激光云臺應(yīng)用探討

閔祥紅

（山東魯新設(shè)計(jì)工程有限公司，濟(jì)南 250101）

0 引言

項(xiàng)目中氣體泄漏檢測主要根據(jù)規(guī)范GB/T 50493-2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行儀表選型、探測器布置等設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。石油化工、精細(xì)化工和醫(yī)藥化工工程采用的常見氣體泄漏探測器工作原理主要包括：催化燃燒、熱傳導(dǎo)、半導(dǎo)體、電化學(xué)、光致電離型和順磁型。LNG接收站通常采用的氣體泄漏探測器工作原理主要包括：點(diǎn)式紅外氣體型、開路紅外氣體型。點(diǎn)式激光型探測器在LNG接收站進(jìn)行了試應(yīng)用。規(guī)范中要求，在工藝介質(zhì)泄漏后形成的氣體或蒸氣能顯著改變釋放源周圍環(huán)境溫度的場所，可以選用紅外圖像型探測。目前，大多項(xiàng)目沒有設(shè)置該類可燃?xì)怏w探測儀表[1,2]。

對此，從技術(shù)原理、項(xiàng)目現(xiàn)場需求和安裝要求進(jìn)行探討激光云臺的必要性。

1 檢測技術(shù)對比

1.1 檢測技術(shù)

1）催化燃燒式探測器

使用難熔鉑絲加熱后的電阻值的變化，換算出測量可燃?xì)怏w對應(yīng)濃度值。當(dāng)可燃?xì)怏w進(jìn)入氣體探測器時(shí)，在鉑絲表層引起氧化反應(yīng)（無焰燃燒），其形成的發(fā)熱量使鉑絲的溫度升高，而鉑絲的電阻率便發(fā)生變化。因此，當(dāng)遇上高溫等因素時(shí)鉑絲的溫度變化很大，而鉑絲的電阻率改變后，探測的數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生變化。最后，經(jīng)由后臺控制電路的處理，將檢測到的可燃?xì)鉂舛绒D(zhuǎn)化為濃度值顯示在屏幕上。

2）非分散紅外檢測技術(shù)探測器

不同組分的氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性。同時(shí)，光能吸收與樣品濃度的關(guān)系滿足朗伯-比爾定律，由此計(jì)算出樣品濃度。

3）激光檢測技術(shù)探測器

激光技術(shù)是非色散紅外技術(shù)的升級版，其應(yīng)用可調(diào)諧激光光譜吸收檢測方法（TDLAS）和朗伯-比爾定律，通過檢測激光光強(qiáng)被待測氣體吸收的強(qiáng)度，計(jì)算出待測氣體的濃度。由于激光的高單色性和高方向性，所以激光檢測技術(shù)對待測氣體有唯一選擇性、高穩(wěn)定性，無零飄、免標(biāo)定，而且可以實(shí)現(xiàn)遙距測量[2-6]。

1.2 性能對比

根據(jù)不同原理決定了不同原理探測器的性能，技術(shù)性能對比見表1。

表1 技術(shù)性能對比Table 1 Technical performance comparison

1.3 LNG泄漏實(shí)用性對比

結(jié)合LNG泄漏特性，得出適用性對比見表2。

表2 適用性對比Table 2 Applicability comparison

2 接收站內(nèi)重點(diǎn)泄漏區(qū)域分析

根據(jù)GB/T50493《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》4.1.3中要求，可燃?xì)怏w和（或）有毒氣體釋放源周圍應(yīng)布置檢測點(diǎn)：

1）氣體壓縮機(jī)和液體泵的動(dòng)密封。

2）液體采樣口和氣體采樣口。

3）液體（氣體）排液（水）口和放空口。

4）經(jīng)常拆卸的法蘭和經(jīng)常操作的閥門組。

統(tǒng)計(jì)各個(gè)裝置區(qū)域釋放源，為激光云臺設(shè)置提供基礎(chǔ)項(xiàng)目資料。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，所有釋放源均為二級釋放源，根據(jù)釋放源數(shù)量由多到少排序?yàn)椋焊邏罕脜^(qū)域>低壓壓縮機(jī)區(qū)域>儲(chǔ)罐區(qū)域（罐頂平臺）>槽車裝車區(qū)域>氣化器區(qū)域>再冷凝器區(qū)域>碼頭區(qū)域>高壓壓縮機(jī)區(qū)域>計(jì)量站區(qū)域>火炬分液罐及火炬棧橋>儲(chǔ)罐區(qū)域（上罐平臺）。將高壓泵區(qū)域、低壓壓縮機(jī)區(qū)域、儲(chǔ)罐區(qū)域（罐頂平臺）、槽車裝車區(qū)域、氣化器區(qū)域、再冷凝器區(qū)域、碼頭區(qū)域、高壓壓縮機(jī)區(qū)域設(shè)為重點(diǎn)泄漏區(qū)域，需要設(shè)置激光云臺測點(diǎn)。

3 激光云臺設(shè)計(jì)選型

激光云臺系統(tǒng)搭載激光光譜泄漏檢測儀、紅外圖像型探測器和高清攝像頭，對重點(diǎn)泄漏區(qū)域各類低溫氣體、常溫氣體、LNG的“跑冒滴漏”進(jìn)行檢測。激光云臺系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)大范圍的甲烷（CH4）泄漏預(yù)警，并且紅外成像技術(shù)可以精確地定位LNG泄漏點(diǎn)。在室內(nèi)或室外都可以全天候24h在線監(jiān)測，具備自動(dòng)巡航功能，全程無需人為干預(yù)。

激光云臺系統(tǒng)應(yīng)具有信號采集、轉(zhuǎn)換、發(fā)送等功能，應(yīng)能對探測范圍內(nèi)的甲烷氣體早期泄漏進(jìn)行快速、可靠、精確的檢測與報(bào)警，同時(shí)具有對探測區(qū)域內(nèi)工藝設(shè)備進(jìn)行視頻監(jiān)視的功能，實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和檢測區(qū)域的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視，且系統(tǒng)性能的測試不應(yīng)對系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。

激光云臺系統(tǒng)，由激光光譜泄漏檢測儀、紅外圖像型探測器、高清攝像頭和報(bào)警監(jiān)視系統(tǒng)組成。

3.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

通過增加激光云臺測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)泄漏區(qū)域的覆蓋式監(jiān)測。同時(shí)，在中控室內(nèi)安裝一套可視化的激光云臺監(jiān)測系統(tǒng)終端，包括控制器、報(bào)警器與客戶端等，當(dāng)檢測到可燃?xì)怏w濃度異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，給予操作人員風(fēng)險(xiǎn)提示。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

激光云臺系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

3.3 監(jiān)測儀選型要求

1）一般要求

激光云臺系統(tǒng)應(yīng)具有信號采集、轉(zhuǎn)換、發(fā)送等功能，應(yīng)能對探測范圍內(nèi)的甲烷氣體早期泄漏進(jìn)行快速、可靠、精確的檢測與報(bào)警，同時(shí)具有對探測區(qū)域內(nèi)工藝設(shè)備進(jìn)行視頻監(jiān)視功能，實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和檢測區(qū)域的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視，且系統(tǒng)性能的測試不應(yīng)對系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。

激光云臺系統(tǒng)，由激光光譜泄漏檢測儀、紅外圖像型探測器、高清攝像頭和報(bào)警監(jiān)視系統(tǒng)組成。

應(yīng)能在探測區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)確可靠地檢測泄漏的甲烷氣體濃度，且響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、誤檢測率低；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的視頻監(jiān)測，且圖像清晰保真。

應(yīng)性能穩(wěn)定可靠，正常工作時(shí)很少產(chǎn)生零點(diǎn)漂移；應(yīng)具有零點(diǎn)漂移自動(dòng)補(bǔ)償功能；儀表的零點(diǎn)和滿量程應(yīng)能在現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)定。

應(yīng)能適用于惡劣的工作環(huán)境，當(dāng)光衰減低于一定值時(shí)，應(yīng)能正常工作。根據(jù)本工程需要，部分云臺式激光氣體監(jiān)測儀將安裝在室外露天環(huán)境，外罩的透光部件應(yīng)能夠防雨雪、霧及塵土。正常工作時(shí)，不應(yīng)受安裝環(huán)境及周圍環(huán)境溫度的影響，檢測儀探頭、防水膜等易受侵蝕的主要部件材質(zhì)，應(yīng)采用316SS不銹鋼。

云臺式激光氣體監(jiān)測儀的信號轉(zhuǎn)換傳輸設(shè)備應(yīng)安裝在防爆箱內(nèi)，防爆箱的防爆等級不低于EX d IIB T6，防護(hù)等級不低于IP66。

從云臺式激光氣體泄漏監(jiān)測儀到防爆箱的線纜及其保護(hù)管、密封件，由供貨商提供。

供貨商應(yīng)提供用于現(xiàn)場安裝的安裝附件及緊固件，附件材質(zhì)為316SS不銹鋼。

室外安裝的云臺式激光氣體泄漏監(jiān)測儀，應(yīng)具有防浪涌保護(hù)功能。

2）具體要求

報(bào)警監(jiān)視系統(tǒng)完成的主要功能如下（不限于此，根據(jù)工程需要確定）：

◇對安裝區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)的可燃?xì)怏w泄漏進(jìn)行濃度檢測并報(bào)警。

◇對安裝區(qū)域內(nèi)工藝生產(chǎn)裝置進(jìn)行視頻監(jiān)視。

◇為接收站GDS系統(tǒng)提供報(bào)警信號。

◇能夠進(jìn)行報(bào)警顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記錄和報(bào)警打印，重要數(shù)據(jù)通過通信方式上傳到上一級管理監(jiān)控中心。

系統(tǒng)應(yīng)具有自診斷功能：可實(shí)現(xiàn)對探測單元、攝像機(jī)、聲光報(bào)警器、激光指示器的在線狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、云臺設(shè)備啟停數(shù)據(jù)的讀取和控制。

具有多種模式顯示，如：柱狀圖顯示、檢測數(shù)據(jù)直觀顯示、趨勢圖顯示及支持站點(diǎn)平面圖導(dǎo)入。

可自由切換云臺間歇及連續(xù)工作模式，且可設(shè)置工作和間歇時(shí)長。

云臺可靈活設(shè)置水平角度及垂直角度的起始及終止位置，實(shí)現(xiàn)云臺按此范圍自動(dòng)進(jìn)行掃描以及預(yù)置點(diǎn)位掃描，支持云臺掃描自動(dòng)和手動(dòng)模式切換。

應(yīng)具有以下報(bào)警記錄查詢功能：

支持按照指定的時(shí)間段，顯示報(bào)警記錄清單，記錄應(yīng)包括可燃?xì)怏w濃度值、位置。

支持對同一時(shí)間、同一位置的多條報(bào)警記錄進(jìn)行合并。

支持對報(bào)警時(shí)錄制的視頻文件進(jìn)行回放。

具備實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，監(jiān)控界面應(yīng)同步顯示下列信息：視頻圖像、探測器工作狀態(tài)、檢測點(diǎn)的當(dāng)前可燃?xì)怏w濃度（單位：ppm.m）和報(bào)警信息；

當(dāng)前檢測點(diǎn)的精確標(biāo)識、當(dāng)前的預(yù)置點(diǎn)位置。

應(yīng)具備下列可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警功能：

a）能夠根據(jù)檢測到的可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)，綜合分析從而判定泄漏事件，并產(chǎn)生報(bào)警信息，同時(shí)支持以聲、光兩種方式進(jìn)行提示。

b）可手動(dòng)設(shè)置可燃?xì)怏w的報(bào)警濃度閾值，并支持檢測速率（響應(yīng)速率）的調(diào)節(jié)。

c）當(dāng)發(fā)現(xiàn)的可燃?xì)怏w濃度超過報(bào)警閾值時(shí)，應(yīng)對該點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)檢測，可設(shè)置定點(diǎn)檢測的時(shí)長。

應(yīng)具備下列自動(dòng)巡檢功能：

① 支持設(shè)置預(yù)置點(diǎn)，探測器自動(dòng)依次對各預(yù)置點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)檢測，可設(shè)置定點(diǎn)檢測的時(shí)長，預(yù)置點(diǎn)不少于200個(gè)，并能夠通過軟件手段有效控制機(jī)械傳動(dòng)誤差，確保預(yù)置點(diǎn)與實(shí)際巡檢點(diǎn)的一致性。

② 支持設(shè)置巡檢軌跡，軌跡應(yīng)支持自由曲線，探測器自動(dòng)精確地沿軌跡進(jìn)行連續(xù)檢測。

具體要求根據(jù)項(xiàng)目情況具體填寫。

③ 系統(tǒng)供電

設(shè)置UPS為云臺式激光可燃?xì)怏w檢測報(bào)警系統(tǒng)供電，供電電壓為220VAC，50Hz，UPS不在供貨范圍內(nèi)。如果系統(tǒng)中用電設(shè)備需要其它等級的電源，如24VDC，由供貨商自行解決。UPS后備電池時(shí)間不少于30min。

④ 接地

均設(shè)置接地系統(tǒng)，接地電阻一般不大于4Ω，滿足SHT 3081-2019《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

云臺式激光可燃?xì)怏w檢測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮安全、可靠的接地措施，系統(tǒng)的保護(hù)接地、防雷接地及工作接地應(yīng)分別設(shè)置，不得串聯(lián)接地。

⑤ 防雷

報(bào)警監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)在有可能將由于雷擊（直擊雷、感應(yīng)雷等）產(chǎn)生的高壓引入系統(tǒng)的接口位置，設(shè)置完善的電涌保護(hù)措施。

3.4 設(shè)備安裝要求

為了實(shí)現(xiàn)大范圍可靠監(jiān)測，選擇安裝位置時(shí)建議重點(diǎn)考慮以下因素：

1）盡可能使?jié)撛谛孤┰刺幱谝园惭b位置為圓心，半徑50m以內(nèi)的圓形區(qū)域或扇形區(qū)域內(nèi)。

2）選擇堅(jiān)固的墻壁或?qū)Ｓ昧U作為載體，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無建筑物或管道遮擋光束。

3）從安裝位置發(fā)出的光束，應(yīng)該有可靠的反射物保證光束返回。

4）光束能夠覆蓋監(jiān)測區(qū)域內(nèi)全部或大部分的閥門和法蘭等易泄漏氣體部位，光束應(yīng)比潛在泄漏源高出足夠的距離，以便讓氣體擴(kuò)散形成足夠大的氣團(tuán)，實(shí)現(xiàn)可靠檢測。

5）確保在設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，設(shè)備周圍沒有可能會(huì)與之發(fā)生碰撞的物體。

6）避開振動(dòng)、高熱、低溫、嚴(yán)重污染、強(qiáng)電磁場。

3.5 主要工程量

本項(xiàng)目新增2臺標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜和1臺操作站。高壓泵區(qū)域、低壓壓縮機(jī)區(qū)域、儲(chǔ)罐區(qū)域（罐頂平臺）、氣化器區(qū)域、再冷凝器區(qū)域、碼頭區(qū)域、高壓壓縮機(jī)區(qū)域設(shè)置激光云臺（共14套），槽車裝車區(qū)域設(shè)置1臺巡檢機(jī)器人。每套設(shè)備需要RS485線4根、光纖2根、電源線1根，接地線若干。

4 結(jié)論

1）符合國家法律法規(guī)

激光云臺系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，均嚴(yán)格執(zhí)行了國家有關(guān)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從而保證了項(xiàng)目安全、可靠、長周期運(yùn)行，切實(shí)做到不發(fā)生事故，不造成人員傷害，不影響環(huán)境。

2）接收站低溫氣體、常溫氣體、LNG液體泄漏得到有效監(jiān)控

激光云臺系統(tǒng)項(xiàng)目有效地提升了LNG接收站泄漏檢測水平，對現(xiàn)場各類低溫氣體、常溫氣體、LNG液體的“跑冒滴漏”進(jìn)行檢測。

3）技術(shù)先進(jìn)可靠

激光光譜分析技術(shù)、紅外圖像型探測技術(shù)和高清成像技術(shù)集成應(yīng)用是目前先進(jìn)的LNG接收站泄漏檢測技術(shù)，具備主動(dòng)在線式監(jiān)測，靈敏度高、響應(yīng)速度快，不受其它氣體交叉干擾，無需定期標(biāo)定的特點(diǎn)。同時(shí)，該技術(shù)能夠及時(shí)測出微釋放源，實(shí)現(xiàn)安全隱患的早發(fā)現(xiàn)、早處理，為LNG接收站提供決策支持和安全保障。