激光云台应用探讨

闵祥红

（山东鲁新设计工程有限公司，济南 250101）

0 引言

项目中气体泄漏检测主要根据规范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》进行仪表选型、探测器布置等设计，同时兼顾安全可靠、技术先进、经济合理。石油化工、精细化工和医药化工工程采用的常见气体泄漏探测器工作原理主要包括：催化燃烧、热传导、半导体、电化学、光致电离型和顺磁型。LNG接收站通常采用的气体泄漏探测器工作原理主要包括：点式红外气体型、开路红外气体型。点式激光型探测器在LNG接收站进行了试应用。规范中要求，在工艺介质泄漏后形成的气体或蒸气能显著改变释放源周围环境温度的场所，可以选用红外图像型探测。目前，大多项目没有设置该类可燃气体探测仪表[1,2]。

对此，从技术原理、项目现场需求和安装要求进行探讨激光云台的必要性。

1 检测技术对比

1.1 检测技术

1）催化燃烧式探测器

使用难熔铂丝加热后的电阻值的变化，换算出测量可燃气体对应浓度值。当可燃气体进入气体探测器时，在铂丝表层引起氧化反应（无焰燃烧），其形成的发热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化。因此，当遇上高温等因素时铂丝的温度变化很大，而铂丝的电阻率改变后，探测的数据也会发生变化。最后，经由后台控制电路的处理，将检测到的可燃气浓度转化为浓度值显示在屏幕上。

2）非分散红外检测技术探测器

不同组分的气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性。同时，光能吸收与样品浓度的关系满足朗伯-比尔定律，由此计算出样品浓度。

3）激光检测技术探测器

激光技术是非色散红外技术的升级版，其应用可调谐激光光谱吸收检测方法（TDLAS）和朗伯-比尔定律，通过检测激光光强被待测气体吸收的强度，计算出待测气体的浓度。由于激光的高单色性和高方向性，所以激光检测技术对待测气体有唯一选择性、高稳定性，无零飘、免标定，而且可以实现遥距测量[2-6]。

1.2 性能对比

根据不同原理决定了不同原理探测器的性能，技术性能对比见表1。

表1 技术性能对比Table 1 Technical performance comparison

1.3 LNG泄漏实用性对比

结合LNG泄漏特性，得出适用性对比见表2。

表2 适用性对比Table 2 Applicability comparison

2 接收站内重点泄漏区域分析

根据GB/T50493《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》4.1.3中要求，可燃气体和（或）有毒气体释放源周围应布置检测点：

1）气体压缩机和液体泵的动密封。

2）液体采样口和气体采样口。

3）液体（气体）排液（水）口和放空口。

4）经常拆卸的法兰和经常操作的阀门组。

统计各个装置区域释放源，为激光云台设置提供基础项目资料。根据统计结果，所有释放源均为二级释放源，根据释放源数量由多到少排序为：高压泵区域>低压压缩机区域>储罐区域（罐顶平台）>槽车装车区域>气化器区域>再冷凝器区域>码头区域>高压压缩机区域>计量站区域>火炬分液罐及火炬栈桥>储罐区域（上罐平台）。将高压泵区域、低压压缩机区域、储罐区域（罐顶平台）、槽车装车区域、气化器区域、再冷凝器区域、码头区域、高压压缩机区域设为重点泄漏区域，需要设置激光云台测点。

3 激光云台设计选型

激光云台系统搭载激光光谱泄漏检测仪、红外图像型探测器和高清摄像头，对重点泄漏区域各类低温气体、常温气体、LNG的“跑冒滴漏”进行检测。激光云台系统需要实现大范围的甲烷（CH4）泄漏预警，并且红外成像技术可以精确地定位LNG泄漏点。在室内或室外都可以全天候24h在线监测，具备自动巡航功能，全程无需人为干预。

激光云台系统应具有信号采集、转换、发送等功能，应能对探测范围内的甲烷气体早期泄漏进行快速、可靠、精确的检测与报警，同时具有对探测区域内工艺设备进行视频监视的功能，实现甲烷气体浓度的实时在线监测和检测区域的视频实时监视，且系统性能的测试不应对系统的运行造成影响。

激光云台系统，由激光光谱泄漏检测仪、红外图像型探测器、高清摄像头和报警监视系统组成。

3.1 实现目标

通过增加激光云台测点，实现对重点泄漏区域的覆盖式监测。同时，在中控室内安装一套可视化的激光云台监测系统终端，包括控制器、报警器与客户端等，当检测到可燃气体浓度异常时，系统发出报警，给予操作人员风险提示。

3.2 系统架构

激光云台系统构架如图1所示。

3.3 监测仪选型要求

1）一般要求

激光云台系统应具有信号采集、转换、发送等功能，应能对探测范围内的甲烷气体早期泄漏进行快速、可靠、精确的检测与报警，同时具有对探测区域内工艺设备进行视频监视功能，实现甲烷气体浓度的实时在线监测和检测区域的视频实时监视，且系统性能的测试不应对系统的运行造成影响。

激光云台系统，由激光光谱泄漏检测仪、红外图像型探测器、高清摄像头和报警监视系统组成。

应能在探测区域内准确可靠地检测泄漏的甲烷气体浓度，且响应时间短、灵敏度高、误检测率低；同时，实现该区域的视频监测，且图像清晰保真。

应性能稳定可靠，正常工作时很少产生零点漂移；应具有零点漂移自动补偿功能；仪表的零点和满量程应能在现场进行标定。

应能适用于恶劣的工作环境，当光衰减低于一定值时，应能正常工作。根据本工程需要，部分云台式激光气体监测仪将安装在室外露天环境，外罩的透光部件应能够防雨雪、雾及尘土。正常工作时，不应受安装环境及周围环境温度的影响，检测仪探头、防水膜等易受侵蚀的主要部件材质，应采用316SS不锈钢。

云台式激光气体监测仪的信号转换传输设备应安装在防爆箱内，防爆箱的防爆等级不低于EX d IIB T6，防护等级不低于IP66。

从云台式激光气体泄漏监测仪到防爆箱的线缆及其保护管、密封件，由供货商提供。

供货商应提供用于现场安装的安装附件及紧固件，附件材质为316SS不锈钢。

室外安装的云台式激光气体泄漏监测仪，应具有防浪涌保护功能。

2）具体要求

报警监视系统完成的主要功能如下（不限于此，根据工程需要确定）：

◇对安装区域内可能出现的可燃气体泄漏进行浓度检测并报警。

◇对安装区域内工艺生产装置进行视频监视。

◇为接收站GDS系统提供报警信号。

◇能够进行报警显示、数据存储、记录和报警打印，重要数据通过通信方式上传到上一级管理监控中心。

系统应具有自诊断功能：可实现对探测单元、摄像机、声光报警器、激光指示器的在线状态、监测数据、云台设备启停数据的读取和控制。

具有多种模式显示，如：柱状图显示、检测数据直观显示、趋势图显示及支持站点平面图导入。

可自由切换云台间歇及连续工作模式，且可设置工作和间歇时长。

云台可灵活设置水平角度及垂直角度的起始及终止位置，实现云台按此范围自动进行扫描以及预置点位扫描，支持云台扫描自动和手动模式切换。

应具有以下报警记录查询功能：

支持按照指定的时间段，显示报警记录清单，记录应包括可燃气体浓度值、位置。

支持对同一时间、同一位置的多条报警记录进行合并。

支持对报警时录制的视频文件进行回放。

具备实时监控功能，监控界面应同步显示下列信息：视频图像、探测器工作状态、检测点的当前可燃气体浓度（单位：ppm.m）和报警信息；

当前检测点的精确标识、当前的预置点位置。

应具备下列可燃气体泄漏报警功能：

a）能够根据检测到的可燃气体浓度数据，综合分析从而判定泄漏事件，并产生报警信息，同时支持以声、光两种方式进行提示。

b）可手动设置可燃气体的报警浓度阈值，并支持检测速率（响应速率）的调节。

c）当发现的可燃气体浓度超过报警阈值时，应对该点进行定点连续检测，可设置定点检测的时长。

应具备下列自动巡检功能：

① 支持设置预置点，探测器自动依次对各预置点进行定点检测，可设置定点检测的时长，预置点不少于200个，并能够通过软件手段有效控制机械传动误差，确保预置点与实际巡检点的一致性。

② 支持设置巡检轨迹，轨迹应支持自由曲线，探测器自动精确地沿轨迹进行连续检测。

具体要求根据项目情况具体填写。

③ 系统供电

设置UPS为云台式激光可燃气体检测报警系统供电，供电电压为220VAC，50Hz，UPS不在供货范围内。如果系统中用电设备需要其它等级的电源，如24VDC，由供货商自行解决。UPS后备电池时间不少于30min。

④ 接地

均设置接地系统，接地电阻一般不大于4Ω，满足SHT 3081-2019《石油化工仪表接地设计规范》要求。

云台式激光可燃气体检测报警系统设计时，应考虑安全、可靠的接地措施，系统的保护接地、防雷接地及工作接地应分别设置，不得串联接地。

⑤ 防雷

报警监视系统应在有可能将由于雷击（直击雷、感应雷等）产生的高压引入系统的接口位置，设置完善的电涌保护措施。

3.4 设备安装要求

为了实现大范围可靠监测，选择安装位置时建议重点考虑以下因素：

1）尽可能使潜在泄漏源处于以安装位置为圆心，半径50m以内的圆形区域或扇形区域内。

2）选择坚固的墙壁或专用立杆作为载体，监测区域内无建筑物或管道遮挡光束。

3）从安装位置发出的光束，应该有可靠的反射物保证光束返回。

4）光束能够覆盖监测区域内全部或大部分的阀门和法兰等易泄漏气体部位，光束应比潜在泄漏源高出足够的距离，以便让气体扩散形成足够大的气团，实现可靠检测。

5）确保在设备转动时，设备周围没有可能会与之发生碰撞的物体。

6）避开振动、高热、低温、严重污染、强电磁场。

3.5 主要工程量

本项目新增2台标准机柜和1台操作站。高压泵区域、低压压缩机区域、储罐区域（罐顶平台）、气化器区域、再冷凝器区域、码头区域、高压压缩机区域设置激光云台（共14套），槽车装车区域设置1台巡检机器人。每套设备需要RS485线4根、光纤2根、电源线1根，接地线若干。

4 结论

1）符合国家法律法规

激光云台系统项目设计过程中，均严格执行了国家有关法律、法规和标准规范，从而保证了项目安全、可靠、长周期运行，切实做到不发生事故，不造成人员伤害，不影响环境。

2）接收站低温气体、常温气体、LNG液体泄漏得到有效监控

激光云台系统项目有效地提升了LNG接收站泄漏检测水平，对现场各类低温气体、常温气体、LNG液体的“跑冒滴漏”进行检测。

3）技术先进可靠

激光光谱分析技术、红外图像型探测技术和高清成像技术集成应用是目前先进的LNG接收站泄漏检测技术，具备主动在线式监测，灵敏度高、响应速度快，不受其它气体交叉干扰，无需定期标定的特点。同时，该技术能够及时测出微释放源，实现安全隐患的早发现、早处理，为LNG接收站提供决策支持和安全保障。