劉 歡 胡畔寧 魏 萊

（1.中國石油西南油氣田公司國際合作事業(yè)部，四川 成都 610051；2.中國石油西南油氣田公司通信與信息技術中心，四川 成都 610051；3.中國石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部，四川 成都 610051）

0 引言

四川盆地是我國已探明天然氣儲量重要集中地區(qū)，在四川盆地近10年發(fā)現(xiàn)的大型、特大型氣田探明儲量達24 070×108m3，其中川東北區(qū)塊的天然氣資源量最為豐富，普光礁灘、元壩礁灘探明儲量達6 317×108m3［1］。雖然川東北地區(qū)天然氣資源豐富，但川東北氣田多為高含硫氣田，高含硫天然氣開發(fā)本身面臨腐蝕性強、毒性大等風險，川東北氣田普遍還具有氣藏埋藏深、地質(zhì)條件復雜、氣田周邊人居稠密、地形復雜、交通不便等特點，安全清潔開發(fā)面臨嚴峻挑戰(zhàn)［2］。其開發(fā)存在的重大安全環(huán)保風險主要有：① 井噴失控造成含硫天然氣釋放；② 含硫天然氣管道泄漏；③ 天然氣凈化廠裝置區(qū)含硫天然氣或酸氣泄漏。因此，防范管道及裝置的含硫天然氣或酸氣泄漏是高含硫氣田安全開發(fā)的重要議題，一方面需要強化工程安全設計防止泄漏的發(fā)生，例如增加管壁厚度和加深管埋深度，建立正確的內(nèi)部腐蝕監(jiān)測和陰極保護系統(tǒng)，確保管道和裝置的本質(zhì)安全；另一方面應建立可靠、高效、全面的天然氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，及時、準確、有效發(fā)現(xiàn)泄漏險情，充分考慮到管道輸送介質(zhì)（高壓、高酸性、易燃氣體）所帶來的健康和安全隱患，實現(xiàn)對微小泄漏的敏感識別和準確定位，以便能夠及時采取措施來避免泄漏的擴大，減少造成更大事故的幾率，提高氣體泄漏時的應急響應能力。

1 天然氣泄漏監(jiān)測技術概述

氣體泄漏監(jiān)測技術并不是為了預防泄漏的發(fā)生，而是盡快、盡早、盡可能準確地在泄漏發(fā)生時發(fā)出警報并具體提供泄漏的相關信息，以便及時采取行動減輕泄漏的影響。

隨著光電傳輸技術、通信技術及氣體監(jiān)測設備的發(fā)展，當前已有多種直接接觸泄漏介質(zhì)和非直接接觸泄漏介質(zhì)的監(jiān)測技術。在需直接接觸泄漏介質(zhì)的泄漏監(jiān)測技術中，常規(guī)氣體探測器應用普遍，技術成熟，靈敏度、可靠性高，但存在受環(huán)境因素如風向等影響大、監(jiān)控區(qū)域固定的劣勢。近年來國內(nèi)科研院校對光纖傳感泄漏監(jiān)測技術開展的大量研究，以及部分油氣田企業(yè)的光纖溫度傳感泄漏監(jiān)測技術及光纖被動聲學傳感泄漏監(jiān)測技術的應用經(jīng)驗都充分證實了光纖傳感泄漏監(jiān)測技術靈敏度高、定位精確的優(yōu)勢，但其中溫度傳感技術通過監(jiān)測氣體泄漏導致的環(huán)境溫度變化，需綜合分析土壤成分、河流穿跨越附近區(qū)域及水面上方空氣流動等具體環(huán)境條件造成的溫度差等；光纖被動聲學傳感泄漏監(jiān)測技術通過監(jiān)測氣體泄漏監(jiān)測的噪音來識別泄漏，受周邊環(huán)境活動影響較大，報警較多，通常需增加人工識別。

對管線而言，可利用管道同溝敷設的光纜設置光纖傳感泄漏監(jiān)測，配合分段監(jiān)測定位法、負壓波監(jiān)測等技術方法，通過多種技術對泄漏報警進行識別和分析，得出較為準確的泄漏情況和泄漏位置判斷。對站場而言，主要在閥室、天然氣處理區(qū)、井場等固定場站布設一定數(shù)量點式可燃氣體探頭和硫化氫探頭進行監(jiān)測，同時設置點式探頭報警觸發(fā)連鎖關斷閥來保證閥室、脫硫站場和重要設備的安全。站場周界設置對射式氣體探測器，反映氣體泄漏逸散情況。但由于氣體探測器屬于固定式接觸介質(zhì)監(jiān)測，其有效監(jiān)測范圍在安裝后即固化，泄漏點判斷不直觀，區(qū)域覆蓋性僅能通過增加部署數(shù)量加以彌補。氣云成像攝像機以其高效率、遠距離、大范圍、動態(tài)直觀等顯著優(yōu)勢已成為監(jiān)測技術發(fā)展的重要方向。在氣體泄漏監(jiān)測中，相對于常規(guī)氣體探測器和光纖探測技術，氣云成像攝像機技術將氣體監(jiān)測的范圍從點、線擴展到了區(qū)域的“面”的范圍，實現(xiàn)對重點裝置和高后果區(qū)域的連續(xù)覆蓋監(jiān)測。

2 氣云成像攝像機泄漏監(jiān)測技術研究

2.1 技術發(fā)展

氣云成像攝像機采用的成像技術主要可分為熱源成像技術和光譜成像技術。熱源成像技術是指采集氣體目標場景某一紅外波段的輻射信息實現(xiàn)氣體泄漏檢測的熱成像技術，其檢測系統(tǒng)往往具有結構相對簡單、光學系統(tǒng)復雜度較低、維護成本低等優(yōu)勢。光譜成像技術是指利用不同成分的氣體對特定紅外波長的吸收差異來識別不同的氣體，對氣體的特征有更精細的區(qū)分，能更準確地識別出氣體的類別和濃度特征［3］。得益于信息技術和高清攝像技術的發(fā)展，在成本逐步降低的背景下，基于光譜成像技術的氣云成像攝像機在氣體識別、范圍標識、極端天氣下識別準確度等各方面的優(yōu)勢更加突出，逐步成為泄漏監(jiān)測系統(tǒng)部署的重要組成部分。

2.2 基于光譜成像技術的氣云成像攝像機

2.2.1 技術原理

基于光譜成像技術的氣云成像攝像機使用精細熱輻射儀（Microbolometer）檢測長波紅外信號。精細熱輻射儀是一種特定類型的光波測量設備，在熱成像攝像機中用作探測器。紅外線輻射波長在7.5～14 μm之間的光線在接觸探測器材料后，探測器溫度發(fā)生微變，從而改變其電阻，通過這種電阻的變化對溫度進行測量和處理并顯示為圖像分布，溫差圖像可以反映氣體具體分布情況。與其他類型的紅外線探測設備不同，精細熱輻射儀不需要冷卻。

2.2.2 識別的敏感性和可靠性

傳統(tǒng)的紅外氣體探測攝像機依靠識別溫度差異色塊來實現(xiàn)識別氣體的目的，僅能粗略反映存在異常氣體?；诠庾V的氣云成像攝像機通過收集光譜特征點識別每個溫度像素差異識別氣體。通過光譜特征進行識別，可對氣體的具體類別進行更精細的識別并根據(jù)時間濃度值量化氣體的體積。基于光譜的氣云成像攝像機對多達25種不同烴類氣體敏感，對各類氣體的最小檢測級別見表1所示［4］。

紅外測量的另一個優(yōu)勢是可以使氣體頻譜檢測具有更高的可靠性，減少監(jiān)測到如蒸汽、汽車尾氣、雨水、污垢、或雪等事件引起的誤報警。以蒸汽為例，在發(fā)生蒸汽的情況下，因為蒸汽同樣可以提供一個活躍的溫度讀數(shù)，當使用中波長紅外線紅外氣體探測攝像機時，會出現(xiàn)與烴類氣體相同的指數(shù)報警。但對于光譜成像的氣云成像攝像機而言，蒸汽不會觸發(fā)報警響應（除非將蒸汽設置為獨立的異常情況報警），因為蒸汽與碳氫化合物或其他揮發(fā)性有機化合物的氣體特征不同，在系統(tǒng)內(nèi)已被過濾掉。如圖1所示，在系統(tǒng)圖像內(nèi)，對蒸汽將不進行氣體顏色的分辨和顯示。

表1 氣體檢測級別表 mg／m3

圖1 在蒸汽中探測烴類氣體的實例圖

通過借助紅外識別技術還可消除極端天氣下溫度和氣液體顆粒對氣云成像攝像機的影響，降低誤報警率，保證泄漏監(jiān)測的可靠性。根據(jù)廠商的技術報告，氣云成像攝像機能夠在各種天氣條件下保證識別可靠性和低誤報警率，包括氣溫高于55℃的高溫天氣，低于-40℃的低溫天氣，以及冰雪、雨天、霧天、沙塵暴等存在氣液、固體顆粒的外部環(huán)境和溫度劇烈變化的極端天氣。

2.2.3 監(jiān)測范圍

氣云成像攝像機通常安裝于較高位置或專用高塔，利用可旋轉底座和可調(diào)傾斜實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測。在最大1 022 m半徑范圍內(nèi)，若無可視阻礙，單臺設備在800～1 000 m區(qū)間可監(jiān)測體積大于100 m3的氣體云；在471～800 m區(qū)間最小可監(jiān)測體積為10 m3的氣體云；對220 m半徑范圍內(nèi)核心區(qū)域可對最小為1 m3的氣體云進行連續(xù)不間斷監(jiān)測。氣云成像攝像機可實現(xiàn)整個區(qū)域監(jiān)測，而不僅限于常規(guī)氣體探測器附近的泄漏監(jiān)測，具有將泄漏監(jiān)測擴展到“面”的重要優(yōu)勢。對大型廠區(qū)而言，通過4臺攝像機的正確定位和設置，可確保在5×105m2區(qū)域內(nèi)對設施和關鍵區(qū)域最小為1 m3的氣體云進行連續(xù)監(jiān)測，極大地擴展了泄漏監(jiān)測的范圍。

3 氣云成像攝像機氣體泄漏監(jiān)測現(xiàn)場應用

中國石油川東北某氣田項目設置氣云成像攝像機作為泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。通過現(xiàn)場測試觀察基于光譜成像技術的氣云成像攝像機的實際應用效果。

3.1 安裝要求

安裝的室外設備包括氣云成像攝像機本身，盤式傾斜、安裝桿、攝像機線纜（包括電源和光纖數(shù)據(jù)線）、角度控制電纜和接線盒。室內(nèi)設備包括用于流數(shù)據(jù)傳輸服務器和用于軟件接口和數(shù)據(jù)存儲的臺式機。為保證視頻的實時性和清晰度，采用2G鏈路自氣云成像攝像機至處理服務器，同時為了保證監(jiān)控效果，控制中心采用1G鏈路自處理服務器至操作控制臺。

3.2 應用效果

測試方法：放散濃度為92.4%的甲烷測試氣體，測試氣云成像攝像機在一個監(jiān)視周期（云臺360度旋轉）內(nèi)能否及時發(fā)現(xiàn)泄漏，是否于系統(tǒng)內(nèi)正確顯示。測試情況如下：① 廠區(qū)儲罐區(qū)域測試：天氣晴朗，測試距離為127 m，響應時間為4 s，系統(tǒng)顯示如圖2所示；② 管線區(qū)域測試，天氣晴朗，測試距離為1 000 m，響應時間為15 s，系統(tǒng)顯示如圖3所示。

圖2 廠區(qū)儲罐區(qū)域測試氣體成像圖

圖3 管線區(qū)域測試氣體成像圖

從現(xiàn)場測試結果看，氣云成像攝像機在氣體泄漏位置識別、泄漏識別準確度、泄漏響應方面均取得較好的應用效果。

4 結論與建議

1）氣云成像攝像機在泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中，應作為針對關鍵區(qū)域或作為其他監(jiān)測手段監(jiān)控盲區(qū)的補充技術，充分發(fā)揮實時性和直接反映現(xiàn)場實際狀況的特性，尤其在人員不能第一時間進入現(xiàn)場或進入現(xiàn)場存在較大不安全因素的情況下。對管線而言，建議針對河流穿越、重要閥室、地形地質(zhì)高危區(qū)域等進行設置；對站場而言，建議針對重點裝置區(qū)域、無人值守井場、井口等進行設置，實現(xiàn)不間斷、大范圍的區(qū)域性泄漏監(jiān)測，縮短泄漏發(fā)現(xiàn)的時間，及時采取應對措施，避免泄漏擴大造成更嚴重的后果。

2）氣云成像攝像機監(jiān)測到泄漏氣體時間短，但對通訊要求較高，對于改造升級項目而言，廠區(qū)部署可采用架空光纜新部署通訊線路，但對管線而言，建議盡量利用已敷設同溝通訊光纜，調(diào)研通訊負荷，確定是否可以直接使用。同時，氣云成像攝像機雖然可以實現(xiàn)24 h全天候的應用監(jiān)測，但同時也需要額外考慮相關電力供應和數(shù)據(jù)傳輸，結合氣云成像攝像機相關軟硬件費用，單臺攝像機費用超過150萬元，仍不建議作為常規(guī)和全面部署的氣體泄漏監(jiān)測手段。

3）熱源成像技術攝像機的應用效果受極端天氣影響較大，在大雨或降雪的極端天氣條件下可能無法監(jiān)測到氣體泄漏，因而熱源成像攝像機需要考慮到預設的天氣條件范圍?；诠庾V成像技術攝像機在多氣體組分環(huán)境、極端天氣下進行區(qū)域監(jiān)測有較大和明顯的優(yōu)勢，建議在大型煉化、凈化廠區(qū)，優(yōu)先考慮采用光譜成像技術的氣云攝像機。