采用分布式光纤传感器快速侦测和定位微量氨水泄漏

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1、 1 采用分布式光纤传感器快速侦测和定位微量氨水泄漏采用分布式光纤传感器快速侦测和定位微量氨水泄漏 R de Bont1 Daniele Inaudi2 (1. Yara France, 2. Smartec SA, Manno ,Switzerland) (2. 当氨水发生微量泄漏的时候，由于氨水的蒸发，会造成周边温度急速地下 降而被侦测到。这些局部的热异常现象可以通过能侦测温度变化的分布式 光纤温度感应系统可靠地侦测到。当氨水发生微量泄漏的时候，由于氨水的蒸发，会造成周边温度急速地下 降而被侦测到。这些局部的热异常现象可以通过能侦测温度变化的分布式 光纤温度感应系统可靠地侦测到。 引言引言

2、 在过去的几十年， 几次重大的工业事故使得化学工业和国家监管部门加强了 对设备安装安全性和保护性的测量。一些测量方法符合当地的法规，例如欧洲的 Seveso II条令。 化学物质（比如氨水）的泄漏，会成为有毒物质释放的源头。这些泄漏对安 装会造成严重的后果，同时对环境和附近的居民也会造成严重的影响。行业管理 部门促使采取一切可能的措施， 通过采取额外的保障措施来减少类似事件的发生 以及降低产生的后果。 2001年9月，图卢兹（法国南部城市）事件的悲剧性后果无论是从安全管理 的角度还是从城市规划的角度来看，都证实当初对风险的发生产生了低估。对于 安全管理而言，这次阻止这种灾难性事件发生的管理是不

3、够或者不足的。 从图卢兹事件之后，法国的立法在以下方面更详细了：有毒气体或者液体的 所有风险都必须进行评估， 包括管线的100%长度 （也就是说彻底防止管道破裂） 、 泄漏直径的10%范围、 开口的1%范围。 泄漏的持续时间从几秒钟到最少30分钟。 风险研究风险研究 在一个法国化肥厂中记录有200个可能的泄漏或者NH3、NOx容器罐损耗。 每一种状况都进行了故障树形图分析和危险与可操作性研究，以回答下列问题： l 什么会导致错误？ l 什么是不想发生的概率事件？ l 有没有预防屏障？（包括SIL分析） l 现存有哪些防止泄漏的技术和组织屏障？ l 这些防护屏障有效吗？ l 泄漏的后果是什么？

4、l 对于环境潜在的影响是什么？ l 最坏的后果是什么？ 2 风险研究的一个案例风险研究的一个案例 表1为法国SEVESO安全性研究的例子。 流出的流出的NH3 % 持续溢流时间持续溢流时间 （分钟）（分钟） 距离有死亡风险距离有死亡风险 的毒云距离的毒云距离 200 kg/s 100(断头破裂) 1 170 40 kg/s 10% 1 160 10% 30 465 4 kg/s 1% 30 125 表1 不同泄漏情况风险分析 表1中所列的情况为通过一条300mm直径的管道，在普通的天气条件下以 750吨/小时的速度（P = 3.5 bar, T = -33 C, 或者 P = 50 psig,

5、 T = -27 F）卸 载无水氨。最后一列表示致命性伤害发生距离泄漏点最大的距离。 本文的目的不是研究造成容器损耗的原因以及如何避免事故。 本文的目的是 研究如何尽快侦测和终止泄漏的发生。 考虑以下情况： l 终端管破裂可以很容易被工序（流体或者压力测量）侦测到，并且立即自动 紧急关闭设备。 l 更小的泄漏，如10%，不能被常规的工序装置侦测到。 l 由于氨水泄漏侦测延迟而排放30分钟是常见的情况，因为氨水气体探测器 可能会很远，或者不是恰好在风的方向。在其它的一些情况中，泄漏的侦测 依赖于运营管理人员，他有时不在现场。 法国立法法国立法 在化工行业，当且仅当满足以下条件时，设备与相关主要风

6、险被认为是可以 接受的： l 有两个独立的、合适的技术屏障（人工侦测被认为是不可靠的）用于防止风 险的出现。 l 考虑到只有一套技术侦测系统在工作， 剩下的可能性也可以接受 （10-5） 。 l 厂外后果不会造成不可逆转的影响。 如果风险对工厂外会产生后果，可能需要增加与城市间的距离，这个可能包 含征用以及相关的高额成本。 挑战生产基地挑战生产基地 2010 满足两个独立的技术屏障的要求是一个挑战。 我们需要找到一项可信赖的技 术，加入到现有的氨气侦测器，它可以在非常短的时间（通常为20-30秒）内侦 测到微量的氨水泄漏。 3 什么是微量氨气什么是微量氨气(NH3)泄漏？泄漏？ 安全事故是指无

7、水氨的微量泄漏对工厂外面产生影响。 对工厂外面产生后果 意味着每秒可能有几千克的泄漏。而在职业安全中，微量的释放是很少的，只有 每秒几克。 分布式光纤温度传感分布式光纤温度传感 传感原理传感原理 分布式光纤温度传感技术的最新发展提供了一个经济的工具， 可以高分辨率 （通常为每米）地监测很长的距离（好几公里）。采用数量有限的非常长的传感 器能快速地监测管道的性能，费用合理。 与电子点式光纤传感器不一样，分布式传感器有独特的能力，能沿着整个长 度范围测量温度。这项能力使得可以用一根传感器进行成千上万个点的测量。分 布式光纤传感器最先进的技术是基于拉曼散射原理。 这些系统利用了光和玻璃纤 维间的非线

8、性相互作用。如果光线以众所周知的波长进入玻璃纤维，沿着玻璃纤 维的每一个点只有非常少量的光会散射回来。 除了原有的波长（称为瑞利组件），散射光中包含的波长是不同的形式的原 始信号 （称为拉曼和布里渊组件） 。 这些转换的组件包含了纤维的局部特性信息； 特别是拉曼峰值的强度显示了很强的温度依赖性。当光脉冲用于查看纤维时，它 变得可能了，采用一项类似于雷达的技术，通过不同的散射光传播时间分辨出沿 着感应纤维的不同点。 整合了雷达技术和返回光分析，可以获得沿着纤维的完整的温度剖面。通常 可以用一条最长为30km的纤维获取每一米的温度读数。在这种情况下，我们可 以说分布式传感系统的测量范围为30km，

9、空间分辨率为1m。 基于拉曼散射的系统通常表现出的温度分辨率大约为0.1， 扫描测量时间少于10秒。 图1为拉曼询问仪 4 图1 分布式温度传感询问仪 组件组件 分布式温度感应系统的常用组件如下： l 沿管道安装的传感光缆（请见图2） l 询问仪（请见图1） l 多路复用器使得可以用一台询问仪测量多根光缆， 或者为了提供光缆两端询 问冗余。 l 带有自动泄漏侦测和系统功能确认（校验测试）的数据分析软件 l 继电器模块用于将报警信息传递给另一个工厂的系统（例如，启动自动紧急 关闭过程）。 l 用户界面显示了泄漏发生的准确位置（请见图3）。 5 图2 分布式温度传感光缆 图3 用户界面显示了多个事

10、件发生的位置，例如，泄漏 泄漏侦测泄漏侦测 通过分布式光纤传感器进行泄漏侦测的基本原理是基于一个简单的理念， 即 沿管线某一位置发生泄漏，泄漏点管线附近的温度分布就会发生改变。温度的改 变可以定位于空间（泄漏位置附近几米）和时间（泄漏开始的时间）。这个原理 使得泄漏的侦测变得很容易实现。 管道周围温度变化的根源取决于管道的类型和 它的周围环境。 地面管道发生氨水泄漏时，主要的影响如下： l 氨水泄漏的液体成分使温度下降为-33C，并且通过滴下、溅起、喷雾直接 打湿了传感光缆， 引起了记录温度的下降。 l 氨水泄漏的气体成分形成了冷焰，也会冷却传感光缆。 l 氨水泄漏的部分气体成分在管道和光缆表

11、面凝结，产生了另外的液相。 l 泄漏同样也会造成管道自身温度下降，这个也会传输到传感光电缆中。 需要注意的是，如果环境温度接近于-33，液态氨水的蒸发是有限的，气体的释放将会很少，侦测将会很难，但是在这些情况下，对环境的影响就很小了。 知道了上述的影响，可以确定将合适的传感光缆安置在管道周围。建立相同 的系统可以用于埋设氨水管道的泄漏侦测， 因为在这种情况下也会产生局部的温 度下降。然而这种情况没有在现有的条件测试中进行分析。 6 可靠性和适用性可靠性和适用性 对于关键业务应用例如氨水泄漏侦测， 可以用几个方案以保证这套系统的可 靠性和较高的适用性。光纤总是被安装在护套内以便对其进行保护，同时

12、确保最 小可能的绝热。其它增强可靠性和适用性的方法如下： u 采用一个回路的光缆，传感光缆的两端连接到询问器不同的通道。如果光缆 发生了破坏，可以在破坏点上测量温度。如果在光缆两端形成回路了，管道 的全长仍然可以被监测道，尽管有单一的破坏点。 u 采用包含多根光纤的光缆，确保如果一条光纤被破坏了，其它的仍然可以使 用。 u 沿着同一管道采用多根光缆。 u 采用两个询问器连接同一条光缆的不同光纤或者连接不同的光缆。这样做也 可以实现选择询问器以最优化可靠性和适用性，并且减少错误警报（请见图 4）。 图4 使用两个询问器和回路光纤建立的冗余装置 其它用途其它用途 分布式温度传感技术已经应用了15年

13、，用于监测其它的工业和民用建筑包括： l 埋设的石油管道 l 埋设和架设的燃气管道 l 重整反应器的热点 l 大坝和堤坝裂缝 l 输电线路发热点侦测 l 隧道、船舶、建筑内的火灾侦测 技术验证技术验证 短期和长期测试以及试验，确认该项技术可用于氨水泄漏侦测，以及对现存 的化肥厂环境适用性进行评估。 现场泄漏模拟试验现场泄漏模拟试验 在法国勒阿弗尔Yara工厂的现场开展了几个试验。这些试验包括将液体氨 水注入到装有光纤传感器的管道中，通过系统测量核实温度的下降。在这个试验 中，1kg氨水被注入到0.5m长的管道中，时间持续1分钟（请见图5）。 7 图5 氨水注入试验 图6显示了测量系统在泄漏位置

14、记录的温度下降。在所有记录的试验中，温 度在20秒内下降了5C、1分钟内下降了10C。这个反应与管线输送产品时出现 的正常温度变化是有区别的，表现在以下这些方面： l 相对于开始输送氨水时的记录，泄漏的温度变化速率更快。 l 运营变化，例如氨水开始输送，温度一致地影响管道的较长范围，但是泄漏 只影响管道的很小的一部分。 同样也在管道盖上冰时进行了测试，可以看到氨水迅速将冰融化，然后接触 到传感光缆（光缆开始时被冰覆盖）。 8 图6 两次氨水泄漏试验和一次管道重新开始记录的温度下降 实验室泄漏模拟试验实验室泄漏模拟试验 在法国INERIS实验室（隶属于法国环境部）内进行的一系列试验中，系统 的性

15、能在真正的管道泄漏前进行了评估。 这些测试是核定现场测试结果所必需的 换句话说，所需的温度下降也可以在实际泄漏条件下产生。 试验由一段管道组成，管道上含有一个相当于5%长度的切口。管道内的无 水氨压力为7bar，打开快速排放阀后切口产生的泄漏为38-45 g/s。高速红外摄 像机用于捕捉泄漏的动态以及温度变化情况。 垂直和横向裂缝都被安置在管道下 的光缆测试到。 试验表现出了快速的温度下降，超过10 C/分钟，很容易被系统侦测到。高 速视屏图像显示光缆上没有很明显的氨水喷雾或水滴， 因此温度下降的主要原因 是因为管道上和传感光缆上氨气团以及它的凝结和蒸发。 在图7中可以很清楚地看到两次温度下降

16、，泄漏开始后20秒采集的，因为回 路配置用于传感光缆。光缆在泄漏区域通过了两次，离开仪器和返回仪器。 9 图7 泄漏测试中距离与温度关系图 无泄漏的表现无泄漏的表现 为了评估正常工厂运营时出现的温度变化，没有氨水泄漏，一套感应系统被 安装在用于货车装运的管道上。这种类型的管道会频繁发生温度变化，因为运营 过程中会经常开-关。这种情况产生了复杂的温度图像，与生产输送管道内的持 续流进行了对比。 在一个跨越了夏季和冬季的测试周期内， 250m长距离管道每隔10s采集一 次数据。数据采用统计学的方法进行了分析，发现两次测量的最大温度变化为 2.5C，远低于泄漏情况下观测到的猛烈变化。因此用这套系统在正常运营条件 下不会触发虚假警报。 图8显示了测试结果， 包含在测试阶段末尾进行的一个泄漏模拟测试的情况， 这个明显超过初始值。 10 图8 无泄漏最大日变动率，测试结