天然气站场受到多种因素的影响，存在可燃气体泄漏的风险[1]，需要建立可靠、高效、全面的天然气泄漏监测系统，及时、准确、有效地发现泄漏险情[2]。目前，在天然气站场可燃气体泄漏检测过程中，传统检测技术主要采用催化燃烧式、点式红外吸收型可燃气体探测器[3]，这类气体探测器容易受到杂质气体的干扰，而且需定期定标、定期检查, 使用寿命短[4]。通过对比最近几年的检测数据，发现这类设备的实际运行情况并不理想[5]。
近年来，国内外发展了多种基于光谱学的气体探测方法[6]，其中以可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)应用较为广泛，TDLAS具有非接触、分析速度快、准确度高、环保、维护简单等特点[7]。云台激光气体泄漏探测系统是利用机械云台搭载TDLAS激光探测器的一种新型气体探测装置。该系统响应时间可以达到1 s以内，量程范围为体积分数0%~100%，探测范围为0~100 m，探测效率较催化燃烧原理的固定点式可燃气体探测器有大幅提升(见表 1)。但是，由于云台激光气体泄漏探测系统市场应用时间较短，尚无足够的在天然气生产企业大规模应用经验，所以需探索一套有效易行的性能测试方法，为实际应用提供技术参考。
云台激光气体泄漏探测系统采用的是TDLAS，TDLAS是利用半导体二极管激光波长扫描和电流调谐特性对气体进行测量的一种技术[8]。TDLAS技术是发射一定频率探测激光，被测气体对探测激光吸收后，通过对光谱波长或频率函数采集，以此为原始数据进行被测气体分子光学吸收截面的确定，进而完成对气体含量的计算[9]。
该探测系统将激光发射器和探测器集成为一体(见图 1)，发射器发出固定频率的激光通过天然气云团，甲烷气体会对激光产生吸收，吸收后的激光通过实体漫反射后被探测器接收。该系统采集处理后输出的数据单位为“ppm·m”，反映的是气体体积分数与气体云团厚度的积分关系(以下简称积分浓度)。探测系统结合可以灵活转动的机械云台装置，形成了一种可以实现多点巡航的区域气体探测装置。
由于云台激光气体泄漏探测系统尚未在天然气生产企业大规模应用，所以有必要研究其实际性能表现，为其推广应用提供技术参考。
(1) 目前，国内尚无激光类气体探测器相关的计量检定规程或校准规范，通过测试可以对其性能指标有效性进行判断。
(2) 天然气生产站场自然社会环境和气候条件复杂多样，云台激光气体泄漏探测系统在不同环境下所表现出来的性能适应性需进一步的验证。
(3) 考查同类产品现场应用实际性能的差异性。
本方法考虑光在空气中传播具有衰减性，并且对于不同含量气团的识别度存在差异，所以在100 m范围内设置多个距离不同的测试点，在每个测试点至少设置100 ppm·m、1 000 ppm·m、10 000 ppm·m 3个数量级的不同含量的待测气团，能够真实、有效地反应出探测装置在不同距离、不同含量下的探测性能。其次，本方法还考虑了包括强光、降雨、振动、反射物等实际应用场景中可能存在的干扰因素，对其干扰影响的程度进行了测量。
响应时间、示值误差直接反映设备的灵敏度和准确度，是设备性能最直观、最重要的指标，因此，将其作为主要测试的参数。
测试需使用合适的气体容器和标准含量的气体，并确保探测装置能够正常运行。
(1) 配置多个不同含量的甲烷标准气体，充入密封良好且透光性能优良的气体容器。建议选择积分浓度100 ppm·m、500 ppm·m、1 000 ppm·m、5 000 ppm·m、10 000 ppm·m、20 000 ppm·m。
(2) 测试前产品仪器按照说明书安装调试，在通电完成预热并稳定后，确认仪器示值归零。
云台激光气体探测器在实际应用过程中所处的场景具有多样性、变化性，存在诸多的影响因素，都可能对实际探测效果产生影响。因此，需全面考虑各种影响因素并量化，测试数据才能准确地反映出激光云台气体探测器的实际应用效果。
具体影响因素有：白天(晴)、夜晚(晴)、强光照射、雨天、振动、反射面变化。
测试中考虑白天和夜晚场景主要是由于两种场景分别代表正常天气条件下两种极端光照条件。
气象上白天时间段指08:00-20:00，夜晚时间段指20:00-次日08:00。结合日常经验与历史数据，正常晴朗天气条件下09:00-17:00自然光照较强，21:00-次日04:00自然光照较差。因此，设定白天场景时间段为09:00-17:00，夜晚场景为21:00-次日04:00。
实际应用中由于安装位置和探测器俯仰角度的不同，存在阳光直射探测器的可能，有必要研究强光照射对探测效果的影响。
自然光的照度极不稳定，会随时间、天气和光照的角度快速变化，在晴朗天气条件下，一天中自然光照度最强是在12：00左右，光照度值在1 000 000 LX左右。因此，本测试方法选择在晴朗白天12：00左右利用镜面反射阳光对探测器进行干扰。
四川地区降水强度多以大、中、小级别为主，暴雨以上级别占比较小。根据国家气象局颁布的降水强度等级划分标准(见表 2)，特大暴雨为最高等级(24 h降水量≥250 mm)，根据干扰趋大化原则，特大暴雨的降水量作为降雨干扰因素。经换算，在预设模拟降水面积0.5 m2的情况下，30 s水量达到0.045 L以上就可以在局部达到特大暴雨等级降雨模拟效果。
安装在立杆上的云台激光探测器在正常工作中可能因人为碰撞、摇晃立杆或大风影响等导致探测器晃动，使探测点位发生瞬时快速位移。
因为产生晃动的条件存在较大的不确定性，无法量化，实测人为摇动立杆的频率约为3次/s，因此，设定3次/s的频率制造晃动干扰。
云台激光探测器利用激光漫反射原理，通过测量反射回来的光强进行气体探测，不同反射面的辐射反射率不同。现场环境中主要有草地、水泥路面、积水面、工艺管道等反射面。借鉴《大气科学辞典》中对不同地表辐射反射率的数据(见表 3)[10]，选取类似的状态分别对应现场应用环境中不同的反射面。
在距离探测器安装位置不同水平距离处(10 m、30 m、50 m、70 m、100 m)，依次放置甲烷气体积分浓度为100 ppm·m、500 ppm·m、1 000 ppm·m、5 000 ppm·m、10 000 ppm·m、20 000 ppm·m的气体容器，使用云台激光气体探测系统依次进行探测。每次探测分别记录其距离、示值、响应时间，并计算示值误差，其计算公式如式(1)所示。
白天和夜晚场景各测试一次。
式中：ΔX为示值误差；X为仪器示值；X0为使用的标准值。
采用镜面日光反射、喷洒水雾、晃动立杆、更换反射面等方式，以模拟强光照射、雨雾、振动、不同反射面等条件下系统的抗干扰能力。
(1) 强光照射：将10 000 ppm·m的气体容器放置在距离安装位置水平距离30 m处，使用玻璃镜面反射阳光照射接收端，每次测量分别记录其示值、响应时间、误差。
(2) 降雨天气：在特大暴雨(模拟)天气条件下，将10 000 ppm·m的气体容器放置在距离安装位置水平距离30 m处，每次测量分别记录其示值、响应时间、误差。
(3) 晃动干扰：在人为制造晃动的条件下，将10 000 ppm·m的气体容器放置在距离安装位置水平距离30 m处，每次测量分别记录其示值、响应时间、误差。
(4) 不同反射面：由于云台激光气体探测器利用激光漫反射原理，因此，考虑草地、水泥路面、积水面、工艺管道、碎石路面等不同反射面对检测精度的影响。将10 000 ppm·m的气体容器放置在距离安装位置水平距离30 m处，将草地、水泥路面、积水面、工艺管道、碎石路面的反射面设置在光路上气体容器后侧位置，然后进行测试查看并记录其探测器示值、误差、响应时间。
选取某一云台激光气体探测系统作为研究样本，根据本研究提出的方法选取标准值和干扰条件进行测试。
分别在距离探测器安装位置不同距离处设置测试点，在每个测试点放置不同甲烷气体积分浓度的气体容器，使探测器依次对各气体容器进行探测，记录示值并计算示值误差。
分别在距离探测器安装位置10 m、30 m、50 m、70 m、100 m处放置甲烷气体积分浓度为100 ppm·m的气体容器，记录示值并计算误差(见表 4)。
分别在距离探测器安装位置10 m、30 m、50 m、70 m、100 m处放置甲烷气体积分浓度为500 ppm·m的气体容器，记录示值并计算误差(见表 5)。
分别在距离探测器安装位置10 m、30 m、50 m、70 m、100 m处放置甲烷气体积分浓度为1000 ppm·m的气体容器，记录示值并计算误差(见表 6)。
分别在距离探测器安装位置10 m、30 m、50 m、70 m、100 m处放置甲烷气体积分浓度为5 000 ppm·m的气体容器，记录示值并计算误差(见表 7)。
分别在距离探测器安装位置10 m、30 m、50 m、70 m、100 m处放置甲烷气体积分浓度为10 000 ppm·m的气体容器，记录示值并计算误差(见表 8)。
分别在距离探测器安装位置10 m、30 m、50 m、70 m、100 m处放置甲烷气体积分浓度为20 000 ppm·m的气体容器，记录示值并计算误差(见表 9)。
选用积分浓度为10 000 ppm·m的气体容器，放置于距离探测器安装位置30 m处，用人工喷淋装置在光路上喷水模拟降雨效果(喷淋装置在预设喷水面积0.5 m2情况下30 s出水量不得低于0.045 L)，进行测试(见表 10)。
选用积分浓度为10 000 ppm·m的气体容器，放置于距离探测器安装位置30 m处，采用镜面反射阳光直射探测器，进行强光干扰测试(见表 11)。
选用积分浓度为10 000 ppm·m的气体容器，放置于距离探测器安装位置30 m处，采用人为摇动安装立杆的方式进行晃动干扰测试(见表 12)。
选用积分浓度为10 000 ppm·m的气体容器，放置于距离探测器安装位置30 m处，在光路上气体容器后侧位置依次设置草地、水泥路面、积水面、工艺管道、碎石路面，进行反射面测试(见表 13)。
对实际测试的数据进行整理，可以分析出云台激光气体探测系统总体的性能表现和各干扰因素对探测效果的影响。
(1) 总体探测效果：总共采集白天和夜晚两种场景下不同含量、不同探测距离的测试数据共60个，每个点的响应时间均在1 s以内，其中最大误差为-76.2%，最小误差为-0.6%，其中20 000 ppm·m条件下误差数值存在异常，误差波动幅度较其他含量条件扩大3倍以上，剔除异常情况后对测试数据进行综合分析，误差在±20%以内的占比82%，误差在±20%以上的占比18%。
(2) 探测距离对探测效果的影响：从该样本在探测距离0~100 m范围内测试的数据来看，示值误差随距离的变化总体上并无明显波动放大情况，仅在10 000 ppm·m(白天)、10 000 ppm·m(夜间)、1 000 ppm·m(夜间)情况下100 m探测距离处的探测数据示值误差向下波动超过50%，其他情况下的波动并未显示出和距离有明显关系。说明在100 m范围内探测距离对探测结果的影响并不明显。
(3) 白天和夜间场景对探测效果的影响：各含量条件下白天和夜间示值误差曲线重合度较好，说明白天和夜间场景对探测结果影响不明显。
(4) 雨雾干扰的影响：雨雾干扰情况下，探测数值没有出现较大幅度的波动。
(5) 强光干扰的影响：强光干扰情况下，探测数值没有出现较大幅度的波动。
(6) 振动干扰的影响：振动干扰情况下，探测数值没有出现较大幅度的波动。
(7) 不同反射面的影响：从几种不同反射面的效果来看，工艺管道反射面干扰最大，草地次之，水泥路面、积水面、碎石路面效果较好。
云台激光气体泄漏探测系统作为一种新的技术手段，运用先进的技术原理，创新采用灵活的应用方式，无论是设备性能还是探测范围较传统气体探测技术均有极大的提升。同时，其作为一种新技术，市场应用时间短、应用范围相对较小，用户对其实际的应用效果缺乏足够的认识和经验。本研究提出的测试方法，所需物资材料简单，可以适用于所有使用场景，具有较强的可操作性；方法选取参数可以反映出探测设备探测距离、探测阈值、响应时间、探测误差等最核心、最关键的性能指标，具有较强的针对性；方法考虑影响探测设备正常运行的因素全面，测试数据结果具有普遍性。通过对云台激光气体泄漏探测系统进行测试的数据，可以看出为该类设备具有极快的反应速度、较高的探测精度和较强的抗干扰能力，在天然气站场气体泄漏探测领域具有良好的应用前景。
2023, Vol. 52 Issue (1): 110-115 2023, Vol. 52 Issue (1): 110-115