激光式可燃气体探测器在天然气站场的应用

刘广潆

(中国石油西部管道 甘肃输油气分公司，甘肃 兰州 730000)

天然气站场可燃气体泄漏检测过程中，传统检测技术主要采用催化燃烧式、点式红外吸收型可燃气体探测器；现场巡检采用便携式可燃气体探测器。传统的检测方式受环境影响和应用场所的限制，检测效果和检测精度均不理想，无法做到实时、高精度的天然气泄漏监测。

本文在阐述传统可燃气体泄漏检测技术的基础上，分析了传统检测技术存在的问题，并介绍了激光式可燃气体探测器的检测原理、系统构成、系统功能以及现场应用效果，为天然气站场管道泄漏检测提供参考。

1 传统可燃气体泄漏检测技术

1.1 催化燃烧式可燃气体探测器

催化燃烧式可燃气体是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，导致载体温度升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出1个与可燃气体体积分数成正比的电信号。通过测量铂丝的电阻变化的大小，就可测量出可燃性气体的体积分数。

催化燃烧式传感器属于高温传感器，检测元件是在铂丝线圈上包裹氧化铝和粘合剂形成球状，经烧结而成，其外表面敷有铂、钯等稀有金属的催化层，当电流通过铂丝时，可使检测元件温度保持在300～400 ℃，此时若与甲烷气体等可燃气体接触，甲烷就会在催化剂层上燃烧，燃烧的实质是元件表面吸附的甲烷与吸附的氧离子之间的反应，反应完成后生成CO2和H2O析出。

甲烷在催化剂层上燃烧是放热过程，因此燃烧产生的热量使铂丝线圈的温度升高，线圈的电阻值也将上升，导致催化燃烧式可燃气体探测器的输出电压信号也相应地发生变化，该电压信号的大小与可燃气体的体积分数成正比例关系。

1.2 点式红外吸收型可燃气体探测器

点式红外吸收型可燃气体探测器基于不同气体分子对红外光谱的吸收特性，根据朗伯-比尔定律，利用气体体积分数与吸收强度的关系，用于检测气体的体积分数。该传感器采用光谱分析技术，对气体的检测仅依靠被测气体对特定红外光的吸收特性，是一种固有的物理特性，没有介质的反应过程，因此该方法是对气体进行定性、定量分析的重要依据。

天然气泄漏时受外界环境影响，扩散范围较大，而传统的天然气泄漏检测通常采用点式探测器，该点式探测器只有在相对密闭的环境中，当天然气泄漏达到一定浓度或泄漏量较大时，才能检测到报警信号。因此，传统可燃气体泄漏检测技术不适用于天然气站场室外工艺区的泄漏检测。

2 激光式可燃气体探测器

2.1 工作原理

激光式可燃气体探测器基于光谱吸收原理，利用被检测可燃气体对特定波长的光谱具有吸收作用，通过吸收的光谱来确定气体的体积分数。由于不同气体对光谱吸收存在差异性，且同一气体对光谱的吸收随气体体积分数的增加而增大。当被检测区域内发生可燃气体泄漏时，发射器发出的光谱被可燃气体吸收，使经过反射面到达接收端的相关光谱强度减弱，通过探测器内部光学元件对吸收的光谱强度进行测量，并转换成相应的气体体积分数值，当计算出的气体体积分数值达到探测器报警动作阈值时，探测器输出报警信号。

2.2 检测方法

激光式可燃气体探测器对特征气体的体积分数进行实时在线监测，通过单片机控制电路对激光器进行电流调制，控制激光器发出所需波长的激光，激光穿过气体监测区域后，到达背景反射面(漫反射)后，再次被反射回该探测器。若激光穿过的气体区域中存在被检测的特征气体，激光将与该气体作用并被吸收，特征气体的体积分数越高，光的吸收量越大，该探测器将监测到的激光强度的变化反馈至单片机控制电路进行处理，最终由信号输出电路将测得的气体体积分数传输出去。激光式可燃气体探测器检测过程如图1所示。

图1 激光式可燃气体探测器检测示意

2.3 功 能

2.3.1 超前预警

与传统的催化燃烧式或点式红外吸收型传感器相比，激光式可燃气体探测器具有响应时间短、检测精度高等特点，真正实现了可燃气体微泄漏的检测水平，在天然气管道发生微泄漏或管道发生较大泄漏扩散的起始阶段即可进行预警，并且解决了管道阀门、法兰等部位长期存在的微泄漏无法量化监测的难题。

2.3.2 监测可视化

激光式可燃气体探测器借助云台赋予的三维立体扫描功能，真正意义上实现了点、线、面相结合的空间监测，可通过3Dmax以及AutoCAD等设计软件对天然气站场内主要设施进行三维建模，将其位置信息数字化，同时分析管道设备的泄漏扩散规律，用于设置最优的巡航扫描路径，实现了站场内设备分布信息的可视化及天然气组分体积分数空间分布的可视化。

3 结束语

在西气东输二线西段某压气站压缩机厂房和某阀室对激光式可燃气体探测器进行了试用，并分别测试了风速、水汽、气体体积分数对设备检测效果的影响，与现场安装的点式红外吸收型可燃气体检测效果进行了比对，得出以下结论：

1)天然气站场广泛使用的点式红外吸收型可燃气体探测器受外界环境影响较大，无法检测微量可燃气体泄漏和室外工艺区的天然气泄漏检测。

2)激光式可燃气体探测器受风速、水汽等外界环境的影响较小，可实现空廓区域内天然气的泄漏检测，同时室外工艺区的泄漏检测效果较好。

3)激光式可燃气体检测技术是近几年新兴的技术，虽然现场应用效果较好，但目前关于该类产品的相关技术标准还不健全，期待检定规程等相关标准早日颁发，供现场使用有据可查。