CN103575476B - 天然气泄漏检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天然气泄漏检测装置，包括：结构安装机架、激光发射机、与所述激光发射机对应匹配设置的激光接收机以及设置在安全控制中心室的检测主机，所述激光发射机、激光接收机均通过结构安装机架安装在天然气检测区顶面的边缘上；所述激光发射机还包括位于激光发射光路上的第一准直器，所述激光接收机还包括位于激光接收光路上的第二准直器；所述检测主机包括激光激发模块、光信号输出接口、光信号输入接口以及光谱分析模块，所述激光发射机通过光缆连接检测主机的光信号输出接口，激光接收机通过光缆连接检测主机的光信号输入接口。

Description

天然气泄漏检测装置及方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其是一种天然气泄漏检测装置及方法。

背景技术

LNG是液化天然气（liquefiednaturalgas）的英语缩写，主要成分是液化甲烷，其体积与气体甲烷的体积比约是1：600，但重量仅为同体积水的45%左右，因此被广泛应用于城市管网、码头长运输（将LNG存储在超大型LNG储气罐中，通过海运进行运输）等，同时很多石油化工厂有专门生产LNG的生产间。由于天然气易燃易爆的特点，快速有效地检测天然气是否存在泄漏对于天然气的开发及生产有着重要的意义，虽然现有技术中存在着很多天然气检测装置，而且也被广泛应用于石油和煤矿环境中，但这些检测装置无法满足LNG各种应用的检测，下面以LNG储罐为例进行说明。

LNG储罐是液化天然气接收站的重要设施。目前全容式LNG储罐全部采用热电偶、可燃气体探测仪、火焰离子探测器等监测储罐的LNG泄漏情况。其具体实施方式为：在全容式LNG储罐的罐壁和罐底安装多个热电偶，根据热电偶所测温度来判断是否有泄漏发生；同时，在LNG储罐罐顶及外壁安装有可燃气体探测仪和火焰离子探测器，用于监测LNG泄漏之后气化生成的天然气以及天然气燃烧所产生的火焰离子。目前的这种方法存在温度监测点过少、检测精度较低、无法及时发现少量LNG泄漏的问题，且很难确定泄漏点的准确位置，最重要的，由于热电偶等监测设备监测时均为带电监测，在天然气泄漏时有燃烧、爆炸的可能性，存在安全隐患。倘若因此发生燃烧或爆炸，那将是极其重大的安全事故，对社会安定以及人类进步也会造成巨大的影响。另外，上述方式无法在LNG泄漏的最初阶段进行报警，极易造成严重的次生灾害。因此用热电偶、可燃气体探测仪和火焰离子探测器监测LNG储罐泄漏的技术安全保障性较差，无法有效降低LNG储罐泄漏带来的环境污染和安全风险。

诸如上述的LNG或天然气其他大型应用场所，均出现上述安全类问题。因此，现有感知传感器带电，且均为带电点监测，有爆炸可能性。如何避免在天然气检测时无源（即不带电），能够安全、高效直接判断大型应用场所中天然气的泄漏范围，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是，提供一种天然气泄漏检测装置，能够实现无源探测，不会产生由于电信号导致的爆炸等危险，最大限度的减少了安全隐患节点，同时能够快速实现对天然气泄漏范围的判断。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种天然气泄漏检测装置，包括：结构安装机架、激光发射机、与所述激光发射机对应匹配设置的激光接收机以及设置在安全控制中心室的检测主机，所述激光发射机、激光接收机均通过结构安装机架安装在天然气检测区顶面的边缘上；所述激光发射机还包括位于激光发射光路上的第一准直器，所述激光接收机还包括位于激光接收光路上的第二准直器；所述检测主机包括激光激发模块、光信号输出接口、光信号输入接口以及光谱分析模块，所述激光发射机通过光缆连接检测主机的光信号输出接口，激光接收机通过光缆连接检测主机的光信号输入接口；

所述检测主机触发激光激发模块发射激光信号，所述激光激发模块发射的激光通过光信号输出接口后经过光缆被发射到第一准直器，经过第一准直器准直后形成平行激光光束；

所述激光发射机将所述平行激光光束向外发射，所述激光发射机发射的平行激光光束穿过天然气检测区后被发射至对应的激光接收机；

所述激光接收机接收对应的激光发射机发射的平行激光光束，所述激光发射机、激光接收机之间的激光监测光路形成监测天然气检测区的“线监测”，所述激光接收机接收的平行激光光束经第二准直器准直后通过光缆反射至光信号输入接口，并被传输至光谱分析模块；

所述光谱分析模块分析接收到的光信号的光谱变化，判定所述天然气检测区是否有天然气泄漏，并在判定有天然气泄漏的情况下根据相应激光发射机和激光接收机确定天然气泄漏的坐标范。

具体的，所述激光发射机包括多个平行设置的第一发射机，所述激光接收机包括多个平行设置的第一接收机，所述激光发射机、激光接收机之间的激光监测光路形成监测天然气检测区的“面监测”。

具体的，所述激光发射机还包括多个平行设置的第二发射机，所述激光接收机还包括多个平行设置的第二接收机，所述第一激光发射机、第一激光接收机之间的第一激光监测光路与第二激光发射机、第二激光接收机之间的第二激光监测光路具有夹角。

优选的，所述夹角为90°。

在其他实施方式中，在所述天然检测区顶面边缘的垂直侧面上，设置有多组所述激光发射机和激光接收机，所述激光发射机、激光接收机之间的激光监测光路形成监测天然气检测区的“空间监测”。

具体的，所述天然气泄漏检测装置还包括移动瓦斯检测仪，用于在检测主机判定天然气检测区具有天然气泄漏的情况下，对天然气泄漏的坐标范围进行天然气浓度检测，从而确定天然气泄漏点。

具体的，所述激光发射机发射的激光波长为1.650μm、能量＞10mw、线宽2MHz。

为解决上述技术问题，本发明提供的另一种技术方案是：提供一种天然气泄漏检测方法，包括：

激发激光信号，将所述激光信号准直，形成平行激光光束；

发射所述平行激光光束，其中，所述平行激光光束的光路经过天然气检测区；

接收经过天然气检测区的平行激光光束，将接收的平行激光光束准直，得到目标激光信号；

分析所述目标激光信号的光谱，根据目标激光信号的光谱变化判定天然气检测区是否有天然气泄漏，并在判定有天然气泄漏的情况下根据相应激光发射点和激光接收点确定天然气泄漏的坐标范围。

具体的，激发多道水平平行的激光信号。

具体的，激发多道垂直平行的激光信号。

（三）有益效果

区别于背景技术，本发明提供一种天然气泄漏检测装置，设置了激光发射机和激光接收机，由于激发激光信号的检测主机通过光缆设置在安全区内，且激光光柱是无源探测体，甚至进入监控区域（即天然气检测区）的激光发射机和激光接收机均不带电，可以做到完全无源设备，测试距离也均在百米左右，完全符合LNG应用中检测的需求，本发明主要通过激光发射机发射的激光信号能被泄漏的天然气遮挡隔断，导致激光接收机接收衰减激光信号或是接收不到激光信号的原理，通过“线”“面”“空”三个方向确定天然气泄漏的范围，快速准确地实现天然气泄漏的无源探测。

附图说明

图1是本发明一实施方式中天然气泄漏检测装置的结构示意图；

图2是本发明天然气检测区边缘的垂直侧面的空间示意图；

图3是本发明另一实施方式中天然气泄漏检测装置的结构示意图；

图4是本发明一实施方式中天然气泄漏检测方法的流程示意图。

标号说明：

1.天然气检测区，11.顶面，12.垂直侧面，，

2.激光发射机（第一激光发射机），3.激光接收机（第一激光接收机），

4.第二激光发射机，5.第二激光接收机，

6.光缆，7.检测主机，

8.储气罐，9.手持式瓦斯检测仪，

10.结构安装机架，

111.第一准直器，112.第二准直器。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。请参阅图1及图2，本实施方式提供了一种天然气泄漏检测装置，包括激光发射机2、激光接收机3、结构安装机架10以及设置在安全控制中心室的检测主机7，所述激光发射机2与激光接收机3一一对应匹配设置，且激光发射机2、激光接收机3均通过结构安装机架10安装在天然气检测区1顶面的边缘。由于天然气的密度小于空气密度，当天然气检测区1中发生天然气泄漏时，天然气会上升，故将激光发射机2与激光接收机3设置天然气检测区1顶面的边缘11上。所述检测主机7包括激光激发模块、光信号输出接口、光信号输入接口以及光谱分析模块，所述激光发射机通过光缆连接检测主机的光信号输出接口，激光接收机通过光缆连接检测主机的光信号输入接口。具体的，在本实施方式的某些实施例中，天然气检测区1为大型LNG储气罐8组成的空间，激光发射机2和激光接收机3设置在储气罐8的顶端。在本实施方式中，所述激光发射机还包括位于激光发射光路上的第一准直器111，所述激光接收机还包括位于激光接收光路上的第二准直器112。具体的，激光发射机2发射的激光波长为1.650μm，能量＞10mw、线宽2MHz，功耗小，成本低。

具体的，激光发射机2包括多个平行设置的第一发射机2和多个平行设置的第二发射机4，所述激光接收机3包括多个平行设置的第一接收机3和多个平行设置的第二接收机5。所述第一激光发射机2、第一激光接收机3之间的第一激光监测光路与第二激光发射机4、第二激光接收机5之间的第二激光监测光路具有夹角，优选的我们选夹角为直角（所述夹角范围为60°-120°，实验证明，此夹角范围确定的天然气泄漏范围较其他夹角范围更为准确，90°确定的范围最为准确）。本实施方式的工作原理如下。

所述检测主机7触发激光激发模块发射激光信号，所述激光激发模块发射的激光通过光信号输出接口后经过光缆6被发射到第一准直器111，经过第一准直器111准直后形成平行激光光束。

所述激光发射机2将所述平行激光光束向外发射，所述激光发射机发射的平行激光光束穿过天然气检测区1后被发射至对应的激光接收机3。所述激光接收机3接收对应的激光发射机2发射的平行激光光束，所述激光接收机3接收的平行激光光束经第二准直器112准直后通过光缆反射至光信号输入接口，并被传输至光谱分析模块。

所述光谱分析模块分析接收到的光信号的光谱变化，判定所述天然气检测区是否有天然气泄漏，并在判定有天然气泄漏的情况下根据相应激光发射机2和激光接收机3确定天然气泄漏的坐标范围。

在上述监测过程中，激光发射机2和激光接收机3之间就形成了一个完整的激光监测光路，形成了主动式的“线监测”。由于第一激光发射机2与第一激光接收机3之间的第一激光监测光路、第二激光发射机4与第二激光接收机5之间的第二激光监测光路均为多条且平行，形成了覆盖天然气检测区1顶面的“面监测”；而且第一激光监测光路和第二激光监测光路之间具有90°的夹角，形成能类似“经纬”线的x-y坐标。当出现天然气泄漏时，激光发射机发射的激光信号被泄漏的天然气遮挡隔断，从而导致相应激光接收机接收衰减激光信号（光谱变弱）或是接收不到激光信号（无光谱），检测主机7的光谱分析模块通过分析接收的激光信号的光谱变化，判定有天然气泄漏，然后光谱分析模块通过查询分别与第一激光接收机3、第二激光接收机5匹配对射的第一激光发射机2和第二激光发射机4，查找到相应的“经纬”交叉部位，也就是相应的坐标范围，从而确定天然气泄漏的范围。与此同时，检测主机7还会发出报警信号，通知相关工作人员做好防爆工作。

在本实施方式中，激光光柱是无源探测体，甚至进入监控区域（即天然气检测区）的激光发射机和激光接收机均不带电，可以做到完全无源设备，测试距离在百米左右，完全符合LNG储罐的需求，能够解决背景技术中提到的问题。

更为优选的，请参阅图2，为了能进一步在空间上确定天然气泄漏的范围，我们还可以在天然气检测区1边缘11的垂直侧面12安装激光发射机以及与之匹配的激光接收机，这样就形成“空间监测”。应当理解的是，激光发射机和激光接收机在水平面或垂直面上的密度越大，“线监测”“面监测”及“空间监测”的力度就越大，其限定的天然气泄漏的范围就越准确。不难看出，本实施方式通过激光发射机发射的激光信号被泄漏的天然气遮挡隔断，从而导致相应激光接收机接收衰减激光信号（光谱变弱）或是接收不到激光信号（无光谱）的原理，通过“线监测”、“面监测”甚至是“空间监测”确定天然气泄漏的范围，快速准确地实现天然气泄漏的无源探测。而且由于整个检测过程应用的是激光信号而不是电信号，激光光柱是无源探测体，甚至进入监控区域（即天然气检测区）的激光发射机和激光接收机均不带电，可以做到完全无源设备，测试距离在百米左右，完全符合LNG储罐的需求。值得说明的是，本实施方式中激光发射机、激光接收机不依赖现场供电条件，特别适合于现场“三无”（无电、无线通信、无人值守）条件下的监测预警活动（如：天然气管道、天然气储蓄罐等）。为能更好地理解本装置的工作过程，下面举例说明。再请参阅图1，图1有超大型LNG储气罐8，储气罐8顶端的上部为天然气检测区1。激光发射机2包括多个第一激光发射机2和多个第二激光发射机4，所述激光接收机3包括与第一激光发射机2对应匹配设置的多个第一激光接收机3和与第二激光发射机4对应匹配设置的多个第二激光接收机5。第一激光发射机2和第二激光发射机4均包括第一准直器111，第一激光接收机3和第二激光接收机5均包括第二准直器112。

在本实施例中，所述第一激光发射机2、第一激光接收机3之间的第一激光监测光路与第二激光发射机4、第二激光接收机5之间的第二激光监测光路具有夹角。当天然气检测区1出现天然气泄漏时，具有夹角的第一激光监测光路、第二激光监测光路可限定天然气泄漏的范围。优选的，所述夹角范围为60°-120°，实验证明，此夹角范围确定的天然气泄漏范围较其他夹角范围更为准确，90°确定的范围最为准确。在本实施例中，所述夹角采用的角度为最优角度90°。

装置工作后，第一激光发射机2和第二激光发射机4分别向第一激光接收机3、第二激光接收机5发射出多道平行的不可见激光光束。第一激光接收机3、第二激光接收机5在接收到激光信号后就与第一激光发射机2和第二激光发射机4形成了一个完整的光通路，即覆盖天然气检测区1的“面监测”。天然气泄漏后，第一激光发射机2和第二激光发射机4发出的激光信号被泄漏的天然气遮挡或隔断，第一激光接收机3、第二激光接收机5接收到激光信号衰减或接收不到激光信号，第一激光接收机3、第二激光接收机5将会发送报警信号至检测主机7。此时第一激光发射机2和第一激光接收机3、第二激光发射机4和第二激光接收机5，它们收发激光的结果就会在天然气检测区1内形成了一个激光围栏，检测主机7通过查询分别与第一激光接收机3、第二激光接收机5匹配对射的第一激光发射机2和第二激光发射机4，找到相应的“经纬”交叉部，确定相应坐标范围，从而确定天然气泄漏的范围。应当理解的是，激光发射机和激光接收机在水平面或垂直面上的密度越大，其限定的天然气泄漏的范围越准确。

请参阅图3，为了能进一步精确确定天然气的泄漏点，本实施方式中所述装置还包括移动无源激光检测仪9，用于在检测主机7判定有天然气检测区1有天然气泄漏的情况下，对上述限定的天然气泄漏的范围进行天然气浓度检测。在本实施方式中，移动无源激光检测仪9同样为无源的激光探测体。

请参阅图4，本实施方式提供一种基于天然气泄漏检测装置的天然气泄漏检测方法，该方法起始于步骤S401，检测主机7触发激光激发模块激发激光信号，激光信号经过光信号输出接口、光缆后到达第一准直器，第一准直器将所述激光信号准直，形成平行激光光束。在这里，步骤S401可激发多道水平平行的激光信号或激发多道垂直平行的激光信号，水平平行的激光信号为多道平行的第一水平激光信号以及和第一水平激光信号垂直的第二水平激光信号（多道）。在本实施方式中，步骤S401激发多道水平和垂直平行的激光信号。

步骤S402，激光发射机发射所述平行激光光束，其中，所述平行激光光束的光路经过天然气检测区。

步骤S403，激光接收机接收经过天然气检测区的平行激光光束，此时，激光发射机与激光接收机之间形成完整的激光监测光路，即形成一条“线监测”。激光接收机接收此平行激光光束后，第二准直器将接收的平行激光光束准直，得到目标激光信号，并将此目标激光信号通过光缆以及光信号输入接口传送至光谱分析模块。当步骤S401激发多道水平平行的激光信号时，多条水平平行的“线监测”形成覆盖天然气检测区的“面监测”，又由于第一水平激光信号和第二水平激光信号垂直，即可形成具有坐标功能的“经纬面监测”。在此基础上，当步骤S401还激发多道垂直平行的激光信号时，即可在空间上形成具有坐标功能的“空间监测”。

步骤S404，分析所述目标激光信号的光谱，根据目标激光信号的光谱变化判断此“线监测”是否有被天然气遮挡或阻断，从而判定天然气检测区是否有天然气泄漏，并在判定有天然气泄漏的情况下根据相应激光发射点和激光接收点确定天然气泄漏的“线”、“面”以及“空间”方向上的坐标范围，从而限定相应的天然气泄漏的范围。与此同时，检测主机7还会发出报警信号，通知相关工作人员做好防爆工作。

在本实施方式中，激光光柱是无源探测体，甚至进入监控区域（即天然气检测区）的激光发射机和激光接收机均不带电，可以做到完全无源设备，测试距离在百米左右，完全符合LNG储罐的需求，能够解决背景技术中提到的问题。本领技术人员应该理解的是，其他类似的大型场所的天然气检测均可应用本发明的技术方案，还可以广泛的应用在厂矿企业、大型油田油库等需要重点加强监控、防范等所有室内外环境。当然对于其他需要监测的气体如CO，SO₂等，也可根据本发明的思想进行变换，属于本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种天然气泄漏检测装置，其特征在于，包括：结构安装机架、激光发射机、与所述激光发射机对应匹配设置的激光接收机以及设置在安全控制中心室的检测主机，所述激光发射机、激光接收机均通过结构安装机架安装在天然气检测区顶面的边缘上；所述激光发射机还包括位于激光发射光路上的第一准直器，所述激光接收机还包括位于激光接收光路上的第二准直器；所述检测主机包括激光激发模块、光信号输出接口、光信号输入接口以及光谱分析模块，所述激光发射机通过光缆连接检测主机的光信号输出接口，激光接收机通过光缆连接检测主机的光信号输入接口；

所述检测主机触发激光激发模块发射激光信号，所述激光激发模块发射的激光通过光信号输出接口后经过光缆被发射到第一准直器，经过第一准直器准直后形成平行激光光束；

所述激光发射机将所述平行激光光束向外发射，所述激光发射机发射的平行激光光束穿过天然气检测区后被发射至对应的激光接收机；

所述激光接收机接收对应的激光发射机发射的平行激光光束，所述激光发射机、激光接收机之间的激光监测光路形成监测天然气检测区的“线监测”，所述激光接收机接收的平行激光光束经第二准直器准直后通过光缆反射至光信号输入接口，并被传输至光谱分析模块；

所述光谱分析模块分析接收到的光信号的光谱变化，判定所述天然气检测区是否有天然气泄漏，并在判定有天然气泄漏的情况下根据相应激光发射机和激光接收机确定天然气泄漏的坐标范围。

2.根据权利要求1所述的天然气泄漏检测装置，其特征在于，所述激光发射机包括多个平行设置的第一激光发射机，所述激光接收机包括多个平行设置的第一激光接收机，所述激光发射机、激光接收机之间的激光监测光路形成监测天然气检测区的“面监测”。

3.根据权利要求2所述的天然气泄漏检测装置，其特征在于，所述激光发射机还包括多个平行设置的第二激光发射机，所述激光接收机还包括多个平行设置的第二激光接收机，所述第一激光发射机、第一激光接收机之间的第一激光监测光路与第二激光发射机、第二激光接收机之间的第二激光监测光路具有夹角。

4.根据权利要求3所述的天然气泄漏检测装置，其特征在于，所述夹角为90^。。

5.根据权利要求1所述的天然气泄漏检测装置，其特征在于，在所述天然检测区顶面边缘的垂直侧面上，设置有多组所述激光发射机和激光接收机。

6.根据权利要求1-5任一项所述的天然气泄漏检测装置，其特征在于，还包括移动无源激光检测仪，用于在判定天然气检测区具有天然气泄漏的情况下，对天然气泄漏的坐标范围进行天然气浓度检测。

7.根据权利要求1所述的天然气泄漏检测装置，其特征在于，所述激光发射机发射的激光波长为1.650μm、能量＞10mw和线宽2MHz。

8.一种采用权利要求1-7任意一项所述的天然气泄漏检测装置进行天然气泄漏检测的方法，其特征在于，包括：

激发激光信号，将所述激光信号准直，形成平行激光光束；

发射所述平行激光光束，其中，所述平行激光光束的光路经过天然气检测区；

接收经过天然气检测区的平行激光光束，将接收的平行激光光束准直，得到目标激光信号；

分析所述目标激光信号的光谱，根据目标激光信号的光谱变化判定天然气检测区是否有天然气泄漏，并在判定有天然气泄漏的情况下根据相应激光发射点和激光接收点确定天然气泄漏的坐标范围。

9.根据权利要求8所述的天然气泄漏检测方法，其特征在于，激发多道水平平行的激光信号。

10.根据权利要求8或9所述的天然气泄漏检测方法，其特征在于，激发多道垂直平行的激光信号。