LPG储配库气体微泄漏超前预报系统

周　智，郝孝伟，范广文2，3，刘新宇3，贾正旺3，金小青3，杨炳雄4

（1.大连理工大学智能结构系统研究所，辽宁 大连 116024；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；3.中石油昆仑燃气有限公司华北气分公司，北京 101300；4.大连兰特科技有限公司，辽宁 大连 116021）

LPG储配库气体微泄漏超前预报系统

周智1，郝孝伟1，范广文2，3，刘新宇3，贾正旺3，金小青3，杨炳雄4

（1.大连理工大学智能结构系统研究所，辽宁 大连 116024；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；3.中石油昆仑燃气有限公司华北气分公司，北京 101300；4.大连兰特科技有限公司，辽宁 大连 116021）

液化石油气（liquefied petroleum gas，LPG）储运过程泄漏导致的安全问题一直是人们关注的焦点，目前尚没有长期可靠的微泄漏监测手段。针对北京顺义LPG储配库的丙烷泄漏安全监测问题，研制开发一套基于高性能激光气体传感器的LPG微泄漏超前预报系统。在介绍红外激光测试气体浓度原理的基础上，对该系统以标准浓度气体试样为参考，进行性能测试试验。试验结果表明：该系统的误差＜6%，响应时间≤2s，距离覆盖达30m，丙烷测试分辨率达到100mg/L。将该系统应用到北京顺义LPG储配库，实现无线集成，监测结果符合实际泄漏情况。该系统具有良好的可靠性，可以实现免维护长期工作，具有良好的市场前景。

液化石油气；安全监测；激光气体传感器；微泄漏；超前预报系统

0　引　言

自1892年问世以来，随着石油化工业的发展，LPG作为一种化工原料和新型燃料，越来越受到人们的重视。LPG气态密度是空气的1.5～2.5倍，爆炸极限为1.5%～9.5%，属于一级可燃气体［1］。对其储运管理不当，极易造成泄漏甚至爆炸。由于LPG在储运过程中是以气液共存的形式存在于储罐中，储罐的内外温度场会影响储罐内部LPG的饱和蒸汽压，温度越高，饱和蒸汽压越大；另外，储罐内液位若过高，允许由于温度变化造成液态向气态转换的空间就越小，也会导致饱和蒸汽压增大。若罐内饱和蒸汽压过大，会造成储罐的物理性爆炸，或者顶开安全阀，均会造成LPG的泄漏［2］。与此同时，输送管道会由于自身质量问题（如焊接缺陷等）、LPG内有害杂质的沉积导致腐蚀作用或者多次装卸导致的疲劳效应而变形，造成LPG泄漏。除此之外，储罐及管道阀门位置，连接法兰等位置会由于人为操作因素，使得构件破坏，造成LPG泄漏。

在20世纪60年代初期，可燃气体泄漏造成的事故频发，引起了人们的高度重视。国内外学者对于LPG安全监测做了大量研究。在1963年5月，由日本新宇宙电机株式会社开发出了第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，目前催化燃烧式监测技术广泛应用于石油化工、矿井隧道、造船等行业［3-9］，本文介绍的北京顺义液化石油气储配库也是用的此类传感器。该类传感器稳定性较高，价格便宜，但寿命短，需要频繁校准，容易发生催化剂中毒。1969年2月，日本的科研人员又开发了世界上第一台半导体式家用燃气泄漏报警器［4-8］。该类传感器灵敏度高，响应快，寿命长，但是选择性较差，需在高温下工作，气体选择性差，不够稳定，通常用于民用监测可燃气体泄漏。另外不论是催化燃烧性气体传感器还是半导体气体传感器在工业使用时均为以点式分布的形式存在的，监测到的范围受到一定限制，响应时间也随之变长。近年来随着红外技术的发展，红外监测技术在石油化工行业得以广泛应用［10-11］。其中，非色散红外吸收技术相对来说结构简单、可靠性高、寿命周期内不需要校准、免维护，已广泛应用于气体浓度在线监测［12］。但非分散红外技术光谱宽、气体选择性相对较差，特别受水汽影响较大。激光气体传感器的工作原理和非分散红外监测技术基本相同，具有测量精度高、稳定性好、原理上寿命周期内不需要校准、免维护的特点，另外相比非色散红外吸收技术来说，激光红外技术光谱很窄、气体选择性好、不受任何气体（包括水汽）的交叉影响。传感器性能对比如表1所示。

表1　常用监测气体泄漏传感器性能对比

针对北京顺义LPG储配库的丙烷泄漏安全监测问题，本文研制开发基于丙烷激光气体传感器LPG微泄漏超前预报系统，作为原有安全监测系统的补充，提高了库区的安全性。

1　激光气体传感器

1.1原理

激光气体传感器是利用气体的红外吸收光谱作为监测机制［13］，在明确气体吸收谱线的基础上，找出合适设计要求的红外区吸收峰，并依此决定测量系统的结构。气体浓度换算依据的是郎伯-比尔定律，即当光通过某种介质的时候，光频电磁波与组成介质的原子、分子发生相互作用，使光的强度减弱［14］。利用这种光通过介质光强度衰减的特性可以研制吸收型光纤气体传感器。经过气体吸收后，输出光功率和输入光功率的关系为

式中：I0（ν）——半导体激光器输出光功率；

I（ν）——光电探测器接受的光功率；

S——光收集效率；

C——被测气体的体积浓度；

L——气体吸收光路的长度；

α（ν）——频率ν处单位浓度、单位长度的介质对光的吸收系数。

1.2丙烷激光气体传感器的性能特征

本文研制开发的激光气体传感器的光谱很窄，具有高度选择性，不受其他气体、水蒸气、粉尘等的干扰，在一定程度上也就避免了误报。另外该传感器测量范围较大，准确度较高，可测量0～50 000 mg/L范围浓度的丙烷气体，其分辨率在100mg/L。其响应时间快，通常不超过2s。在恶劣环境下，传感器的稳定性能超过两年，日常近乎免维护。

为验证、校核该传感器特性，对其测量不同标准浓度的丙烷标准气体的基本误差和响应时间进行检测。性能检测是在环境温度为-30～65℃、大气压力为80～116kPa、相对湿度不超过99%的条件下进行，分别对8个探头进行性能测试，遥测距离设置为30 m，布置如图1所示。

对于基本误差检测是在遥测范围内分别放置1000，5000，10000，50000，100000mg/L的标准气样墙，依次进行测试。每种气样测4次，取后3次的算术平均值作为测量值，其与气样的差值，即为基本误差。其表达式为

式中：D——标准气样值；

Di——某次测量值。相对误差的表达式为

对于响应时间检测，首先固定检测仪的检测距离，待其零点稳定后，再在检测距离范围内放入厚度为1m且充满10000 mg/L气样的气样墙，并记录显示值。拿掉气样墙，待检测仪零点稳定后，迅速放上气样墙，并开始记录检测仪的指示值达到原测量值90%所需要的时间，测量4次，取后3次的算术平均值，即为响应时间。

传感器在正常环境下，对标准浓度的丙烷气体检测的基本误差的绝对值及响应时间如表2所示。该传感器在低浓度气体范围内（0～10 000 mg/L），相对误差＜5%；在高浓度范围内（10000～1000000mg/L），最大相对误差为5.87%；响应时间均不超过2s。

图1　性能测试设备布置

表2　试验结果

2　北京顺义LPG储配库微泄漏超前预报系统

2.1工程介绍

北京顺义液化石油气储配库区内有7个气罐，包括3个1000m3的球罐、3个400m3的球罐和1个50m3的卧罐，总计4250m3，除此之外，南罐区包括8台烃泵。该气库于2003年建立了完整的信息化管理系统，包括温度、压力、液位监测系统等部分，已经安全运行了12年。但是，针对安全管理的核心部分，LPG的泄漏难题，包括泄漏成因、泄漏事件以及泄漏危害等缺少有效的监测手段。现有泄漏监测报警器主要利用催化型可燃气体检测仪，缺乏气罐外部温度和管线变形监测系统。

2.2工程方案

2.2.1监测系统架构

在需求分析与技术选型的基础上，为了使得系统功能划分明确，采用层次设计方法设计出LPG泄漏监测系统［14］。

系统共包含4层架构，如图2所示，图中虚线为无线传输，实线为有线传输。从底层到顶层分别是：数据采集层、数据处理及转发层、互联网传输层、远程监控层。各层的功能分别如下：数据采集层主要利用本文激光气体传感器来捕捉气体泄漏的浓度信息。数据处理及转发层是将数据采集层采集的数据进行处理、解调，再将信号通过GPRS无线传输模块传输至互联网。互联网传输层借助互联网运营商（联通、移动、电信）搭建的网络，把数据传输到远程监测主机。远程监控层的数据服务器通过互联网收集现场的气体浓度数据，远程PC客户端可以登录远程监测数据服务器并通过浏览器访问气体浓度数据，手机客户端也可通过APP对气体质量浓度数据进行访问。

2.2.2激光气体传感系统布设

北罐区使用扫描监测的方式，将激光气体传感器G1底座安装180°水平旋转云台，使其可以在罐区内进行横向扫描，每隔15°停顿2min，用以完成数据的处理及传输。平面位置如图3所示，高度距地面0.3m，用以监测1#～3#储罐近地面LPG质量浓度。南罐区内激光气体传感器G2～G4平面位置如图4所示，高度距地面0.3 m，用以监测4#～7#储罐及泵组近地面LPG浓度。压缩机间内的激光气体传感器G5、G6平面位置如图5所示，高度距地面0.3m。用以监测压缩机及传输管道下方LPG浓度装车岛内的激光气体传感器G7平面位置如图6所示，高度距地面0.3 m，用以监测装车机下方LPG质量浓度。栈桥内的激光气体传感器G8、G9平面位置如图7所示，高度距地面0.3m，用以监测装车机下方LPG质量浓度。各方案图中，红色线表示激光，蓝色表示反射板，G1～G9为激光气体传感器。

图2　监测系统框架

图3　北罐区传感器布设

图4　南罐区传感器布设

图5　压缩机间传感器布设

图6　装车岛传感器布设

图7　栈桥传感器布设

图8　南罐区监测数据

3　现场监测数据分析

图8～图11为利用激光气体传感器对库区内4个区域（不包括区域1北罐区）某15h内气体质量浓度监测结果。北罐区因为施工因素，暂时还未安装监测元件。

如图8，南罐区气体泄漏几乎为0，在下午18：00左右有些许泄漏是由于库区进行泵组过滤器的清洗和安全阀的更换，持续时间约为40min，泄漏浓度远低于爆炸极限；如图9，压缩机间气体质量浓度监测结果为0，未发生泄漏现象；如图10和图11装车岛和栈桥位置，气体质量浓度有些许浮动，因为装卸车过程中，需要预先排尽管内空气，会有LPG泄漏到空气中，但其质量浓度远远低于爆炸极限。以上监测结果符合实际情况。

图9　压缩机间监测数据

图10　装车岛监测数据

图11　栈桥监测数据

4　结束语

本文针对北京顺义LPG储配库的丙烷泄漏安全监测问题，研制开发了一套基于高性能激光气体传感器的LPG微泄漏超前预报系统，并将多套系统应用到工程实际，取得良好的效果。该系统具有响应时间短、距离覆盖大、测试精度高等优点，同时具有施工工艺简便、稳定性好、维护周期长等优点，相比之前市场上较为通用的催化燃烧型气体传感器来说，实现了由点式监测扩展为线式监测，进一步提高了库区的安全性，改善了库区的自动化管理模式。

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（编辑：李刚）

The micro-leakage advanced prediction system of gas detection for LPG storage and distribution field

ZHOU Zhi1，HAO Xiaowei1，FAN Guangwen2，3，LIU Xinyu3，JIA Zhengwang3，JIN Xiaoqing3，YANG Bingxiong4
（1.Institute of Smart Structures，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.Petroleum and Natural Gas Engineering Institute，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；3.Petro China KunLun Gas Company North China Branch，Beijing 101300，China；4.Dalian Light M&C Technologies INC，Dalian 116021，China）

The safety issues caused by LPG leaks in the process of storage and transportation have long been a focus of attention.However，there has been no reliable means of micro-leakage detection for a long time.For the safety detection of propane leak in LPG storage and distribution field in Shunyi，Beijing，a set of LPG micro-leakage forecast systems based on high-performance laser gas sensor is developed.Based on the introduction of the theory of gas concentration test by infrared laser，the performance test was carried out while taking the gas sample in standard concentration as a reference.Test results showed that the error rate of this system for detection can be lower than 6%，whose response time is less than 2 s.Meanwhile，its detection distance can reach 30 meters，and test resolution for propane of the system is 100 mg/L.This system is applied to the project of LPG storage and distribution field in Shunyi，Beijing，which has achieved wireless integration.The monitoring results are consistent with the case of leakage.The micro-leakage detection system is reliable and can operate for a long time without maintenance，hence has a good market outlook.

liquefied petroleum gas（LPG）；safety detection；laser gas sensor；micro-leakage；advanced prediction system

A

1674-5124（2016）07-0059-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.012

2016-03-10；

2016-04-18

周智（1973-），男，湖南永州市人，教授，博士，研究方向为智能传感器与结构健康监测。