在天然氣集輸系統中，天然氣站場的可靠性在很大程度上影響整個集輸系統的安全，但是因設備多、流程復雜、密封點多，導致其泄漏概率較大。因此，在天然氣站場建立一套可燃氣體泄漏監測系統，可將管道運營的安全水平控制在合理、可接受的范圍內，減少事故發生。隨著研究的深入，基于激光檢測原理的傳感器逐漸被開發并投入使用，激光氣體檢測技術采用光譜吸收原理，具有靈敏度高、抗干擾性強等特點，可以實現場站內微小泄漏的檢測。
激光氣體檢測原理
激光氣體檢測技術利用氣體的紅外光譜吸收特征來確定其濃度，根據甲烷特征吸收峰來選取特定頻率的激光，以保證不受其他干擾氣體的影響。系統的激光氣體傳感器采用基于TDLAS技術的波長調制法進行檢測，通過在激光器驅動電流中注入低頻三角波和高頻正弦波，實現激光波長的掃描和調制。將探測信號輸入鎖相放大器，提取各諧波信號分量，以此來計算氣體泄漏的分數。通過提高激光功率，可實現對天然氣的遠距離遙測；同時，激光檢測為非接觸式測量，可通過調整激光光路的路徑，使其穿過管道的法蘭、閥門、螺紋等部位附件的空間區域并形成反射，從而實現對管道設備微小泄漏的監測。
系統組成
天然氣站場掃描式激光氣體監測系統由掃描式激光氣體傳感器、數據傳輸系統、預警監控終端3部分組成：掃描式激光氣體傳感器安裝在站場的露天工藝區內，其位置與高度根據管道設備的分布確定；數據傳輸系統采用“光端機+光纜”的形式進行信號轉化，同時傳輸前端傳感器所采集數據與預警監控終端發出的指令信號；預警監控終端基于力控組態軟件與可編程邏輯控制器開發設計，包含云臺控制、視頻監控、數據采集三大模塊。
掃描式激光氣體傳感器
該系統采用基于云臺的掃描式激光氣體傳感器，其由三維旋轉云臺、激光檢測模塊、視頻監控模塊組成。
激光檢測模塊
激光檢測模塊主要由激光信號收發單元、信號控制采集處理單元、主控與數據傳輸單元3部分組成。其中，激光信號收發單元由激光器、探測器、透鏡組成；信號控制采集處理單元包括激光器控制電路與信號檢測電路；主控與數據傳輸單元主體結構為單片機，其主要作用為向信號控制采集處理單元發送指令并接收信號，同時進行外部數據的傳輸。
三維旋轉云臺與視頻監控模塊
三維旋轉云臺選用適用于氣體防爆Ⅰ區、Ⅱ區及粉塵防爆A20～A22區防爆場合的防爆一體化全方位變速云臺，其滿足電源、信號、視頻三重防雷要求，符合天然氣站場的使用要求。云臺可實現水平360°、垂直180°的連續旋轉，同時可根據后端動作指令完成預置位的設置，每臺云臺可獨立設置128個預置位，通過預置位的設置可確定傳感器巡航路徑。云臺內安裝的視頻監控模塊采用海康威視紅外高清攝像頭，最大圖像尺寸為1280×960，視頻流為32kb/s~8Mb/s。
數據傳輸系統
數據傳輸系統負責前端激光氣體傳感器與后端預警監控終端之間信號的傳輸。其中前端傳感器向后端傳輸的信號為：激光檢測模塊的濃度數據信號；三維旋轉云臺實時返回的云臺動作信號；視頻監控模塊采集的工藝現場視頻信號。預警監控終端通過向前端傳感器發送指令信號控制傳感器的運行。
預警監控終端
系統監控終端軟件平臺基于力控組態軟件與可編程邏輯控制器進行開發，其上位機監控軟件采用力控ForceControl7.2組態軟件進行搭建，下位機系統軟件采用PLC編程軟件實現，通過上位機與下位機之間的通信連接可實現對激光氣體傳感器的運行控制以及對天然氣站場天然氣泄漏的實時監測。根據天然氣站場可燃氣體監測的需求，系統中設有云臺控制、視頻監控、數據采集三大模塊。
系統應用
該系統在中哈天然氣管道C線某壓氣站的工藝區內安裝使用，在該壓氣站工藝區內安裝4臺掃描式激光氣體傳感器。為形成對管道設備的覆蓋式監測，通過分析氣體泄漏擴散規律與場區管道設備的分布，將4臺傳感器的安裝高度統一定為9m，其中過濾分離區與空冷區的兩臺傳感器借助照明塔進行安裝，壓縮機區的兩臺傳感器使用監控專用立桿進行安裝。數據傳輸系統安裝在監控立桿下方防爆箱內，借助其完成氣體傳感器的信號轉化與傳輸；通信光纜與電纜采用直埋方式敷設，與站控室的預警終端連接；預警監控終端安裝在站控室，由站場工作人員實時監控工藝區可燃氣體濃度。
為完成對場區的自動化巡航監測，需要對激光氣體傳感器的運行參數進行設置此外，根據工藝場區設備的分布與工況條件等，需要對傳感器的掃描速度進行定義，從而確定傳感器的巡航周期。以GS01傳感器為例，其位于壓氣站的過濾分離區，屬于場站的易泄漏區域，因此需要設置較低的巡航速度，其巡航周期較長，約為18min。
對傳感器運行參數設置完成后，選取系統運行一日的監測數據，分析可知：過濾區與空冷區管道設備種類繁多，包括大量閥門、法蘭等部件，且負責大輸送量的天然氣過濾與冷卻等工藝，其在日常的運行中存在微量泄漏，天然氣體積分數一般處于200×10-6以下，遠低于爆炸極限，處于安全水平。此外，該工藝區在7:00與0:00均監測到較高的天然氣泄漏，此現象與該時間段輸氣壓力較高有關。而增壓區的設備主要是輸氣管道，工藝較為簡單，因此存在的微泄漏現象相比過濾區與冷卻區輕微，天然氣體積分數多集中在100×10-6下。以上監測結果符合壓氣站實際情況，說明該系統具有較好的準確性與實用性。
結論
針對天然氣站場可燃氣體泄漏問題，研制了一套由激光氣體傳感器、數據傳輸系統、后端預警監控終端組成的基于掃描式激光氣體傳感器的安全監測系統。該系統具有測量精度高、覆蓋范圍廣等優點，實現了由點、線式測量到立體掃描式測量的轉變。隨著天然氣站場向智慧化管理轉變與GIS、虛擬現實等可視化展示技術的發展，利用傳感器立體掃描的特性，將站場的設備空間坐標等靜態數據與天然氣濃度等動態數據結合，對于實現站場可視化智能監測具有重要意義，是未來的重要發展方向。
