石油石化企业泄漏检测技术现状及前景＊

张静宇 孙秉才 冯 兴 曹航博 周玉杰

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；2.中国石油大学(北京)；3.中国石油长庆油田分公司第四采油厂；4.中国石油兰州石化分公司)

0 引 言

随着第四次工业革命的到来，人工智能、区块链、云计算、大数据、物联网等新兴技术的蓬勃发展为智能化油气田、智能化站场、智慧化管道的建设提供了可能。由于石油石化行业介质的特殊性，需要重点关注站场介质的泄漏检测与监测。石油石化行业站场智能化对泄漏检测及监测技术提出的需求主要包括以下两方面：一是机、泵、炉、罐、管等结构泄漏的视频识别；二是泄漏介质类别的视频识别。

美国Providence Photonics公司将有机气体泄漏检测技术的发展划分为三个阶段：第一阶段为传统识别，采用便携式检测仪进行泄漏识别；第二阶段为智能识别，人工采用红外气体相机、光谱相机进行泄漏检测；第三阶段为人工智能识别，利用泄漏检测设备与计算机视觉自动识别,实现全天候报警[1]。目前我国多数炼化企业、油气站场有机气体泄漏检测处于传统识别阶段，部分企业引进了红外气体检测摄像机用以进行VOCs检测，少部分企业配备固定式高光谱智能相机，实现全天候泄漏检测及泄漏介质识别。

红外成像技术在介质泄漏检测方面效果显著。该技术在石油石化行业的应用集中于中红外波段，目前在行业内已有应用，但尚未普及。因此利用先进视频识别技术来提高泄漏检测效率，增强站场安防监控效果，将成为未来石油石化企业安防监控的发展方向。

1 站场传统泄漏检测技术

目前站场泄漏检测与监测以固定式和便携式设备为主。便携式泄漏检测设备主要应用于工人巡检过程中对设备“跑、冒、滴、漏”的检查，固定式泄漏检测设备主要应用于大场景下危险介质泄漏的预警。

1.1 便携式泄漏检测设备

站场便携式泄漏检测设备包括传统色谱分析仪、红外光谱气体分析仪、电化学分析仪、顺磁氧分析仪等。孔祥军等[2]利用便携式泄漏检测设备对某炼油厂开展了全面的泄漏检测与统计分析，共检测31 433个密封点，发现泄漏点72 处，泄漏率0.23%。统计结果表明，该技术能够完成工作任务，但工作量大。目前部分石油石化单位引进了某品牌点检信息处理终端系统，可实现数据测量、查询及通讯等系统化操作，在一定程度降低了管理难度，提高了工作效率。

1.2 固定式泄漏检测设备

固定式泄漏检测设备分为点式和线式两种，两者均利用气体扩散特性进行检测。目前石油石化站场内普遍布置可燃气体检测仪、有毒气体检测仪等。该类点式设备一般采用电化学原理，待检测介质扩散进入仪器感应单元发生化学或电化学反应，通过改变原件的电物理特性进行检测，当传递信号超限时即可进行报警[3]。固定线式报警器依靠激光进行检测，分激光发射端和接收端两部分，两端通过光纤连接，待检测气体飘散至激光所在位置后设备报警。

传统的泄漏介质检测与监测设备及技术也存在一些弊端。例如：西北某石化企业丙烯腈车间曾发生微量氢氰酸泄漏，现场固定式氢氰酸报警器及时报警，并有效地避免了事故发生。但后续事故处置过程中，由于管线被保温层覆盖，点式危险气体报警器难以确定泄漏位置。同时该企业高压聚乙烯车间压缩机棚内设置多套激光对射式泄漏检测仪，当乙烯泄漏扩散至对射式检测设备之间时设备报警，但报警响应受风的影响较大。

上述案例表明，固定式可燃气体检测形式在一定程度上能够满足石油石化行业的安全需求，虽然仍存在漏点检测不直观、报警浓度滞后[4]、设备安装位置难以优选、受环境影响大等缺点，但作为传统泄漏检测装置，目前在石油石化站场仍发挥主力作用。

利用某品牌红外视频成像仪器对华北某炼厂污油池进行现场观测发现，其内部轻组分大量挥发，而污油池下风向固定式可燃气体报警仪未报警；同样利用该设备对该厂区内某罐区进行排查，发现3具重整原料储罐底部钢带式液位计履带处发生大量泄漏，1具轻油储罐罐顶取样口法兰处及安全阀处发生大量泄漏，现场报警设备均未报警。液位计泄漏红外图像见图1。

图1 重整原料泄漏红外图像

2 红外成像检测技术

红外成像技术检测气体的关键因素在于气体能够吸收经过的红外辐射，并产生具有其“指纹特性”的吸收光谱。红外光谱可分为近红外、中红外和远红外3个波段。中红外波段又分为短波红外、中波红外和长波红外3个波段。石油石化行业危险介质红外吸收峰大多集中在中红外波段。根据待检测气体吸收光源的不同，红外视频图像检测技术可分为基于激光光源辐射吸收的主动式成像检测技术和基于背景辐射吸收的被动式成像检测技术[5]。主动式成像检测技术包括傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、差分吸收光谱技术(DOAS)、可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)和差分吸收激光雷达技术(DIAL)。其本质均为利用红外光源照射待检测气体，利用其吸收特性进行识别。在被动式红外成像检测技术中，按照工作波段不同可分为红外热成像技术和红外光谱成像技术。依据光谱分辨率不同，红外光谱成像技术可分为多光谱技术和高光谱技术[6]。

2.1 TDLAS技术

TDLAS技术是指可调谐二极管激光吸收光谱技术，这种测量方法由美国科学家Hinkley和Reid提出，可用于气体监测、温度监测，现已发展成为非常灵敏和常用的痕量气体的监测技术。TDLAS技术利用红外激光被气体分子吸收形成吸收光谱的原理来测量气体种类与浓度，半导体激光器发射出仅能被待测气体吸收的特定波长的激光穿过待测气体，激光强度的衰减与待测气体的浓度成一定的函数关系，通过测量激光强度衰减信息分析获得待测气体的浓度，通过吸收光谱确定气体种类。可调谐半导体激光器发射的激光线宽窄、波长可随注入电流的改变而发生变化。TDLAS技术利用上述特点实现对分子的单个或几个距离很近、很难分辨的吸收线进行测量。该技术灵敏度高，可实现CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H2S、HCN、C2H2、C2H4等气体的自动检测，适用于石油、化工、环保等领域。目前该技术在大气痕量污染气体监测等领域有较多应用。

国内许多学者基于TDLAS技术对气体泄漏检测进行了相关研究，姜治深等[7]基于该技术原理对标准浓度CH4进行了测量标定，实验证明该系统在单程40 m的遥测距离下具有良好的时间响应性，能够有效实现在线监测。同时该技术也可用于石油石化行业H2S、NH3等的泄漏监测中。孙鹏帅等[8]在开放式天然气泄漏情况下对TDLAS技术在石油化工行业的应用进行了实验，实验结果表明，该系统可对CH4、C2H2、C2H4等气体泄漏进行监测，响应时间均小于2 s，在距离50 m和100 m两种实验条件下报警正确率均可达100%。

TDLAS技术具有高选择性、适用性强、速度快、灵敏度高等优点。TDLAS技术基于高分辨率的光谱技术，分子光谱独特的“指纹”特征使其不受其他气体的干扰，对所有在红外波段有吸收的活跃分子都有效，且在不失灵敏度的情况下，时间分辨率可在ms量级。TDLAS技术利用单束激光光源进行气体检测的原理决定了其在获得高的光谱分辨率的同时，难以获得宽的谱段，因此单个激光器仅能分辨一种气体，而多激光器耦合进行多组分测量难度剧增。该技术适用于成分明确的气体泄漏监测。

2.2 红外热成像技术

红外热像仪有光子探测与热探测两种不同的原理。光子探测技术是利用光子在半导体材料上产生的电效应进行成像，敏感度高，受温度影响大，需要在探测器前进行降温。热探测技术则是将光线引发的热量转换为电信号进行成像，敏感度相对较低，但无需制冷。根据成像原理，红外热像仪采用的红外探测器有制冷型与非制冷型两种，实际应用中选择红外热像仪的类型与用户对于精度的要求直接相关。制冷型红外热像仪灵敏度高、能够分辨更细微的温度差别(10 mK左右)、响应速度快、探测器距离远，但设备使用的小型斯特林制冷机目前售价在30～40 万元，价格昂贵；非制冷红外热像仪具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。

典型的制冷型红外热像仪生产厂家有美国FLIR、法国Sofradir、以色列SCD、高德红外等。法国Bertin技术公司Second Sight TC 、Second Sight MS属于典型的非制冷型红外热像仪。相关设备及现场应用情况见图2、图3。

图2 法国Second Sight红外摄像机

图3 法国Second Sight红外摄像机应用实例

2.3 红外多光谱技术

光谱成像技术是基于成像学和光谱学发展起来的一门新兴技术，它作为一种分析工具，可应用于物质识别，在石油石化站场泄漏介质检测及识别方面优势明显。与主动式成像检测技术不同，作为被动式成像的红外光谱成像技术依靠背景产生的黑体辐射成像，黑体辐射穿过待检测气云被吸收后，投射部分进入摄像机，产生特定气体的吸收光谱被红外探测器捕捉，从而检测气体。黑体辐射的强度与温度密切相关，昼夜交替使得探测场景中目标与背景的温差产生变化，可能存在某个阶段两者之间红外差异接近零，从而产生盲区。针对上述问题，赵慧洁等[9]进行了相关研究，提出了基于中红外多光谱的昼夜热交替时段探测方法，利用不同目标之间的红外光谱特性差异实现热交替时段目标的识别与区分，为红外探测系统的全天候实际应用提供了良好借鉴。

多光谱的定义在于待检测波段内光谱通道的多少，光谱通道增加意味着光谱分辨率提高。一般光谱通道在10～20 个的光谱成像技术被称为多光谱成像。

加拿大Telops公司生产MS-IR系列红外多光谱摄像机，配备8位快速旋转滤光轮，可将场景信号分成不同光谱带，以实现光谱特征分析。滤光轮可提高帧率，可选固定或旋转模式。滤波器最高转速100 Hz，帧率可达800 fps。中波系列MS-M100K探测波段为3.0～4.9 μm，长波系列MS-V300探测波段为7.7～11.8 μm，均采用制冷式红外探测器。

多数烃类光谱特性集中于3.2～3.4 μm波段，多光谱成像技术光谱分辨率在10～100 nm，这使得在该波段上的光谱连续性较差，因此多光谱技术不能有效区分气体种类。在气体组分大致了解，且不需要明确气体种类的泄漏检测中，多光谱技术能对泄漏进行有效检测与监测。该技术相较于传统泄漏检测技术在有害气体识别方面具有成像直观、泄漏源易排查等优势，但由于部分气体在相同波段内有类似的吸收峰，如CH4与SO2在7～8 μm吸收峰接近，因此在泄漏气体种类识别方面需要提高光谱分辨率，石油石化行业的泄漏检测技术有必要从多光谱向高光谱迈进。

2.4 红外高光谱技术

高光谱更接近于成像光谱的概念，高光谱成像的光谱通道一般为100～400 个，分辨率一般在10 nm以下，而且各光谱通道间往往是连续的。通过搭载在不同平台上的高光谱传感器，能够在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，以数十至数百个连续且细分的光谱波段对目标区域同时成像。

许多学者对红外高光谱技术在泄漏检测成像方面进行了研究。朱亮等[10]利用加拿大Telops公司生产的基于傅里叶变换红外光谱技术的Hyper-Cam傅里叶光学红外成像光谱仪对浓度为99.9%的CH4气体进行识别，实验分析了光谱分辨率、气体排放流量对遥测识别的影响。实验结果表明，当光谱分辨率为4 cm-1时，可以明显识别出云团为CH4气体，继续提高光谱分辨率后，设备对气体种类的识别无影响。

美国某公司利用高光谱技术生产高光谱摄像机，具有量化气体释放、泄漏源精确定位等功能。该摄像机目前在国内应用较少，仅在西南某炼厂及油气田有应用案例[11]，见图4。

图4 西南某炼厂配备的气云成像摄像机

该摄像机采用的成像技术主要分为热源成像技术和高光谱成像技术。热源成像技术是指采集气体目标场景某一红外波段的辐射信息以实现气体泄漏检测的热成像技术，其检测系统具有结构相对简单、光学系统复杂度较低、维护成本低等优势。光谱成像技术是指利用不同成分的气体对特定红外波长的吸收差异分辨气体种类，通过吸收强度确定气体浓度，根据吸收波长分辨气体类型。高分辨率光谱对气体的特征有更精细的区分，能更准确地识别出气体的类别和浓度特征。

高光谱成像技术的本质在于光谱分辨率的提高，制冷型红外探测器等关键设备作用巨大。小型制冷机的工作寿命限制了设备全天候连续运转，红外探测器技术受国外垄断。以上因素导致高光谱成像技术应用维护成本高，目前广泛应用难度较大。针对上述问题，南京、安徽部分高校及科研院所提出了基于激光光源的主动式成像技术及制冷机解决方案，可实现高分辨率的泄漏检测，分辨泄漏介质种类，但这些技术尚处于实验室阶段，尚未实现广泛应用。

3 结束语

在油气行业智能化的大背景下，智能化站场的感知能力提高尤为关键，本文针对站场泄漏检测与监测存在的弊端，调研了传统模式下的检测与监测方法。传统方法操作简单，但流程复杂、效率低，难以满足当前智能化站场的需求。红外激光成像、红外热成像和光谱成像技术在泄漏介质检测方面具有准确、迅速、直观等优点，将为未来石油石化行业安防监控、智能感知提供有力支持。