，各種氣體吸收各自對應的特征頻率光譜，互不干擾，可以方便地測量出混合氣體中某種特定氣體。
   2) 檢測儀表不易受有害氣體的影響而老化。光學檢測儀采用非接觸式方法測量氣體，不會由于受有毒氣體的影響而中毒和老化，致使載體催化類元件中毒失活，可防止測量結果發生很大的偏差。
   3) 響應速度快，穩定性好。光學檢測儀在開機相對較短的時間內就能正常工作，且當氣體濃度發生變化時，也比其他檢測方法更能及時作出響應。另外光學檢測儀不會引起檢測系統發熱，使測量系統不至于因溫度的變化而受到影響，系統工作穩定性好。
   4) 防爆性好，信噪比高，使用壽命長，測量精度高。與傳統檢測方法采用的電信號不同，光學檢測儀需要的電壓低，在礦井、煤氣站等有混合爆炸氣體的場合，不會成為爆炸的點火因素，具有較好的防爆性。而且利用紅外吸收原理檢測氣體，產生的干擾信號小，有用信號明顯，系統的信噪比高。同時檢測系統具有零點自動補償與靈敏度自動補償功能，因而不用定時校準，具有使用壽命長的優點。
   5) 應用范圍廣。紅外吸收原理除了應用于氣體檢測，它的應用范圍也是很廣泛的，尤其是在油氣行業得到普遍應用，并取得到了良好的效果。
   因此，光學檢測儀不僅滿足目前城市燃氣檢測對檢測儀器的要求(響應速度快、精度高、穩定高和防爆性好)，而且以其壽命長和性價比好的特點而具有更為廣闊的適用性。
3 車載式和便攜式泄漏檢測儀器的配合使用
   車載式OMDTM光學甲烷探測儀是專門為埋地天然氣管網及集輸管線設計的氣體檢漏裝置，其照片如圖2所示。紅外燈柱探測器安裝在檢測車前，可在各種環境條件下運行，不會因光柱上的塵土雪水等而引起吸收頻率的微小波動；檢測儀響應速度快，可檢測低于1ppm(1ppm=1mg/kg，下同)濃度的甲烷泄漏，速度高達10000次/s，且穩定性好，自身不會引起檢測系統發熱，系統工作穩定性好。另外，0MDTM內部有刻度校準器，能夠在任何時間檢驗探測儀和設備是否正常運行，檢測數據和GPS數據通過端口與PC連接便于數據分析與存儲。

   車載式OMDTM光學甲烷探測儀尤其適合于位于車行道上的管線設施的日常檢測，不僅效率高，檢測面大，還避免了因進行人工檢測而帶來的交通安全隱患，可以主要針對城市的干道管線、中壓煤氣管線、位于道路上的低壓管線等進行檢測。現場實際應用效果表明，雖然該儀器檢測距離僅為20m，且預熱需要15min，但是檢測車的車速平均為25km/h，一天可檢測近80km長的管線，與國內現有的檢測手段相比，提高效率近50%。
    RMLDTM激光甲烷遙距檢測儀作為便攜式中的領先產品，采用了可調諧二極管激光吸收(TDLAS)技術，可以調頻檢測C0和C02氣體的含量，并且能夠巡檢原來不能到達或不易到達的地方，不必將探頭置于可燃氣體的環境中，操作人員不用處于一些危險的環境中，提高了工作環境的安全性，降低了操作人員的勞動強度。同時檢測儀預熱時間短，只需2～3min，且具有自檢和標定的功能。RMLDTM激光甲烷遙距檢測儀工作圖如圖3所示。

   RMLDTM激光甲烷遙距檢測儀具有穿透能力較強(可穿透玻璃)、密閉空間漏點尋找、反太陽光干擾、遙測距離長(遙測距離50m)及操作簡單等優點，主要針對庭院小區、架空管線和不易到達的管線進行檢測，重點對沉降庭院小區和長期不易到達的管線進行檢測。在巡檢過程中，若車載式OMDTM光學甲烷探測儀出現報警，則用RMLDTM在報警范圍內進行遙測，確定泄漏源。
4 現場應用
    為了防止誤檢，在日常檢測中OMDTM報警后，需要對報警處相鄰管溝的甲烷值和可燃氣體值進行檢測[12]。現以昆明市燃氣檢測情況為例，該市燃氣管網目前的管輸介質為人工煤氣，2009年以前使用的檢測設備是SST-9801A可燃氣體探測器，檢測范圍為0～100%，探測方式為擴散式，環境溫度為-20～45℃，濕度為20%～90%，電源電壓為220V。2010年引進車載式0MDTM光學甲烷探測儀后，就開始探索如何防止誤檢與其他探測儀配合使用的問題，經過近1年的現場應用，形成了以下的燃氣泄漏檢測方法：
    當車載式0MDTM光學甲烷探測儀甲烷值超標報警后(設定為20ppm)，可用RMLDTM激光甲烷遙距檢測儀檢測在報警30m范圍內的燃氣設施和相鄰管溝的CH4值，確定泄漏源，調頻后再檢測C0值(無管溝不需檢測)，若C0值大于CH4值的0.18倍，則可判定為煤氣泄漏所致。表1是對該城市1條在役管線及支線用RMLDTM檢測儀進行的燃氣泄漏情況再判定及與傳統檢測法檢測結果的比較表。

工作人員在2號泄漏源點進行了小范圍的開挖，發現燃氣泄漏是由于1條公稱直徑為519mm的中壓管線焊接點處破損而引起的，現場做了臨時堵漏處理并進行了維修。經查3號泄漏是由于地基下沉，三通管變形、局部撕裂造成的煤氣微漏。3次的開挖檢查結果與RMLDTM泄漏判定結果相符，初步驗證了此方法的正確性。另外，傳統檢測法(SST-9801A)在無燃氣泄漏處誤報警2次，在煤氣泄漏較明顯的相鄰管溝處誤報警1次，尤其在鄰近地下市政系統管溝處誤報警達4次，且響應時間明顯較長。
2012年中緬管線將進入云南，昆明市將改用天然氣，根據區別人工煤氣和沼氣的方法及原理，車載式OMDTM光學甲烷探測儀與RMLDTM激光甲烷遙距檢測儀能夠延續使用。具體做法是車載式OMDTM光學甲烷探測儀甲烷值超標報警后，首先用RMLDTM激光甲烷遙距檢測儀檢測相鄰管溝的CH4值，再對檢測儀進行標定調零后檢測燃氣設施中的C02值，若C02值大于CH4值的0.25倍，則可判定為非天然氣泄漏所致。
5 結束語
    車載式OMDTM光學甲烷探測儀與RMLDTM激光甲烷遙距檢測儀能夠很好地互補使用，不僅降低了燃氣泄漏檢測過程中受到沼氣等其他可燃氣體的干擾影響，而且免受現場實際條件如潮濕度、覆蓋物和風向等的干擾影響，能夠很好地區分和檢測出人工煤氣和沼氣，同時也可以借鑒到天然氣與沼氣的區分與檢測中。現場實際應用效果表明，該方法檢測準確率較高，誤報率低，響應速度快，符合現代城市燃氣泄漏檢測發展的需要。
    在城市燃氣日常的巡檢過程中，該方法不僅能夠覆蓋城市的整個燃氣管網，提前發現泄漏源，而且在泄漏搶險工作中，檢測車能夠迅速到達現場參與漏點查找工作，有助于盡快處理泄漏事故，防止燃氣泄漏量增大而引起燃氣積聚，阻止燃氣閃爆造成重大危害。
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(本文作者：吳曉南1 胡鎂林1 商博軍2 黃睿1 1.西南石油大學石油工程學院；2.中國石油昆侖燃氣有限公司)