一种基于检测管的管输天然气微量泄漏连续监测装置
技术领域
本实用新型涉及一种天然气泄漏监测技术领域，特别是关于一种基于检测管的管输天然气微量泄漏连续监测装置。
背景技术
天然气管道安全一直是管道企业运营重心。据统计，2010年至2014年，我国管道事故率约为3.0×10-3/(km·a)，是加拿大的30倍，美国的7倍，欧盟的12倍，管道安全情况严峻。在管道事故统计中，主要分为两类：一类为管道泄漏导致的安全事故，一类为第三方施工导致的管道破坏。然而，受限于管道泄漏监测技术发展，目前已有的安全监测技术仍然存在着很多缺陷，例如美国ASI的音波技术，虽然安装方便，灵敏度较高，但存在一定误报情况，且安装费用较高；基于质量/体积平衡法成本较低，但灵敏度较差，误报漏报较高；基于光纤的泄漏监测技术虽然监测、定位精度高，响应时间快，但需要优良的滤波算法，误报率较高。上述技术共同的缺陷就是不能针对管道早期的微小泄漏进行有效预警，且容易误报。
基于检测管的泄漏监测技术是一种能够捕捉微小泄漏量的泄漏监测技术。依靠检测管对痕量泄漏甲烷的捕捉，该技术能够发现管道早期微小的泄漏，通过气体压力、温度和流速来对泄漏点进行定位，从而将管道泄漏安全风险控制在最早期。由于是对甲烷气体特征信号直接进行测定，因此，误报率极低。公开号为CN103629533A的专利文献公开了一种多条并列埋地天然气管道泄漏监测的装置及方法，该发明利用动力单元先将多条检测管抽成负压状态，通过分置于检测管两端的激光发射和接受单元对检测管内气体情况进行分析，发现异常后，通过真空泵抽吸，将检测管内气体抽出，并进行分析定位。该方法能够实现对外界泄漏的监测，但装置过于复杂，检测管需要在负压状态下进行捕集，装置需要激光检测单元对检测管内状态进行监控，成本昂贵。公开号为CN 103629536B的专利文献公开了一种天然气管道泄漏监测的装置及方法，该方法通过一根传感电缆结合半渗透检测管实现天然气管道泄漏的监测。该技术通过半渗透膜检测管和传感电缆组成的前端探头，检测渗透入检测管的天然气与探头包含的电阻发生反应产生信号。该方法的缺点是若发生管道泄漏，接触到泄漏燃气的传感电缆将失去监测功能，需要进行传感电缆的更换。公开号为CN203604997U的专利文献公开了一种埋地燃气管道泄漏监测报警系统。该系统需要在检测管内形成负压，通过设置在检测管两端的检测控制结构来对泄漏状态进行监测。该方法缺陷是不能连续监测检测管内气体情况，且单独依靠速度控制和检测时间差，其定位精度有限。公开号为CN104359629A的专利文献公开了一种用于泄漏检测和定位的装置和方法，其利用一根敷设的检测管捕捉泄漏源，并利用动力系统将泄漏源载回检测单元，发现泄漏进行报警，根据信号检测的时间差和动力系统速度，可以对泄漏点进行定位。由于只有一条检测管，该种方法不能连续对泄漏状况进行监测。
综上所述，针对管道泄漏，目前提出了很多解决措施和方法，然而，这些改进都没有彻底解决原有问题，改进的同时往往还带来新的问题，故有必要对管道泄漏监测方法和技术进行进一步研究。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种基于检测管的管输天然气微量泄漏连续监测装置，其利用管道平行敷设的常压态检测管来捕捉泄漏微量然天气气体，利用动力单元将含有微量天然气载气载回到检测单元中，通过检测单元来对载气进行分析，发现超出检测阈值发出泄漏报警，通过两根检测管交替检测，实现对管输天然气管道的连续检测。通过利用质量守恒来实现对泄漏点的定位，提高定位精度。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种基于检测管的管输天然气微量泄漏连续监测装置，其包括第一过滤单元、第二过滤单元、标识气注入单元、第一检测管、第二检测管、第一电磁阀、第三过滤单元、物性检测单元、真空泵、质量流量控制单元、气体分析仪、可编程控制器和工控电脑；天然气管道的泄露气体通过载气进行携带，含有泄露气体的载气经所述第一过滤单元进入所述第一检测管，经所述第二过滤单元进入所述第二检测管；位于所述第一检测管和第二检测管的第一端还设置有所述标识气注入单元，所述标识气注入单元输出的标识气体用于将进入检测管的载气进行标识；所述第一检测管和第二检测管的第二端均经所述第一电磁阀分别与所述第三过滤单元、物性检测单元和真空泵一端连接，所述真空泵另一端经所述流量控制单元与所述气体分析仪连接；所述第一电磁阀、物性检测单元、真空泵、流量控制单元和气体分析仪均与所述可编程控制器电连接，所述可编程控制器与所述工控电脑进行信息交互。
进一步，位于所述第一过滤单元与所述第一检测管的第一端之间设置有第二电磁阀，位于所述第二过滤单元与所述第二检测管的第一端之间设置有第三电磁阀，所述第一检测管的第一端与所述第二检测管的第一端之间并联设置有第四电磁阀；所述第二电磁阀、第四电磁阀和第三电磁阀均与所述可编程控制器电连接。
进一步，位于所述标识气注入单元的出口设置有第五电磁阀，所述标识气注入单元的出口通过所述第五电磁阀分别与所述第一检测管的第一端和第二检测管的第一端连接；所述第四电磁阀与所述可编程控制器电连接。
进一步，所述第一检测管和第二检测管均用于捕集泄漏气体，与所述天然气管道平行布置，两条检测管均位于所述天然气管道的12点钟方向。
进一步，所述第一检测管和第二检测管均采用气密性软管，所述第一检测管和第二检测管均含有渗透膜层。
进一步，所述气体分析仪包括用于载气气体成分分析的气体传感器。
进一步，所述气体传感器为激光式传感器、红外光谱式传感器或半导体式气体传感器。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型以具有微量天然气捕集功能的状态检测管为基础，通过选择两检测管内渗透膜层的厚度，使得检测管在常压环境下能够实现对微量泄漏气体的捕集。2、本实用新型通过使用2根检测管切换，实现对天然气管道泄漏状态的连续监测。3、本实用新型通过设定泄漏阈值判定，可以实现微量气体的泄漏报警。4、本实用新型通过使用基于质量守恒的定位算法，能够对泄漏点进行更为准确的测定。5、本实用新型的装置具有检出灵敏度高、定位精度好、误报率低、能够连续监测、操作灵活的特点，对天然气管道能够实现低至每小时几十升的微小泄漏监测能力，能发现管道渗漏或早期泄漏。综上，本实用新型可以广泛在天然气泄漏监测技术领域中应用。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1所示，本实用新型提供一种基于检测管的管输天然气微量泄漏连续监测装置，其包括第一过滤单元1、第二过滤单元3、第二电磁阀15、第四电磁阀17、第三电磁阀16、第五电磁阀18、标识气注入单元5、第一检测管2、第二检测管4、第一电磁阀6、第三过滤单元7、物性检测单元8、真空泵9、质量流量控制单元10、气体分析仪11、可编程控制器12和工控电脑13。
天然气管道14的泄露气体通过载气进行携带，含有泄露气体的载气经第一过滤单元1进入第一检测管2，经第二过滤单元3进入第二检测管4；位于第一检测管2和第二检测管4的第一端还设置有标识气注入单元5，标识气注入单元5输出的标识气体用于将进入检测管的载气进行标识。第一检测管2和第二检测管4的第二端均经第一电磁阀6分别与第三过滤单元7、物性检测单元8和真空泵9一端连接，载气经第三过滤单元7过滤后进行放气，载气通过物性检测单元8进行压力、温度和密度等检测，这些参数为质量守恒定位方法提供了原始数据基础。第一检测管2和第二检测管4经真空泵9进行抽真空处理，将检测管第一端入口处的真空度控制在5～95kPa，真空泵9另一端经流量控制单元10与气体分析仪11连接，通过气体分析仪11对检测管载气的连续检测，可实现对天然气管道1的泄漏监测。其中，第一电磁阀6、物性检测单元8、真空泵9、流量控制单元10和气体分析仪11均与可编程控制器12电连接，可编程控制器12与工控电脑13进行信息交互。
上述实施例中，位于第一过滤单元1与第一检测管2的第一端之间设置有第二电磁阀15，位于第二过滤单元3与第二检测管4的第一端之间设置有第三电磁阀16，第一检测管2的第一端与第二检测管4的第一端之间并联设置有第四电磁阀17。第二电磁阀15、第四电磁阀17和第三电磁阀16均与可编程控制器12电连接。
上述各实施例中，位于标识气注入单元5的出口设置有第五电磁阀18，标识气注入单元5的出口通过第五电磁阀18分别与第一检测管2的第一端和第二检测管4的第一端连接。第五电磁阀18与可编程控制器12电连接。
上述各实施例中，载气可以采用空气、氮气或其他无干扰气体。
上述各实施例中，第一过滤单元1和第二过滤单元3都可以采用膜式过滤或活性炭过滤器，其控制载气的常压露点应小于-40℃，不含固体颗粒物。
上述各实施例中，标识气注入单元5可以采用特征标识气储气装置，标识气体可为C2以上烃类气体以及H2或CO等，其浓度为1～5％(v/v)。
上述各实施例中，第一检测管2和第二检测管4均用于捕集泄漏气体，与天然气管道14平行布置，两条检测管均位于天然气管道14的12点钟方向，置于天然气管道14正上方0～30cm处。第一检测管2和第二检测管4均采用气密性软管，需保证泄漏甲烷和其他关键组分在一定驱动力下，进入检测管内。第一检测管2和第二检测管4均含有渗透膜层，渗透膜厚为0.5～2mm之间；依靠优选膜材和膜厚，检测管能够在常压态下捕集到微量泄漏的甲烷气体。
上述各实施例中，流量控制单元10包括流量控制器和流量计，用于对载气流量进行精确控制，气体流速一般为0.1～6m/s。
上述各实施例中，气体分析仪11用于对载气成分含量分析检测，并将检测结果经可编程控制器12传输至工控电脑13。气体分析仪11包括用于载气气体成分分析的气体传感器，该气体传感器可为激光式传感器、红外光谱式传感器或半导体式气体传感器。所测气体包括甲烷、C2+、H2和CO等气体。
基于上述装置，本实用新型还提供一种基于检测管的管输天然气微量泄漏连续监测方法，该方法包括自检模式、检测模式、数据分析模式、连续监测操作模式和过滤器更换模式，具体为：
(1)自检模式：对第一至第五电磁阀的状态进行确认，开启前第四电磁阀17为截止切断状态，第二电磁阀15与第三电磁阀16处于敞开状态，保证第一检测管2和第二检测管4处于内压力与外界压力处于平衡状态。第五电磁阀18处于关闭状态。
(2)检测模式：采用第一检测管2进行检测，关闭第四电磁阀17，打开第二电磁阀15和第三电磁阀16，控制第一电磁阀6使第一检测管2与真空泵9连通，第二检测管4与第三过滤单元7连通。控制第五电磁阀18，将标识气注入单元5与第一检测管2连通，向第一检测管2内注入预先设定量的标识气体后，关闭第五电磁阀18，通常该过程非常短暂，持续时间0.5s。启动真空泵9和质量流量控制单元10，控制从检测管中流出气体流速为1m/s。物性检测单元8采集检测气体温度、压力和密度数据，气体分析仪11持续采集载气中CH4、H2或其他特征气体浓度数据，并将数据传送至可编程控制器12。经过对两根检测管的连续切换，实现对天然气管道泄漏的连续检测。
(3)数据分析模式：可编程控制器12将采集记录到的物性、工艺、组分浓度数据进行分析，经滤波降噪归一处理后，实时输出至工控电脑13进行显示。用户根据管线沿线背景信号强度对日常监测信号进行去背景化，并设置最低信号报警阈值，当监测信号超过报警信号阈值后，系统发出报警。根据监测到的气体质量流量、监测前气体温度和压力，将气体流量换算成对应长度的距离，进而反算泄漏点位置，通过对泄漏信号曲线求一阶导数零点位置来确定泄漏点。通过已有的管道物理长度来对监测反算的距离进行校对，通过校对系数，对定位点反算距离进行修正。
根据可编程控制器12采集记录到的数据分析天然气管道14的状态，对泄漏情况进行报警，对泄漏点进行定位。将多组检测信号与历史数据对比后，对超出检测阈值的信号进行趋势分析判定，发出泄漏报警。根据对载气的物性检测数据和流量数据，结合装置运行时间差，依据质量守恒定位方法对泄漏点进行预测，同时辅助特征气体在已知物理距离的测试桩处，释放特征气体进行二次定位，以降低定位误差，定位误差小于10m/km。
其中，质量守恒定位方法为通过测定载气的物性状态参数，将抽出的载气根据同质量等体积反算距离，确定泄漏点位置。与依据流速测算泄漏距离的方法相比，精度较高。
(4)连续监测操作模式：当气体分析仪11检测到距离结束的标识气体信号后，启动第五电磁阀18向第二检测管4中注入标识气体，启动第一电磁阀6，将第二检测管4与真空泵9连通，同时连通第一检测管2与第三过滤单元7。重复检测操作。
(5)过滤器更换模式，第一过滤单元1进行在线更换：打开第四电磁阀17，关闭第二电磁阀15，可完成第一过滤单元1的在线更换，更换完毕后打开第二电磁阀15，关闭第四电磁阀17。第二过滤单元3的在线更换操作与第一过滤单元1一致，在此不再赘述。
综上所述，本实用新型具有检出灵敏度高、定位精度好、误报率低、能够连续监测、操作灵活的特点，能实现天然气管道低至每小时几十升微小泄漏的监测能力，能发现管道渗漏或早期泄漏，对预防管道事故，维护管道安全有重大意义。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的，本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但是这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围内。
