一种扫描式可视化气体微泄露实时探测系统设计

刘顺利 姜鹏 祖龙起

摘 要：为了提高天然气（主要成分为甲烷）储运的安全性和经济性，本文提出了一种扫描式可视化气体微泄露实时探测系统，利用PLC通过RS485接口对防爆云台进行远程自动控制、同时将采集到的气体浓度等信息，经过PLC处理后利用组态软件及其视频系统扫描方式远程查看气体数据信息，对站场、阀室、储气库等生产操作区域的甲烷气体浓度进行不间断、高精度、自动化、可视化、远距离监控，从而提升天然气储运的整体安全水平。

关键词：天然气泄漏检测；PLC；可视化扫描；组态软件

1 前言

天然气是一种清洁能源，随着我国经济的发展，对天然气的需求不断增加，天然气的存储设施也越来越多，“少人站、无人站”的天然气存储发展趋势已经形成并提速；另一方面，随着站场运行时间的增加，天然气存储设备与密封件的疲劳、法兰连接点松动等导致站内天然气微泄漏的事件逐渐显现，这些都预示着站场天然气微泄漏实时监测已成为生产运行中亟待解决的大问题，并关系着整个天然气储运系统的安全。

2 本实施系统与传统系统的对比

（1）目前天然气输送站场使用的气体泄漏监测设备普遍为固定式基于催化燃烧原理的点测量检测方式。检测原理：感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧，感应电阻温度的变化使感应电阻的阻值发生变化，从而换算出可燃气体的浓度。传统催化燃烧原理的点测量检测方式的劣势如下：

①检测精度低

根据国家标准（GB15322.1-2003），点测式气体传感器的检测误差为5%LEL，即便如此，也只能实现天然气泄漏即将达到爆炸下限前的报警，当传感器发出警报时，气体泄漏已经达到非常危险的程度，给管理者的维抢修留有很少的时间及带来极大的危险隐患。

②监测范围小

根据国家标准（GB50493-2015），每个点测式传感器的监测半径不允许超过7.5m，若每个站场按照此标准布置并覆盖所有的站场工艺装置，需要大量的传感器，不但需要付出大量的建设费用，而且也给日后的保运工作带来巨大的负担。

（2）本设计提出的扫描式可视化气体微泄露探测系统，采用的是激光甲烷传感模块，检测原理：光谱吸收原理。由于激光的光学特性并且光谱极窄，激光检测技术对待测气体有唯一选择性、精度高，可以达到ppm级。本监测设计系统真正实现了气体微小泄漏的预警，而不是气体泄漏达到爆炸下限的报警。

扫描式可视化气体微泄露探测系统的特点为：

①无死角：

本系统采用激光式气体检测装置，检测距离为50m，安装在防爆云台内部，它监测范围内工艺装置。

②可视化：

本系统配有红外夜视摄像头，实现可视化。

3 系统组成

本系统由3部分组成：云台部分、控制部分、管理软件部分。

3.1 云台部分

由防爆云台、激光甲烷传感模块、红外夜视摄像头3个主要部件组成。主要完成功能为：

（1）防爆云台：使激光甲烷传感模块以及红外夜视摄像头按照程序设定轨迹运动。以及隔爆等级ExdⅡCT6；防护等级IP67；壳体材质304不锈钢；通讯端口RS485；通讯协议PELCO-D；掃描速度：0.1°～5°/s。

（2）激光甲烷传感模块：检测现场甲烷气体浓度。检测精度，对甲烷气体测量精度达0.0005%；通讯端口RS485；通讯协议：MODBUS-RTU。

（3）红外夜视摄像头：采集现场视频信息。200万像素；30倍光学变倍；网络摄像头。

3.2 控制部分

采用PLC控制，配有RS485接口；支持MODBUS-RTU和自由协议；

通过MODBUS-RTU协议读取激光甲烷传感模块浓度及其检测距离；通过自由协议（PELCO-D协议）控制云台动作及其读取云台旋转角度等信息。配有以太网接口与组态软件通信，与视频信号一并传给组态软件。

3.3 软件管理部分

采用组态软件，将视频信息、云台信息、可燃气体浓度信息。

4 云台控制流程

控制动作如下：step1系统启动→step2垂直轴从原点走到Y1点→step3水平轴从原点走到X2点→step4垂直轴从Y1点向下走Z距离→step5水平轴从X2周到X1→step6垂直轴向下走Z距离→step7水平轴从X1走到X2→step8按照step6、step5、step6、step7重复→step9垂直轴到达Y2后向上走Z距离→step10按照step6、step5、step6、step7重复→step11垂直轴到达Y1。以上为一套动作，按照此动作往复运行。在运行过程中一旦检测到甲烷浓度高于设定浓度时云台停止、摄像机录像、声光报警，复位后云台继续行走。

5 组态画面

组态画面具有显示、报警、查询、参数设置、打印、存储等6个主要功能。

5.1 显示功能

能够显示气体浓度、报警显示、实时曲线、探测器旋转方向、被检测物到传感器的距离、现场视频信息。

5.2 报警功能

超限或异常故障时触发报警器声光报警。

5.3 查询功能

具有历史曲线、数据报表、报警信息、报警视频查询功能。

5.4 参数设置

提供气体浓度预警、报警值的设置、云台旋转范围的设置，系统启动、停止、复位等功能。

5.5 打印功能

具有报表、历史曲线、报警信息等打印功能。

5.6 存储功能

对实时监测值存盘记录，可保存半年以上。

6 小结

本系统在大连艾科科技信息工程有限公司模拟实验室测试，经过一段时间运行，达到了设计要求，这一系统的应用将大大提高天然气储运的安全性和经济性。

参考文献

[1]张凤珊，祖龙起.电器控制及可编程控制器[M].北京：中国轻工业出版社，2003.

[2]刘国志，彭英伟，伍东，等.天然气管道完整性管理探析[J].中国安全生产科学技术，2012，8（4）：136-141.

（作者单位：1.大连艾科科技信息工程有限公司2.大连科技学院）