北斗高精准燃气泄漏检测系统的应用

李彦爽

(北京市燃气集团有限责任公司,北京 100035)

1 概述

燃气作为城市的重要基础设施,近年来使用规模增长迅猛,截至2021年底,全国城市用气人口已经超过6.67×108人,使用普及率约98%。与此同时,燃气安全的风险日益凸显,截至2021年底,已有近10×104km城市燃气管道出现不同程度的老化,燃气安全面临极大挑战。

燃气泄漏的检测和预防,能够有效防止事故发生,将事后处置转换为事前预防。随着新技术、新设备、新算法不断引入,燃气泄漏检测精度和效率持续提升。本文介绍北斗高精准燃气泄漏检测系统(简称检测系统)的系统架构和技术原理,试验验证检测系统性能。

2 系统架构及设备

2.1 系统架构

检测系统由北斗定位装置、泄漏检测装置、用户终端和云服务平台4部分构成,架构见图1。泄漏检测装置与北斗定位装置分别获取泄漏燃气的体积分数和泄漏点位置,将各自收集的数据在用户终端进行集合分析,为用户提供燃气泄漏风险的判别依据。云服务平台实现各终端内部数据共享。

图1 北斗高精准燃气泄漏检测系统架构

2.2 设备

① 北斗定位装置

包括定位模块和通信模块。定位模块通过北斗信号接收机获取北斗时空位置信息,实时计算泄漏点的三维位置与时间;通信模块通过无线传输技术,将各类数据传输到用户终端。

② 泄漏检测装置

包括传感器模块和通信模块。传感器模块结合先进的激光甲烷泄漏检测技术及其他辅助技术,采集甲烷、乙烷体积分数和风速、风向等数据,并通过通信模块将采集的数据传回用户终端。

③ 用户终端

包括处理器、显示器、存储器和通信模块。北斗定位装置与泄漏检测装置收集的数据,通过用户终端的处理器进行集合、计算、分析,结合内嵌地图软件,可得出甲烷泄漏的范围,并在显示器上直观呈现。存储器主要实现检测结果的本地化保存,通信模块主要用于接收前端(北斗定位装置、泄漏检测装置)数据。燃气公司可使用智能手机或平板电脑作为用户终端,以保证其可操作性和便捷性。

④ 云服务平台

云服务平台设在系统客户(检测系统使用单位),以确保检测数据安全。北京燃气集团利用自有服务器搭建了云服务平台。结合各用户终端传来的数据和图像,通过云服务平台,可以看到整个区域内的泄漏检测状况。各用户终端也可以在内嵌地图软件上看到其他用户终端实时上传的更新结果,便于协同作业。北斗高精准燃气泄漏检测系统检测效果见图2,颜色越接近红色表示测得的燃气体积分数越高。

图2 北斗高精准燃气泄漏检测系统检测效果

3 技术原理

北斗高精准定位技术和激光甲烷泄漏检测技术相结合,为燃气泄漏高精准检测提供了有力支撑。

① 北斗高精准定位技术

卫星导航定位技术已成为国家科技实力与竞争力的重要标志之一[1]。北斗卫星导航系统(简称北斗系统)是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设运行的全球卫星导航系统。相较于其他定位系统,北斗系统具有精准授时功能,能够保证数据信息安全,为城市燃气行业数字化建设提供时空数据支持。

随着卫星导航技术不断发展,北斗高精准定位技术已经成为一种非常成熟的技术,可以消除卫星钟差、用户接收机钟差以及电离层延迟的影响,可以实现cm级的定位精度。在复杂环境下,例如在城市高楼、山区等环境下也可以实现高精准定位,对于燃气企业的运行、维护、安全管理具有非常重要的意义。例如,在巡检过程中,通过北斗高精准定位技术可以实现人员、设备的实时定位、监测和管理,从而提高生产效率和安全性。

北斗高精准定位技术的基本原理是利用测距交会法[2],原理见图3,坐标系采用北斗坐标系。

图3 测距交会法原理

北斗卫星播放测距信号和导航电文,导航电文中包括卫星的位置信息。目标点P在同一时刻接收到3颗卫星(分别用S1、S2、S3表示)信号,测量出目标点至3颗卫星的距离,利用导航电文计算出该时刻卫星的空间坐标,最终计算得到目标点的三维坐标,即确定目标点的位置。

目标点三维坐标计算式为:

(1)

(2)

(3)

式中x、y、z--目标点P的三维坐标,m

x1、y1、z1--卫星S1的三维坐标,m

x2、y2、z2--卫星S2的三维坐标,m

x3、y3、z3--卫星S3的三维坐标,m

d1、d2、d3--目标点P与卫星S1、S2、S3的距离,m

自2012年以来,北京燃气、中国燃气、华润燃气、新奥燃气、昆仑燃气、港华燃气、深圳燃气、重庆燃气等企业以燃气供应业务为核心,根据各自的发展理念,应用北斗系统开展了广泛的业务延伸和市场化运营,逐渐形成差异化的产品特点和发展特征[3]。

② 激光甲烷泄漏检测技术

燃气泄漏检测技术主要分为化学成分分析法、声学分析法、光学测量法、分布式光纤传感器法、智能球法。激光甲烷泄漏检测技术作为光学测量法的一种,具有灵敏度高、气体选择性好、可原位在线检测等优点,被广泛应用于天然气、石油、化工等领域,可对甲烷、乙烷等燃气进行快速、准确检测,实现对燃气泄漏的实时监测和预警。

激光甲烷泄漏检测技术是基于激光吸收光谱技术,利用特定波长激光束对待测燃气扫描时,共振于分子跃迁波长的光会被待测燃气吸收,从而在探测器上观察到透射光强度的衰减,测量燃气分子的光谱吸收特性,从而确定燃气体积分数。传统的激光吸收光谱技术受限于光电探测噪声,无法有效检测出微小泄漏。由此,灵敏度更高、抗干扰能力更强的基于光学腔的激光吸收光谱技术得以发展。

目前精度最高的两种车载泄漏检测系统均采用光学腔增强的激光吸收光谱(Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy,CEAS)技术,分别是基于光腔衰荡光谱技术(Cavity Ring-Down Spectroscopy,CRDS)的泄漏检测系统与基于离轴积分腔输出光谱技术(Integrated Cavity Output Spectroscopy,ICOS)的泄漏检测系统[4],对甲烷、乙烷体积分数的检测分度值都可达到10-9级,结合内置算法软件,分析计算燃气泄漏情况并定位燃气泄漏位置。

4 试验验证

① 检测试验区域

在2018-2020年期间,北京燃气集团选取北京市M区作为检测系统的试验区域,将北斗高精准定位技术和激光甲烷泄漏检测技术应用在检测车上进行燃气泄漏检测,并将3年的试验结果进行对比。

② 设备选型

在北斗高精准定位技术应用方面,试验选用华测导航CGI-210高精度组合导航接收机(见图4),接收北斗卫星信号,并进行位置坐标的计算。接收机采用差分定位技术与惯性导航技术,内置4G通信模块,接入北斗精准服务网(由覆盖全国的北斗精准服务站组成,可大幅缩小定位误差),实时解算出高精度的检测车位置、速度等信息,可实现城市峡谷、隧道桥梁等卫星信号质量差环境下的持续高精度定位。

图4 华测导航CGI-210高精度组合导航接收机

在激光甲烷泄漏检测技术方面,试验选用基于离轴积分腔输出光谱技术和软件算法的ABB AbilityTM高精准燃气泄漏检测系统,是目前精度最高的车载泄漏检测系统之一。该设备基于离轴积分腔输出光谱技术,利用离轴积分腔衰荡,通过测量腔体内部气体吸收激光衰减的时间,反演出腔体内气体体积分数,能检测出非常微小的燃气泄漏。

③ 设备安装

车载北斗高精准燃气泄漏检测系统的安装见图5。气体采样口安装在车前端;北斗定位装置与泄漏检测分析仪安装在车的后备箱中,随着车行进实时定位并进行燃气泄漏检测分析;超声波风速仪安装在车顶,测量出风速,以便排除风速干扰,对燃气体积分数进行精确判断;用户终端放置在车内,由燃气公司工作人员实时查看检测情况。在车行驶过程中,北斗定位装置一直在进行定位,实时记录车行驶的轨迹;泄漏检测装置也在实时检测燃气泄漏情况,一旦检测到燃气泄漏,系统通过叠加风速、风向来判断泄漏距离和方向,再与该时间点的位置信息进行结合,计算出泄漏点的准确位置。车载北斗高精准燃气泄漏检测系统的参数见表1。

表1 车载北斗高精准燃气泄漏检测系统的参数

1-北斗定位装置; 2-泄漏检测分析仪; 3-气体采样口; 4-用户终端; 5-超声波风速仪。图5 车载北斗高精准燃气泄漏检测系统的安装

④ 试验结果与分析

检测覆盖了北京市M区的主要街道和附近小区,每年检测4次。在2018-2020年所有检测过程中,车辆和设备运行正常。检测过程中,有燃气泄漏报警指示,经核验确认存在泄漏,已通知相关部门进行处理。2018-2020年燃气泄漏报警点数量对比见表2。

表2 北京市M区2018-2020年燃气泄漏报警点数量对比

每次检测完成后,用户终端均会生成泄漏风险云图,见图6,颜色越接近红色表示测得的燃气体积分数越高。

图6 用户终端生成的泄漏风险云图

通过现场应用发现:

a.检测系统较好地进行了多技术融合。结合北斗高精准定位技术和激光甲烷泄漏检测技术,能够敏锐发现燃气轻微泄漏,并结合云服务技术,将燃气泄漏体积分数通过燃气企业内部专网直观共享。

b.检测系统能够保障城市燃气安全。北京市M区2018-2020年期间,燃气泄漏报警点数量逐年减少,检测系统能辅助燃气公司工作人员快速找到泄漏点,及时消除安全隐患。

c.检测系统兼具高效和稳定性。在北京市M区的泄漏检测中,2018-2020年这3年均实现了利用30个工作日进行了4次检测,检测高效且稳定。

5 检测系统主要特点

① 高灵敏度。检测系统可以检测出非常微小的燃气泄漏,检测分度值达到了10-9级。

② 高准确性。检测系统可以实现高精准度的燃气泄漏检测,对于燃气企业的安全管理具有非常重要的意义。甲烷和乙烷双激光分析,有利于减少沼气引起的误报干扰,减少无效的人工复测工作。

③ 实时监测。检测系统可以实现实时的燃气泄漏监测和报警,对于燃气泄漏的预防和控制具有非常重要的意义。

④ 易于使用。检测系统可以通过简单的硬件设备和软件系统实现,最大车载检测覆盖范围均达到检测车两侧150 m,使用起来非常方便。

⑤ 数字化程度高。检测系统通过自带的泄漏检测算法,可将多次检测的数据进行叠加分析,实时显示检测情况并自动生成检测报告,生成甲烷、乙烷体积分数分析图、泄漏风险云图等。

⑥ 高效且稳定性强。

6 结束语

随着城镇燃气管道的老化不断加剧,更加高效、精准的燃气泄漏检测技术成为城镇燃气安全运行的有力保障。试验证明,北斗高精准燃气泄漏检测系统在燃气泄漏检测性能和精度上均能满足要求。

此外,北斗系统作为国之重器,已进入规模化、产业化、国际化发展新阶段,为燃气领域创新化发展、精细化管理带来崭新机遇,对于燃气企业精准定位燃气泄漏点、应急现场前期侦查、排查燃气泄漏隐患均有重要作用,为实现智慧燃气建设、强化企业运营本质安全提供有力保障。未来,应持续推动“燃气+北斗”融合创新,推动更多典型应用场景落地。