在天然气集输系统中，天然气站场的可靠性在很大程度上影响整个集输系统的安全，但是因设备多、流程复杂、密封点多，导致其泄漏概率较大。因此，在天然气站场建立一套可燃气体泄漏监测系统，可将管道运营的安全水平控制在合理、可接受的范围内，减少事故发生。随着研究的深入，基于激光检测原理的传感器逐渐被开发并投入使用，激光气体检测技术采用光谱吸收原理，具有灵敏度高、抗干扰性强等特点，可以实现场站内微小泄漏的检测。
激光气体检测原理
激光气体检测技术利用气体的红外光谱吸收特征来确定其浓度，根据甲烷特征吸收峰来选取特定频率的激光，以保证不受其他干扰气体的影响。系统的激光气体传感器采用基于TDLAS技术的波长调制法进行检测，通过在激光器驱动电流中注入低频三角波和高频正弦波，实现激光波长的扫描和调制。将探测信号输入锁相放大器，提取各谐波信号分量，以此来计算气体泄漏的分数。通过提高激光功率，可实现对天然气的远距离遥测；同时，激光检测为非接触式测量，可通过调整激光光路的路径，使其穿过管道的法兰、阀门、螺纹等部位附件的空间区域并形成反射，从而实现对管道设备微小泄漏的监测。
系统组成
天然气站场扫描式激光气体监测系统由扫描式激光气体传感器、数据传输系统、预警监控终端3部分组成：扫描式激光气体传感器安装在站场的露天工艺区内，其位置与高度根据管道设备的分布确定；数据传输系统采用“光端机+光缆”的形式进行信号转化，同时传输前端传感器所采集数据与预警监控终端发出的指令信号；预警监控终端基于力控组态软件与可编程逻辑控制器开发设计，包含云台控制、视频监控、数据采集三大模块。
扫描式激光气体传感器
该系统采用基于云台的扫描式激光气体传感器，其由三维旋转云台、激光检测模块、视频监控模块组成。
激光检测模块
激光检测模块主要由激光信号收发单元、信号控制采集处理单元、主控与数据传输单元3部分组成。其中，激光信号收发单元由激光器、探测器、透镜组成；信号控制采集处理单元包括激光器控制电路与信号检测电路；主控与数据传输单元主体结构为单片机，其主要作用为向信号控制采集处理单元发送指令并接收信号，同时进行外部数据的传输。
三维旋转云台与视频监控模块
三维旋转云台选用适用于气体防爆Ⅰ区、Ⅱ区及粉尘防爆A20～A22区防爆场合的防爆一体化全方位变速云台，其满足电源、信号、视频三重防雷要求，符合天然气站场的使用要求。云台可实现水平360°、垂直180°的连续旋转，同时可根据后端动作指令完成预置位的设置，每台云台可独立设置128个预置位，通过预置位的设置可确定传感器巡航路径。云台内安装的视频监控模块采用海康威视红外高清摄像头，最大图像尺寸为1280×960，视频流为32kb/s~8Mb/s。
数据传输系统
数据传输系统负责前端激光气体传感器与后端预警监控终端之间信号的传输。其中前端传感器向后端传输的信号为：激光检测模块的浓度数据信号；三维旋转云台实时返回的云台动作信号；视频监控模块采集的工艺现场视频信号。预警监控终端通过向前端传感器发送指令信号控制传感器的运行。
预警监控终端
系统监控终端软件平台基于力控组态软件与可编程逻辑控制器进行开发，其上位机监控软件采用力控ForceControl7.2组态软件进行搭建，下位机系统软件采用PLC编程软件实现，通过上位机与下位机之间的通信连接可实现对激光气体传感器的运行控制以及对天然气站场天然气泄漏的实时监测。根据天然气站场可燃气体监测的需求，系统中设有云台控制、视频监控、数据采集三大模块。
系统应用
该系统在中哈天然气管道C线某压气站的工艺区内安装使用，在该压气站工艺区内安装4台扫描式激光气体传感器。为形成对管道设备的覆盖式监测，通过分析气体泄漏扩散规律与场区管道设备的分布，将4台传感器的安装高度统一定为9m，其中过滤分离区与空冷区的两台传感器借助照明塔进行安装，压缩机区的两台传感器使用监控专用立杆进行安装。数据传输系统安装在监控立杆下方防爆箱内，借助其完成气体传感器的信号转化与传输；通信光缆与电缆采用直埋方式敷设，与站控室的预警终端连接；预警监控终端安装在站控室，由站场工作人员实时监控工艺区可燃气体浓度。
为完成对场区的自动化巡航监测，需要对激光气体传感器的运行参数进行设置此外，根据工艺场区设备的分布与工况条件等，需要对传感器的扫描速度进行定义，从而确定传感器的巡航周期。以GS01传感器为例，其位于压气站的过滤分离区，属于场站的易泄漏区域，因此需要设置较低的巡航速度，其巡航周期较长，约为18min。
对传感器运行参数设置完成后，选取系统运行一日的监测数据，分析可知：过滤区与空冷区管道设备种类繁多，包括大量阀门、法兰等部件，且负责大输送量的天然气过滤与冷却等工艺，其在日常的运行中存在微量泄漏，天然气体积分数一般处于200×10-6以下，远低于爆炸极限，处于安全水平。此外，该工艺区在7:00与0:00均监测到较高的天然气泄漏，此现象与该时间段输气压力较高有关。而增压区的设备主要是输气管道，工艺较为简单，因此存在的微泄漏现象相比过滤区与冷却区轻微，天然气体积分数多集中在100×10-6下。以上监测结果符合压气站实际情况，说明该系统具有较好的准确性与实用性。
结论
针对天然气站场可燃气体泄漏问题，研制了一套由激光气体传感器、数据传输系统、后端预警监控终端组成的基于扫描式激光气体传感器的安全监测系统。该系统具有测量精度高、覆盖范围广等优点，实现了由点、线式测量到立体扫描式测量的转变。随着天然气站场向智慧化管理转变与GIS、虚拟现实等可视化展示技术的发展，利用传感器立体扫描的特性，将站场的设备空间坐标等静态数据与天然气浓度等动态数据结合，对于实现站场可视化智能监测具有重要意义，是未来的重要发展方向。
