城市燃气泄漏检测新方法及其应用

摘 要

摘要：在城市燃气泄漏检测中，常用甲烷检测仪很容易受到C0、CO2、H20等气体和现场实际条件(如潮湿度、覆盖物和风向等)的干扰影响，导致误检和判断失效。为此，优选了利用红外吸收原
摘要：在城市燃气泄漏检测中，常用甲烷检测仪很容易受到C0、CO2、H20等气体和现场实际条件(如潮湿度、覆盖物和风向等)的干扰影响，导致误检和判断失效。为此，优选了利用红外吸收原理的光学甲烷检测仪替代传统可燃气体探测器，分析了光学甲烷检测仪的5个优点：①气体选择性好；②检测仪表不易受有害气体的影响而老化；③响应速度快，稳定性好；④防爆性好，信噪比高，使用寿命长，测量精度高；⑤应用范围广。为了提高燃气泄漏检测的精度和效率，还提出了车载式OMDTM光学甲烷探测仪和便携式RMLDTM激光甲烷遥距检测仪互补使用的燃气泄漏检测新方法，即在巡检过程中，若车载式OMDTM光学甲烷探测仪出现报警，则用RMLDTM在报警范围内进行遥测，确定泄漏源。该方法可有效排除沼气等其他可燃气体对泄漏检测的干扰影响，不仅能够覆盖城市的整个燃气管网，主动预防泄漏事故的发生，而且在泄漏抢险工作中，检测车能够迅速到达现场参与漏点查找工作，有助于尽快处理泄漏事故。现场实际应用效果表明，该燃气泄漏检测方法准确率较高，误报率低，响应速度快，符合现代城市燃气泄漏检测的需要。
关键词：城市燃气；甲烷；可燃气体；泄漏；光学甲烷检测仪0MDTM； RMLDTM；响应速度
    城市燃气泄漏可能导致局部燃气管道停输，不仅给居民生活带来不便，如果采取措施不及时，甚至还会造成重大事故和经济损失。目前国内对燃气泄漏检测普遍采用便携式、袖珍式和固定式3类甲烷浓度监测仪，在检测过程中很容易受到C0、C02和H2O等其他气体和现场实际条件(如潮湿度、覆盖物和风向等)的干扰影响，导致误检和判断失效[1～9]。为了提高燃气泄漏检测的精度和效率，有必要选用合适的检测仪器来进行燃气泄漏检测和鉴别，同时积极探索各种探测仪的功能互补性。
1 光学甲烷检测仪的工作原理
    每种气体都有自己的特征红外吸收频率，不受其他气体吸收峰的干扰，吸收的能量与气体在红外光区内的浓度有关，大部分光学甲烷检测仪就是据此来进行设计的[10]。甲烷(CH4)分子的光谱吸收区为3.26μm，在3.26μm附近，C0、C02和H2O分子等没有明显吸收，对甲烷气体检测的影响几乎可以忽略。由lambert-beer定律可知，当一定频率强度为I0的入射红外光穿过气体时，气体吸收自己特征频率红外光的能量后，而使出射光能量减弱为I，即吸收度I=I0exp(-μCL)，其中μ为气体吸收系数；C为待测气体浓度；L为光程长度。CH4、C02、C0和H2O的吸收峰图如图1所示。

2 光学检测仪的优点
    对比常用的传统气体检测仪，利用红外吸收原理的气体检测仪表有以下5个优点[11]：
   1) 气体选择性好。每种气体都有自己的特征红外吸收频率，在对混合气体检测时，各种气体吸收各自对应的特征频率光谱，互不干扰，可以方便地测量出混合气体中某种特定气体。
   2) 检测仪表不易受有害气体的影响而老化。光学检测仪采用非接触式方法测量气体，不会由于受有毒气体的影响而中毒和老化，致使载体催化类元件中毒失活，可防止测量结果发生很大的偏差。
   3) 响应速度快，稳定性好。光学检测仪在开机相对较短的时间内就能正常工作，且当气体浓度发生变化时，也比其他检测方法更能及时作出响应。另外光学检测仪不会引起检测系统发热，使测量系统不至于因温度的变化而受到影响，系统工作稳定性好。
   4) 防爆性好，信噪比高，使用寿命长，测量精度高。与传统检测方法采用的电信号不同，光学检测仪需要的电压低，在矿井、煤气站等有混合爆炸气体的场合，不会成为爆炸的点火因素，具有较好的防爆性。而且利用红外吸收原理检测气体，产生的干扰信号小，有用信号明显，系统的信噪比高。同时检测系统具有零点自动补偿与灵敏度自动补偿功能，因而不用定时校准，具有使用寿命长的优点。
   5) 应用范围广。红外吸收原理除了应用于气体检测，它的应用范围也是很广泛的，尤其是在油气行业得到普遍应用，并取得到了良好的效果。
   因此，光学检测仪不仅满足目前城市燃气检测对检测仪器的要求(响应速度快、精度高、稳定高和防爆性好)，而且以其寿命长和性价比好的特点而具有更为广阔的适用性。
3 车载式和便携式泄漏检测仪器的配合使用
   车载式OMDTM光学甲烷探测仪是专门为埋地天然气管网及集输管线设计的气体检漏装置，其照片如图2所示。红外灯柱探测器安装在检测车前，可在各种环境条件下运行，不会因光柱上的尘土雪水等而引起吸收频率的微小波动；检测仪响应速度快，可检测低于1ppm(1ppm=1mg/kg，下同)浓度的甲烷泄漏，速度高达10000次/s，且稳定性好，自身不会引起检测系统发热，系统工作稳定性好。另外，0MDTM内部有刻度校准器，能够在任何时间检验探测仪和设备是否正常运行，检测数据和GPS数据通过端口与PC连接便于数据分析与存储。

   车载式OMDTM光学甲烷探测仪尤其适合于位于车行道上的管线设施的日常检测，不仅效率高，检测面大，还避免了因进行人工检测而带来的交通安全隐患，可以主要针对城市的干道管线、中压煤气管线、位于道路上的低压管线等进行检测。现场实际应用效果表明，虽然该仪器检测距离仅为20m，且预热需要15min，但是检测车的车速平均为25km/h，一天可检测近80km长的管线，与国内现有的检测手段相比，提高效率近50%。
    RMLDTM激光甲烷遥距检测仪作为便携式中的领先产品，采用了可调谐二极管激光吸收(TDLAS)技术，可以调频检测C0和C02气体的含量，并且能够巡检原来不能到达或不易到达的地方，不必将探头置于可燃气体的环境中，操作人员不用处于一些危险的环境中，提高了工作环境的安全性，降低了操作人员的劳动强度。同时检测仪预热时间短，只需2～3min，且具有自检和标定的功能。RMLDTM激光甲烷遥距检测仪工作图如图3所示。

   RMLDTM激光甲烷遥距检测仪具有穿透能力较强(可穿透玻璃)、密闭空间漏点寻找、反太阳光干扰、遥测距离长(遥测距离50m)及操作简单等优点，主要针对庭院小区、架空管线和不易到达的管线进行检测，重点对沉降庭院小区和长期不易到达的管线进行检测。在巡检过程中，若车载式OMDTM光学甲烷探测仪出现报警，则用RMLDTM在报警范围内进行遥测，确定泄漏源。
4 现场应用
    为了防止误检，在日常检测中OMDTM报警后，需要对报警处相邻管沟的甲烷值和可燃气体值进行检测[12]。现以昆明市燃气检测情况为例，该市燃气管网目前的管输介质为人工煤气，2009年以前使用的检测设备是SST-9801A可燃气体探测器，检测范围为0～100%，探测方式为扩散式，环境温度为-20～45℃，湿度为20%～90%，电源电压为220V。2010年引进车载式0MDTM光学甲烷探测仪后，就开始探索如何防止误检与其他探测仪配合使用的问题，经过近1年的现场应用，形成了以下的燃气泄漏检测方法：
    当车载式0MDTM光学甲烷探测仪甲烷值超标报警后(设定为20ppm)，可用RMLDTM激光甲烷遥距检测仪检测在报警30m范围内的燃气设施和相邻管沟的CH4值，确定泄漏源，调频后再检测C0值(无管沟不需检测)，若C0值大于CH4值的0.18倍，则可判定为煤气泄漏所致。表1是对该城市1条在役管线及支线用RMLDTM检测仪进行的燃气泄漏情况再判定及与传统检测法检测结果的比较表。

工作人员在2号泄漏源点进行了小范围的开挖，发现燃气泄漏是由于1条公称直径为519mm的中压管线焊接点处破损而引起的，现场做了临时堵漏处理并进行了维修。经查3号泄漏是由于地基下沉，三通管变形、局部撕裂造成的煤气微漏。3次的开挖检查结果与RMLDTM泄漏判定结果相符，初步验证了此方法的正确性。另外，传统检测法(SST-9801A)在无燃气泄漏处误报警2次，在煤气泄漏较明显的相邻管沟处误报警1次，尤其在邻近地下市政系统管沟处误报警达4次，且响应时间明显较长。
2012年中缅管线将进入云南，昆明市将改用天然气，根据区别人工煤气和沼气的方法及原理，车载式OMDTM光学甲烷探测仪与RMLDTM激光甲烷遥距检测仪能够延续使用。具体做法是车载式OMDTM光学甲烷探测仪甲烷值超标报警后，首先用RMLDTM激光甲烷遥距检测仪检测相邻管沟的CH4值，再对检测仪进行标定调零后检测燃气设施中的C02值，若C02值大于CH4值的0.25倍，则可判定为非天然气泄漏所致。
5 结束语
    车载式OMDTM光学甲烷探测仪与RMLDTM激光甲烷遥距检测仪能够很好地互补使用，不仅降低了燃气泄漏检测过程中受到沼气等其他可燃气体的干扰影响，而且免受现场实际条件如潮湿度、覆盖物和风向等的干扰影响，能够很好地区分和检测出人工煤气和沼气，同时也可以借鉴到天然气与沼气的区分与检测中。现场实际应用效果表明，该方法检测准确率较高，误报率低，响应速度快，符合现代城市燃气泄漏检测发展的需要。
    在城市燃气日常的巡检过程中，该方法不仅能够覆盖城市的整个燃气管网，提前发现泄漏源，而且在泄漏抢险工作中，检测车能够迅速到达现场参与漏点查找工作，有助于尽快处理泄漏事故，防止燃气泄漏量增大而引起燃气积聚，阻止燃气闪爆造成重大危害。
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(本文作者：吴晓南1 胡镁林1 商博军2 黄睿1 1.西南石油大学石油工程学院；2.中国石油昆仑燃气有限公司)