城市燃?xì)庑孤z測(cè)新方法及其應(yīng)用

摘 要

摘要：在城市燃?xì)庑孤z測(cè)中，常用甲烷檢測(cè)儀很容易受到C0、CO2、H20等氣體和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件(如潮濕度、覆蓋物和風(fēng)向等)的干擾影響，導(dǎo)致誤檢和判斷失效。為此，優(yōu)選了利用紅外吸收原
摘要：在城市燃?xì)庑孤z測(cè)中，常用甲烷檢測(cè)儀很容易受到C0、CO2、H20等氣體和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件(如潮濕度、覆蓋物和風(fēng)向等)的干擾影響，導(dǎo)致誤檢和判斷失效。為此，優(yōu)選了利用紅外吸收原理的光學(xué)甲烷檢測(cè)儀替代傳統(tǒng)可燃?xì)怏w探測(cè)器，分析了光學(xué)甲烷檢測(cè)儀的5個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①氣體選擇性好；②檢測(cè)儀表不易受有害氣體的影響而老化；③響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好；④防爆性好，信噪比高，使用壽命長(zhǎng)，測(cè)量精度高；⑤應(yīng)用范圍廣。為了提高燃?xì)庑孤z測(cè)的精度和效率，還提出了車載式OMDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀和便攜式RMLDTM激光甲烷遙距檢測(cè)儀互補(bǔ)使用的燃?xì)庑孤z測(cè)新方法，即在巡檢過程中，若車載式OMDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀出現(xiàn)報(bào)警，則用RMLDTM在報(bào)警范圍內(nèi)進(jìn)行遙測(cè)，確定泄漏源。該方法可有效排除沼氣等其他可燃?xì)怏w對(duì)泄漏檢測(cè)的干擾影響，不僅能夠覆蓋城市的整個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)，主動(dòng)預(yù)防泄漏事故的發(fā)生，而且在泄漏搶險(xiǎn)工作中，檢測(cè)車能夠迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)參與漏點(diǎn)查找工作，有助于盡快處理泄漏事故。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果表明，該燃?xì)庑孤z測(cè)方法準(zhǔn)確率較高，誤報(bào)率低，響應(yīng)速度快，符合現(xiàn)代城市燃?xì)庑孤z測(cè)的需要。
關(guān)鍵詞：城市燃?xì)?；甲烷；可燃?xì)怏w；泄漏；光學(xué)甲烷檢測(cè)儀0MDTM； RMLDTM；響應(yīng)速度
    城市燃?xì)庑孤┛赡軐?dǎo)致局部燃?xì)夤艿劳］?，不僅給居民生活帶來不便，如果采取措施不及時(shí)，甚至還會(huì)造成重大事故和經(jīng)濟(jì)損失。目前國(guó)內(nèi)對(duì)燃?xì)庑孤z測(cè)普遍采用便攜式、袖珍式和固定式3類甲烷濃度監(jiān)測(cè)儀，在檢測(cè)過程中很容易受到C0、C02和H2O等其他氣體和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件(如潮濕度、覆蓋物和風(fēng)向等)的干擾影響，導(dǎo)致誤檢和判斷失效[1～9]。為了提高燃?xì)庑孤z測(cè)的精度和效率，有必要選用合適的檢測(cè)儀器來進(jìn)行燃?xì)庑孤z測(cè)和鑒別，同時(shí)積極探索各種探測(cè)儀的功能互補(bǔ)性。
1 光學(xué)甲烷檢測(cè)儀的工作原理
    每種氣體都有自己的特征紅外吸收頻率，不受其他氣體吸收峰的干擾，吸收的能量與氣體在紅外光區(qū)內(nèi)的濃度有關(guān)，大部分光學(xué)甲烷檢測(cè)儀就是據(jù)此來進(jìn)行設(shè)計(jì)的[10]。甲烷(CH4)分子的光譜吸收區(qū)為3.26μm，在3.26μm附近，C0、C02和H2O分子等沒有明顯吸收，對(duì)甲烷氣體檢測(cè)的影響幾乎可以忽略。由lambert-beer定律可知，當(dāng)一定頻率強(qiáng)度為I0的入射紅外光穿過氣體時(shí)，氣體吸收自己特征頻率紅外光的能量后，而使出射光能量減弱為I，即吸收度I=I0exp(-μCL)，其中μ為氣體吸收系數(shù)；C為待測(cè)氣體濃度；L為光程長(zhǎng)度。CH4、C02、C0和H2O的吸收峰圖如圖1所示。

2 光學(xué)檢測(cè)儀的優(yōu)點(diǎn)
    對(duì)比常用的傳統(tǒng)氣體檢測(cè)儀，利用紅外吸收原理的氣體檢測(cè)儀表有以下5個(gè)優(yōu)點(diǎn)[11]：
   1) 氣體選擇性好。每種氣體都有自己的特征紅外吸收頻率，在對(duì)混合氣體檢測(cè)時(shí)，各種氣體吸收各自對(duì)應(yīng)的特征頻率光譜，互不干擾，可以方便地測(cè)量出混合氣體中某種特定氣體。
   2) 檢測(cè)儀表不易受有害氣體的影響而老化。光學(xué)檢測(cè)儀采用非接觸式方法測(cè)量氣體，不會(huì)由于受有毒氣體的影響而中毒和老化，致使載體催化類元件中毒失活，可防止測(cè)量結(jié)果發(fā)生很大的偏差。
   3) 響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。光學(xué)檢測(cè)儀在開機(jī)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)就能正常工作，且當(dāng)氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，也比其他檢測(cè)方法更能及時(shí)作出響應(yīng)。另外光學(xué)檢測(cè)儀不會(huì)引起檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)熱，使測(cè)量系統(tǒng)不至于因溫度的變化而受到影響，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性好。
   4) 防爆性好，信噪比高，使用壽命長(zhǎng)，測(cè)量精度高。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法采用的電信號(hào)不同，光學(xué)檢測(cè)儀需要的電壓低，在礦井、煤氣站等有混合爆炸氣體的場(chǎng)合，不會(huì)成為爆炸的點(diǎn)火因素，具有較好的防爆性。而且利用紅外吸收原理檢測(cè)氣體，產(chǎn)生的干擾信號(hào)小，有用信號(hào)明顯，系統(tǒng)的信噪比高。同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)具有零點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償與靈敏度自動(dòng)補(bǔ)償功能，因而不用定時(shí)校準(zhǔn)，具有使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
   5) 應(yīng)用范圍廣。紅外吸收原理除了應(yīng)用于氣體檢測(cè)，它的應(yīng)用范圍也是很廣泛的，尤其是在油氣行業(yè)得到普遍應(yīng)用，并取得到了良好的效果。
   因此，光學(xué)檢測(cè)儀不僅滿足目前城市燃?xì)鈾z測(cè)對(duì)檢測(cè)儀器的要求(響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定高和防爆性好)，而且以其壽命長(zhǎng)和性價(jià)比好的特點(diǎn)而具有更為廣闊的適用性。
3 車載式和便攜式泄漏檢測(cè)儀器的配合使用
   車載式OMDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀是專門為埋地天然氣管網(wǎng)及集輸管線設(shè)計(jì)的氣體檢漏裝置，其照片如圖2所示。紅外燈柱探測(cè)器安裝在檢測(cè)車前，可在各種環(huán)境條件下運(yùn)行，不會(huì)因光柱上的塵土雪水等而引起吸收頻率的微小波動(dòng)；檢測(cè)儀響應(yīng)速度快，可檢測(cè)低于1ppm(1ppm=1mg/kg，下同)濃度的甲烷泄漏，速度高達(dá)10000次/s，且穩(wěn)定性好，自身不會(huì)引起檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)熱，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性好。另外，0MDTM內(nèi)部有刻度校準(zhǔn)器，能夠在任何時(shí)間檢驗(yàn)探測(cè)儀和設(shè)備是否正常運(yùn)行，檢測(cè)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)通過端口與PC連接便于數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)。

   車載式OMDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀尤其適合于位于車行道上的管線設(shè)施的日常檢測(cè)，不僅效率高，檢測(cè)面大，還避免了因進(jìn)行人工檢測(cè)而帶來的交通安全隱患，可以主要針對(duì)城市的干道管線、中壓煤氣管線、位于道路上的低壓管線等進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果表明，雖然該儀器檢測(cè)距離僅為20m，且預(yù)熱需要15min，但是檢測(cè)車的車速平均為25km/h，一天可檢測(cè)近80km長(zhǎng)的管線，與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的檢測(cè)手段相比，提高效率近50%。
    RMLDTM激光甲烷遙距檢測(cè)儀作為便攜式中的領(lǐng)先產(chǎn)品，采用了可調(diào)諧二極管激光吸收(TDLAS)技術(shù)，可以調(diào)頻檢測(cè)C0和C02氣體的含量，并且能夠巡檢原來不能到達(dá)或不易到達(dá)的地方，不必將探頭置于可燃?xì)怏w的環(huán)境中，操作人員不用處于一些危險(xiǎn)的環(huán)境中，提高了工作環(huán)境的安全性，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)檢測(cè)儀預(yù)熱時(shí)間短，只需2～3min，且具有自檢和標(biāo)定的功能。RMLDTM激光甲烷遙距檢測(cè)儀工作圖如圖3所示。

   RMLDTM激光甲烷遙距檢測(cè)儀具有穿透能力較強(qiáng)(可穿透玻璃)、密閉空間漏點(diǎn)尋找、反太陽(yáng)光干擾、遙測(cè)距離長(zhǎng)(遙測(cè)距離50m)及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，主要針對(duì)庭院小區(qū)、架空管線和不易到達(dá)的管線進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)對(duì)沉降庭院小區(qū)和長(zhǎng)期不易到達(dá)的管線進(jìn)行檢測(cè)。在巡檢過程中，若車載式OMDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀出現(xiàn)報(bào)警，則用RMLDTM在報(bào)警范圍內(nèi)進(jìn)行遙測(cè)，確定泄漏源。
4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    為了防止誤檢，在日常檢測(cè)中OMDTM報(bào)警后，需要對(duì)報(bào)警處相鄰管溝的甲烷值和可燃?xì)怏w值進(jìn)行檢測(cè)[12]?，F(xiàn)以昆明市燃?xì)鈾z測(cè)情況為例，該市燃?xì)夤芫W(wǎng)目前的管輸介質(zhì)為人工煤氣，2009年以前使用的檢測(cè)設(shè)備是SST-9801A可燃?xì)怏w探測(cè)器，檢測(cè)范圍為0～100%，探測(cè)方式為擴(kuò)散式，環(huán)境溫度為-20～45℃，濕度為20%～90%，電源電壓為220V。2010年引進(jìn)車載式0MDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀后，就開始探索如何防止誤檢與其他探測(cè)儀配合使用的問題，經(jīng)過近1年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，形成了以下的燃?xì)庑孤z測(cè)方法：
    當(dāng)車載式0MDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀甲烷值超標(biāo)報(bào)警后(設(shè)定為20ppm)，可用RMLDTM激光甲烷遙距檢測(cè)儀檢測(cè)在報(bào)警30m范圍內(nèi)的燃?xì)庠O(shè)施和相鄰管溝的CH4值，確定泄漏源，調(diào)頻后再檢測(cè)C0值(無管溝不需檢測(cè))，若C0值大于CH4值的0.18倍，則可判定為煤氣泄漏所致。表1是對(duì)該城市1條在役管線及支線用RMLDTM檢測(cè)儀進(jìn)行的燃?xì)庑孤┣闆r再判定及與傳統(tǒng)檢測(cè)法檢測(cè)結(jié)果的比較表。

工作人員在2號(hào)泄漏源點(diǎn)進(jìn)行了小范圍的開挖，發(fā)現(xiàn)燃?xì)庑孤┦怯捎?條公稱直徑為519mm的中壓管線焊接點(diǎn)處破損而引起的，現(xiàn)場(chǎng)做了臨時(shí)堵漏處理并進(jìn)行了維修。經(jīng)查3號(hào)泄漏是由于地基下沉，三通管變形、局部撕裂造成的煤氣微漏。3次的開挖檢查結(jié)果與RMLDTM泄漏判定結(jié)果相符，初步驗(yàn)證了此方法的正確性。另外，傳統(tǒng)檢測(cè)法(SST-9801A)在無燃?xì)庑孤┨幷`報(bào)警2次，在煤氣泄漏較明顯的相鄰管溝處誤報(bào)警1次，尤其在鄰近地下市政系統(tǒng)管溝處誤報(bào)警達(dá)4次，且響應(yīng)時(shí)間明顯較長(zhǎng)。
2012年中緬管線將進(jìn)入云南，昆明市將改用天然氣，根據(jù)區(qū)別人工煤氣和沼氣的方法及原理，車載式OMDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀與RMLDTM激光甲烷遙距檢測(cè)儀能夠延續(xù)使用。具體做法是車載式OMDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀甲烷值超標(biāo)報(bào)警后，首先用RMLDTM激光甲烷遙距檢測(cè)儀檢測(cè)相鄰管溝的CH4值，再對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行標(biāo)定調(diào)零后檢測(cè)燃?xì)庠O(shè)施中的C02值，若C02值大于CH4值的0.25倍，則可判定為非天然氣泄漏所致。
5 結(jié)束語(yǔ)
    車載式OMDTM光學(xué)甲烷探測(cè)儀與RMLDTM激光甲烷遙距檢測(cè)儀能夠很好地互補(bǔ)使用，不僅降低了燃?xì)庑孤z測(cè)過程中受到沼氣等其他可燃?xì)怏w的干擾影響，而且免受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件如潮濕度、覆蓋物和風(fēng)向等的干擾影響，能夠很好地區(qū)分和檢測(cè)出人工煤氣和沼氣，同時(shí)也可以借鑒到天然氣與沼氣的區(qū)分與檢測(cè)中?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果表明，該方法檢測(cè)準(zhǔn)確率較高，誤報(bào)率低，響應(yīng)速度快，符合現(xiàn)代城市燃?xì)庑孤z測(cè)發(fā)展的需要。
    在城市燃?xì)馊粘５难矙z過程中，該方法不僅能夠覆蓋城市的整個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)，提前發(fā)現(xiàn)泄漏源，而且在泄漏搶險(xiǎn)工作中，檢測(cè)車能夠迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)參與漏點(diǎn)查找工作，有助于盡快處理泄漏事故，防止燃?xì)庑孤┝吭龃蠖鹑細(xì)夥e聚，阻止燃?xì)忾W爆造成重大危害。
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(本文作者：吳曉南1 胡鎂林1 商博軍2 黃睿1 1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院；2.中國(guó)石油昆侖燃?xì)庥邢薰?