气体探测（精选七篇）
气体探测 篇1
近年来, 我国国内也发生了许多类似的可燃气体泄漏事故, 典型的2006年3月13日, 我国某化工集团在山东的可燃气体池渗漏、爆炸, 事故当场造成2人死亡, 超过10人受伤, 事故直接经济损失高达40多万元;2010年7月28日在南京某塑料工厂也因为可燃气体管道破裂漏气, 导致火灾, 直接导致一些人员的死亡;在国外, 也有类似的事故, 2013年7月29日, 佛罗里达类似可燃气体爆炸发生, 丙烷装置称为“蓝色犀牛”的天然气泄漏爆炸, 现场7人重伤。可以看出, 尽管所有的企业和人员理解可燃气体的危险, 但总是难以避免事故。因此, 对于可燃气体的安全问题变得更加严重, 无论在可燃气体的存储还是气体运输车辆, 必须建立安全可靠的安全应急措施, 可以通过安全、先进、可靠的检测设备, 协助完成预防, 完全消除危险, 确保国家和人民的人身和财产安全。
可燃气体报警系统便是屈于这样一类能够自动监测可燃气体安全性的工具。在《屮华人民井和国强制检定的工作计量器具目录》中, 在计量器具管理类别中, 明确地将可燃气体报警控制器纳入之内, 这种控制器的特点是构造简单, 操作方便, 无污染。但根据国内电流控制器的现状, 大量的可燃气体报警控制器使用很长一段时间, 线老化, 甚至一些技术从来没有国家测试标准, 导致了主动报警正确性非常不稳定, 带来了潜在的危险。因此, 借助先进的技术来开发一个稳定的性能和可靠的监测可燃气体在控制系统是十分必要的。在这样的背景下, 本文的新型可燃气体报警控制系统开发就显得尤为有重要。
2 可燃气体的探测报警系统及其工作的原理
2.1 可燃气体的探测报警系统
所谓的可燃气体的检测报警系统归属于火警的报警系统这一类, 其具有火灾的报警系统以及单独的子系统的功能。可燃气体泄漏的预警系统的组成主要包括:可燃气体的探测器、可燃气体的报警控制器这两大方面, 探测可燃气体的感应器的报警条件就是通过对声、光等相关的报警信号的接受, 之后对报警器发送出一个报警的指令, 之后报警的信息设备会将报警的相关信息进行记录并保存。探测可燃气体设备对于可燃气体的泄漏是可以应对自如的, 对可燃气体的报警以及控制设备能够自动。
2.2 系统的工作原理
发生可燃气体泄漏, 现场安装的探测器上的保护区可根据可燃气体泄漏的浓度参数将其转化成电信号, 系统再通过对给出的电信号进行分析以及处理, 将相关的信息通过报警控制器进行传输;若超出了警戒的范围, 探测可燃气体的系统的内部网络系统会向消防部门直接发出火警信号。报警系统自动会生成燃气泄漏的主要物质、浓度、报警时间、范围等相关信息。同时, 现场安装的报警装置, 会发出报警的信号, 警告人员采取相应措施。
2.3 系统适合可用的场所
检测可燃气体的报警系统的主要用途就是当发生聚集或产生可燃性的气体或者是可燃性液体的蒸气在发生爆炸之前发出相关的警报, 让人们有充分的时间逃离现场或者采取相关的措施, 从而减少财产、生命的损失。
3 探设计测可燃气体报警系统的思路以及原则
3.1 设计的思路
探测可燃性气体机器可以将环境李可燃气体的浓度进行检测, 并具有相关的报警防盗功能, 组成报警器的主要构件有:探测外部气体的信号器, 探测信号的处理分析电路、控制单片机的电路、内部电路。从外部将电源的转换器进行接入, 系统就能获得稳定的电源, 并使用安全门和安全隔离将危险的地方。外部气体探测的传感器探测到可燃气体后, 探测器将浓度信号传输到分析处理电路。然后让单片机的模拟信号器把电子信号转化为可识别的信号。然后将信号转成可燃性气体浓度的信息, 最后通过显示器和警报器发出预警的信号。以上是基于探测器的功能应该提出设计理念。气体传感器和单片机的两个核心是可燃气体探测器, 根据系统功能的需求, 选择合适的可燃气体传感器和单片机是非常重要的。
3.2 设计的原则
检测可燃性气体的报警系统是单独的一个子系统, 归类到了火灾的预警系统里面, 独立的探测器可以很好的连接到报警的控制器上面, 而且探测器直与火灾报警的电路能够直接相连接, , 这样就确保警信号能够与火警的自动报警系统相连接。这样就确保了报警的信号传输能够传输到消防的控制室里, 显示装置的位置或实际的具体情况, 并结合报警控制器, 对显示的火警信息作出快速的反应。石化工业可燃气体探测器的设计要求更加严格, 控制器必须能够访问控制系统, 自动报警系统产生的报警信号要能连接到消防控制室。在一个预警单元中通常有一个独立的可燃气体检测报警系统。但可燃气体探测器的火灾探测报警系统不能接入总线, 主要的原因有以下几点:
(1) 探测可燃性气体的机器功耗比较的大, 将总线接入后会对其工作的稳定性造成一定的影响
(2) 探测可燃性气体的机器一般寿命能够使用3到4年左右, 若期效过后会对总线探测火灾的机器产生一定的影响。
(3) 可燃性气体的泄漏预警系统装置和火灾的报警信号在含义以及性质方面都是不相同的, 需要用不同的线路对其来进行划分。
3.3 主要的监测指标
(l) 传感器的类型:所用传感器为燃烧式催化气体的传感器;
(2) 检测的范围:大约为O到100%LEL的范围;
(3) 报警的准确度:准确度大约在±5%LEL左右;
(4) 报警点的设置:报警点为20%LEL, 达到相应报警点就自动报警;
(5) 工作的方式:工作以自然扩散的方式对气体进行相关采样, 工作时间可常年的连续性运行;
(6) 低温的性能:温度在零下40℃士2℃的环境里探测器可以正常的工作。
(8) 高温的性能:在O℃的温度探测器ZOCI所有环境应该能够正常工作, 警察行动值和报警设定值LEL只差不应超过10%。
(9) 湿度的性能:温度在2℃、40℃湿度大约为90%至95%的环境下探测器能够正常运行。
(10) 稳定性时间长:在正常的环境条件下探测器能够连续28天运行且不应该有故障以及错误报警发生。
(11) 安全:在出现故障的时候或者发生火花时探测器不会发生爆炸。
(12) 报警的方式:可燃性气体的泄漏声音以及警示灯光的报警, 自我诊断后发现故障的报警
(13) 显示模拟量:能够显示出可燃性气体所测试出的浓度以及人工所设定的报警值。
(14) 工作的电压:其工作的电压为22OV
4 探测可燃性气体的机器设定的参数
(1) 建议最好是选用催化式燃烧型的检测器;
(2) 在使用站点具有少量的空气可以引起砷中毒等相关介质的, 就要选择耐毒性的探测器;
(3) 对于检测氢类型气体的地方最好选用电化学性质的探测器, 其报警的上限值应≤25%LEL;二级报警的上限值应该≤50%LEL;
可燃性气体的显示发生错误的范围应该在0~100%LEL±5%LEL之间。
5 结论
可燃性气体探测器的性能安全可靠便会对我们的生产生活具有非常重要的影响, 它能及时地向正常进行生产生活活动的人们提供火警信号, 让人们能够及时的逃离事故现场, 减少人身受到的伤害和避免人员伤亡情况发生, 可以有效降低因泄漏而产生爆炸事故的发生率。它是21世纪在可燃气体易泄漏场所、车间等地方保证安全生产所必备的仪器。
在本文中, 笔者对可燃气体探测预警系统进行了深入研究。整合国内外技术手段, 选择更合理的系统设计方案, 各部分的设计进行了详细的分析和介绍, 希望相关人员获得有用的价值, 促进行业的健康有序发展。
摘要：近年来, 我国石油和化学工业已经取得了很大的进步, 在工业生产活动中, 越来越多的生产环节涉及易燃易爆气体。因此无论是在使用的过程中或在运输的过程中, 必须考虑其安全性, 但由于操作不当或管理不善, 在使用的过程中若出现泄漏, 气体混合后暴露在空气中, 高度演变成致命的爆炸混合物, 引起火灾, 给国家、企业和人民生活造成严重威胁。
关键词：可燃气体,泄漏监测,易爆品
参考文献
[l]卢文科.电子检测技术[M].北京:国防工业出版社, 2002:114一137.
[2]陈连生.可燃性气体探测器及其设置安装要领.石油工程建设出版社, 1996.
海上设施气体探测器应用探讨 篇2
在海上油气工业中, 处理输送的介质原油本身含有在常温常压下挥发成为气体的轻组分, 有部分含硫原油在硫酸还原菌的作用下生成H2S, 原油的处理设备有可能产生CO和H2等气体。这些气体有些正常生产时是被限制在密闭的系统中, 如可燃性气体;有些在设备正常工作时散逸到空气中, 如电池房的H2。散逸泄漏气体的种类不同, 气体泄漏点的周围设备布置、空气流动和气候条件也可能有很大的差异, 同时不同测量原理和型式的气体探测器对快速响应气体泄漏的适用范围存在很大的不同, 因此油气行业需要不同原理和不同型式的气体探测器。本文讨论的是空气环境中的有毒/可燃气体的检测, 不涉及到过程气体的分析测量。
我国海上石油工业的设施一般对有毒和可燃气体的检测比较重视, 对于生产区域一般都设有数量不少的可燃气体探测器, 并且这些探测器一般都接入了紧急关停系统, 对这些系统都有比较完善的维修维护程序并定期进行校验。在实际使用中有过不错的效果, 但是, 也有为数不少的气体泄漏没有被探测器检测到。海上油气设施作业在一个开放和封闭并存的环境, 高低错层, 存在多种有害气体和气体泄漏环境条件及潜在的气体聚集条件, 不同的作业和环境条件均有可能影响气体检测的可靠性。设施上可能存在使探测器传感器中毒的气体 (如, 交叉敏感或者非特定气体) 。此外, 海上平台上部模块的大小设备布置不同、通风条件不同, 经常使探测器的布置非常困难。这意味着探测器的有效性得不到保证。根据国外有关文献[1]对1992~2004年间记录数据统计的分析, 在海上石油行业, 在所有的气体泄漏中有44%、大量气体泄漏 (注:泄漏气体可以喷射10 m远并且持续时间大于5 min为大量泄漏) 中有38%未被现场的气体探测器检测到。因此需要对气体探测器的位置选择、选型、安装和日常维护重新进行审视, 以进一步提高可燃气体探测器的有效性。
1 海上平台气体泄漏的种类、特性以及潜在的泄漏源
在海上平台的生产作业过程中, 可能的泄漏气体种类简要描述如下:
碳氢类气体 (可燃气) :这是一种可燃性气体, 可能发生在常压下的散逸或从有压力的密闭系统中泄漏出来。密闭系统中发生泄漏可能的原因有:腐蚀、侵蚀、磨损、制造缺陷、井口压力以及安全仪表系统失效等;其他可能原因包括正常作业情况下的放空、操作者的失误和第三方损坏 (如撞击等) 。泄漏可能发生在工艺处理流程所在的上部模块或者位于海底, 以井喷或者井涌的形式逸出, 或者从海底管道和阀门处泄漏。有几个特定的区域, 如钻台、井口采油树处、泵和压缩机的机械密封附近以及管汇油嘴处, 泄漏的可能性较大, 一般这些地方都安装有固定式气体探测器。
石油在开采过程中常常有伴生天然气, 其主要成分为甲烷, 甲烷的LEL (爆炸下限) 较低, 为5.0%, 按照《作业场所环境气体检测报警仪通用技术要求》 (GB 12358—2006) , 设有两级报警的可燃气体报警器, 第一级报警的设定值应小于25%LEL;第二级报警的设定值小于50%LEL。伴生气较多的设施和油田, 天然气通常用来燃烧发电和给压缩机和泵提供动力, 无法处理的多余天然气出于安全原因被送往火炬燃烧。
H2S气体泄漏和逸出:这是一种在生产气体中伴生的极其有毒的气体。在《职业性接触毒物危害程度分级》 (GBZ 230—2010) [3]中, 它属于II级即高度危害类别。它常常和天然气一起从井底溢出。在空气中即使存在相当低浓度的H2S也可能致命, 因此在有可能存在H2S的设施上, 安装H2S探测器, 连续性检测空气中的H2S气体浓度, 确保人员在工作场所的安全。在可能存在H2S的海上石油平台, 一般在钻台区域以及生产水排海的沉箱处安装相关的探测器。
硫化氢为无色气体, 在低浓度时有臭鸡蛋味。这使得人员有可能及时觉察到空气中H2S的存在, 但这同时也是极不可靠的, 原因在于人的嗅觉很容易钝化而感觉不到;H2S在高浓度情况下, 很短的时间人就会失去知觉甚至死亡。国家标准《工作场所有害因素职业接触限值-化学有害因素》 (GBZ 2.1—2007) [4]中给出的H2S的MAC (Maximum Allowance Concentration最高容许浓度) 值为10 mg/m3;按照《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》 (GB 50493—2009) [5], 有毒气体的报警设定值宜小于或等于100%的最高容许浓度/短时间接触容许浓度, 当试验用标准用气调制困难时, 报警设定值可为200%的最高容许浓度/短时间接触容许浓度以下;美国仪表学会在文献[6]中要求, H2S报警仪的报警预设值在OSHA-PEL[7] (PEL:Permissible Exposure Limit, 允许暴露限制, 为10 mg/L;短时暴露限制为15 mg/L, 极限值为50 mg/L) 值或以下, 并且可调范围不得高于IDLH (IDLH:Immediately Dangerous to life or Health concentration, 直接致害浓度, 为300 mg/L) 的一半。考虑到上述相关的规定, 在条件许可时, H2S的报警值设定为10 mg/L或者10 g/m3比较合适。
二氧化碳 (CO2) 泄漏:CO2泄漏在密闭空间, 浓度较高时比较危险。CO2通常来源于石油和天然气的燃烧发电和驱动压缩机或泵, 以及测井和生产期间放火炬燃烧多余的天然气, 天气条件不良时容易聚集CO2。在国家标准[4]第6页中规定的PC-TWA (Permissible concentration-time weighted average, 时间加权平均容许浓度) 为9 000 mg/m3, PC-STEL (Permissible concentrationshort term exposure limit, 短时间接触容许浓度) 为18 000 mg/m3, 或者1%。
一氧化碳 (CO) 泄漏:这是一种高毒性气体, 来源于化石燃料的燃烧发电和驱动压缩机或泵, 也有在测井期间放火炬燃烧多余的天然气, 主要由于燃烧不完全产生。在国家标准[4]第15页中规定一氧化碳的PC-TWA和PC-STEL分别为20 mg/m3和30 mg/m3。
2 气体检测的原理和特点
海上平台气体检测系统用于检测区域的有害可燃性气体的浓度达到不可接受的水平时及时报警, 从而防止事故发生。
在海上石油设施上常用的气体探测器原理和应用限制见表1[8]。
每种气体探测技术都有各自使用的操作条件和环境限制, 除此之外, 气体探测器的覆盖范围是需要考虑的关键因素。每种探测器基于其型式和检测原理的不同, 适用领域也不同, 其优缺点见表2。
不同测量原理和型式的探测器适用的监测范围也不一样。点式的探测器, 包括电化学, 红外式和催化燃烧式的探测器, 经验表明最合适的监测范围为0.5~2 m, 在实际的应用中, 它们被安装在潜在的气体泄漏点附近;超声波探测器, 根据其灵敏度的不同其监测半径也有所不同, 可以达到12 m;开路式红外和红外云成像的监测范围可以更广, 开路式红外的监测距离可以达到10~100 m, 而红外云成像可以达到100 m以上。图1给出了不同原理和型式的探测器的粗略探测范围。
3 海上设施气体探测器应用现状
在目前我国海上设施可燃气体报警器的应用中, 生产区和钻台安装的可燃气体报警器一般和紧急关停系统直接联动, 在满足设计的逻辑条件时, 检测到“认为”有可燃气体泄漏, 会关停生产和放空等;生活区的可燃气体报警器有的设计采用延时关停生产的逻辑。这些是由于海洋石油在开发初期采用国外的设计, 整体的可燃气体监测设计比较齐全, 一般采用进口品牌产品, 可靠性也比较高;由于和生产联动, 维护也比较到位。
海上设施可燃气体探测器的应用也存在一些问题, 主要是在设计上, 大多依靠现有的使用经验;一般按照同一种气体设计, 在同一区域采用同一种型号的探测器, 同时安装在靠上方或者下方。一般而言, 由于泄漏的气体是一个混合物, 同时含有轻重组分, 而每一种探测器均有其使用的局限性, 这样可能会导致探测器检测不出部分情形下的气体泄漏。
4 关于海上设施气体探测器应用设计的建议
根据相关的统计结果, 单一类型的气体探测器均有其使用的局限性, 导致相当部分的气体泄漏未被检测系统检测到。在海上设施中, 应该组合使用不同类型的探测器, 充分考虑在具体设备布置条件下不同的泄漏情形和不同天气情况下对泄漏气体的扩散影响, 在设计中合理选择探测器的型式、数量和安装位置。
海上设施的可燃气体和有毒有害气体探测器的设计涉及到设施的安全、消防和设施人员的健康安全, 但是, 目前国内没有相关的海上石油设施可燃气体和有毒气体检测的设计规范, 仅依靠现有的使用经验和借鉴相关行业的规范。因此, 建议有关部门尽快着手收集整理相关的规范要求, 并结合实际情况, 制订可燃气体和有毒气体检测规范, 更好地指导和规范其在海上设施的选型设计应用。
摘要：在海上油气工业的设施上, 有毒有害和可燃气体的泄漏是一个非常危险的因素, 如果不能及时监测发现并采取适当的控制处理措施, 有可能造成严重的灾难性的后果。因此, 在海上石油工业的设施上, 安装合适的气体探测器, 及时准确地检测到空气中可能存在的有毒有害和可燃气体或者气体的泄漏, 以提醒操作人员及时采取措施或者紧急关停系统自动执行相应操作, 对设施的安全以及人员的安全和健康具有十分重要的意义。
关键词：海上平台,可燃气体,有毒气体,探测器
参考文献
[1]Dr.AMThyer.Offshore Ignition Probability Arguments, Report Number HSL/2005/50.Technicial report, Health and Safety laboratory, Buxton, 2005.
[2]GB 12358—2006作业场所环境气体检测报警仪通用技术要求[S].
[3]GBZ 230—2010职业性接触毒物危害程度分级[S].
[4]GBZ 2—2007工作场所有害因素职业接触限值-化学有害因素[S].
[5]GB 50493—2009石油化工可燃有毒气体报警规范[S].
[6]ISA—92.0.01 PartⅠ-1998 Performance Requirements for Toxic Gas-Detection Instruments:Hydrogen Sulfide.
[7]OSHA-PEL https://www.osha.gov/dsg/annotated-pels/tablez-1.html.
气体探测 篇3
(1) 小车操纵性能好, 可根据需要到达目标环境探测甲烷浓度。
(2) 测量精确和灵活, MQ-2气敏元件灵敏度可调, 反应速度快, 易于在不同环境下的测量。
(3) 不必接触被测环境, 可通过手持式终端直接观测被测环境的甲烷浓度值。
1 总体设计方案
本设计包含两个子系统:基于单片机的甲烷浓度检测和无线传输系统。系统结构如图1所示, 由两部分组成, 发送部分安装在红外遥控小车上, 接收部分制成手持式终端。发送部分由气体浓度传感器MQ-2、A/D转换芯片AD0804、单片机STC89C52和无线模块nRF24L01+组成, 接受部分由无线模块nRF24L01、按键、单片机STC89C52和液晶显示屏LCD1602组成。在发送部分, 气体浓度传感器检测甲烷浓度输出模拟信号, A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号输出给单片机, 单片机将信号传输给无线发送模块。在接收部分, 通过无线模块接收到现场送到的信号, 单片机处理信号并将信号显示在显示屏上。
基于单片机的红外遥控小车系统结构如图2所示, 由两部分组成, 红外遥控器部分和小车部分。红外遥控器部分由一些电路组成。小车部分包含除前文系统中提到的发送部分以外的全部小车组件:小车组件 (底盘、车轮、电机) 、电机驱动模块L298N、单片机STC89C52和一体化红外接收头HS0038。在红外遥控器部分, 按下遥控器按键, 遥控器发出一串二进制代码。在小车部分, 给小车上电, 一体化红外接收头接收到红外信号, 送到单片机进行解码, 单片机控制驱动模块, 驱动小车电机, 小车行走。
2 硬件设计
2.1 甲烷浓度检测模块
甲烷浓度检测头MQ-2是一种气敏元件, 上电时, 气敏元件内的电阻丝加热, 加热到一定温度, 甲烷浓度检测头开始正常工作。RL是用来调节元件灵敏度的, 当调到一个合适的电阻值, 检测头检测到的甲烷浓度会更加精确。RL端输出模拟量, 送给A/D转换芯片进行模/数转换[1]。电路连接图如图3所示。
2.2 无线传输模块
无线模块nRF24L01是工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。输出功率频道的选择和协议的设置可以通过SPI接口进行。几乎可以连接到各种单片机芯片, 并完成无线数据传送工作。特点是极低的电流消耗:当工作在发射模式下发射功率为0d Bm时电流消耗为11.3m A, 接收模式时为12.3m A, 掉电模式和待机模式下电流消耗更低。发送端单片机控制无线模块将数据传送, 接收端单片机控制无线模块将数据接收并根据按键是否被按下判断是否处理接收的数据。电路连接如图3-4所示。
2.3 红外遥控模块
当按下遥控器的按键时, 遥控器将发出一串二进制代码, 为一帧数据。根据各部分的功能。可将它们分为5部分, 分别为引导码、地址码、地址码、数据码、数据反码。遥控器发射代码时, 均是低位在前, 高位在后。引导码高电平为4.5ms, 低电平为4.5ms。当接收到此码时, 表示一帧数据的开始, 单片机可以准备接收下面的数据。地址码由8位二进制组成, 共256种。在同一个遥控器中, 所有按键发出的地址码都是相同的。数据反码是数据码的各位求反, 通过比较数据码与数据反码, 可判断接收到的数据是否正确。在同一个遥控器上, 所有按键的数据码均不相同。接收方法是用一体化红外接收头, 它将红外接收二极管、放大、解调、整形等电路做在一起, 只有三个引脚, 分别是5V电源、地、信号输出。信号输出接单片机的INTO或INTl脚, 此设计中接的是单片机的P3^2。红外遥控器发射出红外信号, 红外一体化接收头接收到红外信号, 将其转换为电平信号, 传送给单片机进行解码, 从而识别发送信号, 操纵小车[2,3]。电路连接如图5所示。
2.4 单片机处理模块
STC89C52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器[4], 具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核, 但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上, 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash, 使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。本设计的主体控制程序均使用STC89C52为载体, 共使用3块STC89C52芯片, 其用法分别如下:
(1) 甲烷浓度数据处理与发送模块:根据气体浓度传感器和无线模块 (发送模式) 的工作要求和时序编写程序, 实现模块检测甲烷浓度的功能。
(2) 甲烷浓度数据接收与显示模块:根据无线模块 (接收模式) 和液晶显示屏的工作要求和时序编写程序, 实现模块显示甲烷浓度的功能。
(3) 红外数据接收与驱动控制模块:根据红外一体化接收头的工作要求和时序, 以及L298N的工作要求编写程序, 实现对小车的控制和驱动。
3 系统软件设计
根据结构化程序设计的要求, 采用模块化和结构化编程[5]。根据这一要求以及系统的功能要求, 程序流程图主要为红外遥控小车操纵流程图和甲烷浓度探测流程图。
3.1 红外遥控小车操纵程序
如图6所示, 红外遥控发射器发出红外信号, 接收端接收红外信号并转化为电信号送至单片机处理, 单片机响应中断, 解码识别信号, 操纵小车, 如果没有接收到红外信号, 单片机将继续等待中断。
3.2 甲烷浓度探测程序
如图7所示, 气敏元件探测目标地点的甲烷浓度后通过无线模块将数据传送给手持式终端的无线模块, 只有当单片机检测到按键被按下时, 终端才会处理数据并显示甲烷浓度值。
4 结束语
研究设计了一种用于近程甲烷浓度探测的红外遥控小车, 实现了非接触式的近程甲烷浓度的精确测量。本系统通过遥控器操纵小车, 通过手持式终端观测目标危险区域的甲烷浓度值, 操作非常简单, 这些特点克服了传统手持式甲烷浓度测试仪的诸多不便。具有甲烷浓度探测功能的红外遥控小车, 以其优越性, 解决了日常生活和工业检测等领域的问题。
摘要：为了解决煤矿坑道口和沼气池等近程的甲烷浓度探测不安全的问题, 设计一种用于甲烷浓度探测的红外遥控小车, 操纵小车, 采用灵敏度可调的气敏元件MQ-2探测目标甲烷浓度, 通过单片机和无线收发模块, 在手持式终端上显示甲烷浓度。该探测小车具有非接触、响应快、测量精确等优点, 方便用于日常生活、工业检测等。
关键词：甲烷浓度探测,红外遥控,手持式终端
参考文献
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英国宽频含氟化学气体红外探测器 篇4
对含氟化学气体的有效监控和探测是必不可少的。含氟化学气体不仅损害环境, 而且其毒性对人体健康也将产生损害。该气体通常用于制冷系统与空调、热泵、气溶胶、消防器材、高压电与气体绝缘开关装置。英国某公司研发出宽频探测器, 可探测到广范围的含氟化学气体。该探测器坚固耐用、易于安装, 可连接至任意接收模拟信号的控制系统。
该探测器的特点包括以下方面:
(1) 具备优良的红外传感技术, 能够提供快速、稳定、可靠的长久保护。不受温度或湿度变化的影响。 (2) 具有LED指示灯, 三色LED指示灯可显示探测器运行状态, 并且使用功能键即可方便调整与校准指示灯。 (3) 信号可选择性。模拟输出信号可设置为4~20 mA、0~20 mA、0~2V、0~5V或0~10V, 可与任何控制系统兼容。 (4) IP54级的外壳为防尘防水提供了良好保障。
气体探测 篇5
1 研究背景介绍
1.1 超声波的物理原理
超声波及频率高于人耳可听到的范围的声音。耳朵的反应是对数的, 并且正是这种非线性响应可以使我们听到大范围频率的声音。分贝单位符号可更容易地比较不同声音的水平, 可使用如下贯穿于此文的对声音压力水平 (SPL) 的定义, P为参考声压, 取值20pPa, 并且P为实测声压。
所以一个20μP a声音的强度相当于0db, 一个40μPa的声音相当于6 db, 依次类推。超过人耳可响应的声压波频率的范围依个人情况而有所不同, 一般来说约为30Hz到20KHz, 超过这个范围, 人耳就听不到了。
1.2 超声波的特性
与水波不同, 水波的个别分子做垂直运动, 而总体上波是水平运动的, 声波沿着传播的方向做纵向运动以传递能量。此外, 声波是机械压力波而不是电磁波。声波的物理特性与电磁波完全不同, 可听见的声音 (如330m/s, 1k H z, 33c m) 的速度、频率和波长通常比可见光 (如3E-Sm/s, SE+14Hz, 600nm) 要小106或107。
声压的速度不像光速, 它不是个绝对值, 而是随着强度和压力的变化而变化。这就是为什么声速的值通常是相对于一些基准点不同而不同的, 如海平面。表1显示了不同媒介下的不同声速。
从经典的波纹理论来看, 以下的公式适用于一个等方性媒介的波传播。
v为速度, υ为频率, λ为波长。
因为声音频率增加到了超声波范围内, 所以波长从米降为厘米。基于此, 波长与泄露源的尺寸在同一数量级上。经典波理论表明只有在波长远大于泄露源的时候, 衍 (绕) 射效应才会出现。这就是超声波泄露探测如何不用光线就能探测到泄露源的道理。
事实是超声波受到衍射较少, 这意味着它本身比声音更具有方向性, 就是这种特性, 使得查明泄露源相对简单。
1.3 超声波测量
假如在某一环境下, 气体泄露将会产生超声波, 所有一切都是为了要探测和测量到它。如果泄露有充足的动力范围可探测到超声波频率, 可使用传统的扩音器技术, 扩音器会把这些振动转换成与产生的超声波水平成正比的电子信号。
利用压电效应的一种不同的技术。此技术利用在超声波区域内, 晶体加工可以产生共振频率的原理。超声压力波在晶体内产生机械振动, 随后又产生一个小电动势。调节这个信号, 以提供一个存在于晶体共振频率上的超声波测量。这个共振质量本质上是窄带, 因此只能提供一个特定选择的频率的超声波水平测量。
2 超声波技术
2.1 现有技术
在整个石油和气体行业内, 传统的气体探测器已很好的建立并被接受成为标准气体的探测。作为一个指南, 如果安装一个探测器, 这样它就可以探测到直径5米的球形气体云, 那么使用气体探测系统就会被认为已经是足够的了。这个气体云的大小被确认为是极限值, 超过这个值, 如果发生点燃, 就会引起结构性破坏。这样, 就可以简单确定用来保护工厂区域的探测器的位置和数量。
传统的气体探测需要在探测器和气体间有一直接的体接触或一阻止光束通道的中断, 这些探测器的主要缺点是测量技术需要气体聚集起来, 在海上, 或甚至在岸上, 这种特定缺点就不能够得到保证了, 因为气体云在户外会很快分散。
以下是正在使用中的气体探测技术的简介。
2.1.1 催化型探测器
催化型探测器在海上行业已是普遍, 到目前为止, 还是气体探测的主要方法。但是, 气体探测器的主要问题如下:
探测器不能探测混合气体, 自然界的气体不是纯甲烷, 还包含了更重的碳氢化合物, 这些气体在和催化剂反应后不会完全燃烧, 而会留下其它燃烧物, 如表面的烟灰。这就是催化剂中毒, 它会在探头上产生温度差异, 这样就会导致破裂和最终的探测器失效。
腐蚀会导致气体较长时间渗透而增加探测器响应时间, 圆盘上用来防止水喷雾的硅和润滑脂同样会使探测器退化。
2.1.2 红外探测器
还有一种可选的探测器就是红外点式探测器, 在过去的10年中, 它已成为新装置安装的标准。本质上, 此技术利用了碳氢气体会优先吸收红外光束的原理。测量此吸收的红外光束, 仪表就会给出一个指示, 即空气中存在的气体量。
红外技术现已发展成为开路光束探测器, 它基本上由一个变送器和一个在10米到100米远的接收器组成, 距离的远近依赖于每个型号的不同。如果气体与光束在光道的任一点上交互接触, 那么仪表就会报警。
初期使用的困难是由于光束堵塞而造成误报警 (接收不到信号) , 而现在已发展成为双光束开路式光束探测器。这些改进将克服由太阳光和烟雾造成的光束堵塞问题。
2.2 超声波技术—Gassonic MM0100
这是超声波泄露探测器两种类型的其中一种, 在海洋石油平台上已经开始小范围初步应用。
2.2.1 扩音器
扩音器是一个隔膜型内装一个直径为1/2英寸不锈钢隔膜的装置。它特别灵敏, 虽然它的设计是耐北海环境条件的, 但还是不能触碰其隔膜。声屏就像天线一样可以提供给它所需的方向性, 一个泡沫似的风档玻璃可以保护扩音器免受水、尘和人为损坏, 这个设计不会改变扩音器的探测性能。
2.2.2 过滤器
tering电路可改设为高通过频率在4个不同的级别:10、15、20和25kHz, 这是特别有用的, 因为选择一个更高的通过频率可以根除任何在低频时由明显的高背景噪音而引起的误报警, 而不会影响探测器性能。
2.2.3 灵敏度
过滤信号被传送到报警触发电路上, 通过选择六个触发水平中的任何一个步进式选择转换器来改变探测器灵敏度:44, 54…84, 94分贝 (极限噪音越低, 灵敏度越高) 。
2.2.4 报警
一旦信号被处理并且超过触发水平, 它就被通过来到报警延迟定时器, 可设定延迟定时器的延迟持续时间:0、15、30秒, 2、4、8分钟。通过选择如15秒, 一旦仪表检测到超过触发水平的超声波, 15秒后, 仪表就会发出报警。
2.2.5 探测器范围
虽然对于探测器的布置, 不可能提供一完整的法定规则, 但是在决定区域和位置的时候还是应考虑以下的问题:
(1) 环境条件:风、雨、空气中的污染物
(2) 便于维护
(3) 防止意外损坏
考虑到多数海上环境的复杂性, 要使用测绘工具测量背景噪音, 它与探测器一样, 只不过有个内部电池和模拟刻度盘, 模拟刻度盘显示出超声波存在的水平, 它的灵敏度设置、过滤器和扩音器与探测器是一样的。
问题是找出在正常运行时不报警的最小灵敏度设置, 正如在前面提到的, 它有六个触发等级:
例如, 如果测量到超声波背景噪音为60分贝, 那么超过这个值的最接近的触发等级是64分贝。但是, 建议要避免误报警, 在背景噪音水平和触发水平之间允许有至少6分贝的数差, 这样, 在这里, 触发等级可为74分贝。
以往经验告诉我们, 正常运行时探测器大多数时候是设置在74分贝, 在深井湾包括高喷井处是84分贝, 同样, 这不是强制性的。
理论上, 可以使用一套曲线、泄露计算和经验公式来确定这些设置的范围, 但是这些经验公式都是基于仅限低压时的试验而来的, 更确切的说, 要精确地确定探测器的范围那是不可能的, 因为有太多的不确定因素:孔的大小、压力、周围表面的反射率、大规模泄露率。但是, 不管怎样, 经验告诉我们, 要探测一个小的泄露 (﹤0.1 kg/s) , 可高度信任以下应用规则:
(1) 阈值设置为74分贝:距离一个烃源的最大距离为12.5米。
(2) 阈值设置为84分贝:距离一个烃源的最大距离为9米
这些经验是通过在有人和无人看守的平台上进行广泛的现场试验而来的。
应记住, 探测装置的本质是, 环境条件变化, 探测器也应进行细微的调节, 以适应改变。如在一个新的装置上, 声学探测系统的设计和安装应有足够的动力以适应所有的操作和生产条件, 同时还应符合性能标准。通过使用绘测工具进行精细调节, 以监测背景噪音水平, 如果背景噪音有所变化, 那么相应地改变探测器的波纹。
2.2.6 运行
(1) 选择
选择的主要原因是避免误报警, 并提高可探测性, 这样传感器就可以安全运行。每个安全案例将决定气体探测系统所需的最低可靠性和有效性。
1) 超声波探测可完成多种功能:
2) 仅报警
3) 选择传统气体探测方式, 完成一个执行动作
4) 选择以完成执行动作
(2) 测试和维护
在探测器运行期间, 应执行最低的维护工作。建议按照以下指示操作:
1) 扩音器6个月检查一次外观
2) 每年进行一次背景噪音的测绘
3) 每6个月进行一次功能检查
功能检查应使用Gassonic开发的手持测试器检查, 模拟超声波释放, 检查灵敏度、过滤器和触发设置。
3 建议和结论
3.1 结论
根据现场探索性应用的经验, 初步证明了用于海洋石油行业的超声波技术, 可以有效的进行气体泄露的探测。超声波探测在海上平台的应用具有很大的潜力。
超声波与传统的气体探测相比, 在以下几个方面相当突出:
(1) 硬件的安装
(2) 维护和运行
(3) 在较早阶段探测到气体泄露
(4) 环境影响
(5) 改进的风险控制
3.2 建议
超声波泄露探测在露天或半封闭、通风好的地方的应用初见成效, 已取得一些成功, 我们建议, 可以考虑把此技术用于传统气体探测不能达到所要求的可靠水平的环境中, 但是此应用应该基于可燃气体聚集的潜在风险评估。
在超声波泄露探测技术用于辅助现有的气体探测系统的地方, 应谨慎考虑把两项技术与消防系统和紧急关断系统结合起来。
参考文献
[1]易继锴, 侯媛彬.智能控制技术[M].北京:北京工业大学出版社, 1999:60～77
[2]范玉杨, 车继勇, 杨洪庆.海上平台火/气探测报警设备类型与性能分析[M].中国修船, 2008:69～72
气体探测 篇6
随着海上石油工业的不断发展,浮式生产储油船(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)由于其集生产、储油、卸油为一体的优势,成为了快速、经济、有效地开发海上油田不可替代的开发装置。在整个海上油气开采、生产的过程中会伴有大量碳氢气体产生,且由于设备拥塞度高,一旦由于可燃气体泄漏而引起火灾爆炸事故的发生,后果将不堪设想,所以可靠、安全的火气探测系统在浮式生产储油船上的应用就显得尤为重要。FGS系统(Fire&Gas System)作为重要的安全关键系统,是保障浮式生产储油船安全的重要屏障之一,其系统有效性取决于探测器覆盖率、火气联锁系统的可用性和减缓有效性[1,2]。气体探测系统的有效性不仅取决于单个探头的有效性,更取决于整个探测网络的布局策略。目前,有关(碳氢或有毒)气体探测系统的相关技术规范和标准,主要是采用等间距布局或者泄漏源监测等工程经验方法。例如,GB 50493-2009中规定,可燃气体释放源处于封闭或者局部通风不良的半敞开厂房内,每隔15 m可设一台检(探)测器,且检(探)测器距其所覆盖范围内的任意释放源不宜大于7.5 m[3]。API RP 14C(API,2001)中规定硫化氢探测器若使用格栅结构时,最大的传感器间隔应是6 m[4]。
根据英国HSE委员会公布的数据,发生的所有气体泄漏事件中,仅有62%的泄漏事件被气体探测系统所监测到[5]。业内已经意识到这个问题的严重性,美国ISA84.00.07-2010标准专门对FGS系统的有效性进行强调,提到采取风险评估的设计思路,因此是一种基于性能(Performance based)的技术规范[6]。该标准建议采用投影(Mapping)技术来设计气体探测系统,并给出了几何覆盖率和场景覆盖率两种设计指标。但投影算法并没有实质性利用CFD气体扩散模拟的数据信息,覆盖率指标也并非是最终所关注的探测率指标,并且不涉及探测时间[2,3,4,5,6,7]。
探测器布局优化问题广泛存在于多个工业领域。在污水探测系统中,Berry等[8]首先提出了建立整数规划求解探测器设置位置的数学模型,经过进一步研究提出了使用不完整探测器时污染监控系统的数学模型[9]。Legg等[10]提出在石化行业中气体探测器随机规划的数学模型SP模型和SPC模型,又将条件风险价值(CVaR)引入随机规划,用于改善尾部表现[11]。在此基础上,Benavides-Serrano[12]又提出了考虑表决系统和探测器失效情况下的布局优化模型SP-UV;并且将定性方法和定量方法进行了比较,从三个不同的度量标准上证明了基于定量优化方法的有效性[13]。上述工作均采用定量方法研究了探测器布局问题,且目标函数都为唯一确定值。虽然遗传算法广泛应用于各个领域,但鲜少利用于火气系统探测器的优化布置,本文提出了一种基于遗传算法的优化模型。
本文提出一种探测器网络布局优化模型,在给定探测器数量、位置覆盖要求等约束下,直接利用气体CFD扩散模拟数据进行优化设计,实现在不同安装高度的立体空间内所设置的探测网络达到场景全覆盖和最短探测时间。实际生产中,探测时间最短的布置方案不一定是最优方案,该模型相比已有的全定量优化模型方法[10,11,12,13],在满足所有约束条件且目标函数没有显著增加的情况下,利用遗传算法实现搜寻目标函数最优值及附近的解,得到一组最优解集合及目标函数集合,同时提供多种布局方案,再从备选方案中通过比较得到最适合现场的最佳方案,从而更容易获得工程实施。
1 遗传算法(Genetic Algorithm)及求解流程
1.1 算法原理
遗传算法(Genetic Algorithm)是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法[14]。
在遗传算法中,染色体对应的是数据或者数组,通常是由一维的串结构数据来表现的。串上各个位置对应基因。由基因组成的串就是染色体,也称为个体。一定数量的个体组成群体。遗传算法首先将问题的每个可能的解按照某种形式进行编码,编码之后的解称为染色体(个体)。随机选取N个染色体构成初始种群,再根据预定的评价函数对每个染色体计算适应度,使得性能较好的染色体具有较高的适应度。选择适应度高的染色体进行复制,通过遗传算子选择、交叉变异,来产生一群新的更适应环境的染色体,形成新的种群。不断如此重复繁殖、进化,通过这一过程使后代种群比前代种群更加适应环境,末代种群中的最优个体经过解码,作为问题的最优解或者近似最优解。
1.2 利用GA算法求解0~1整数规划
分枝定界法作为一种隐枚举法目前已成为解0~1整数规划的重要方法之一,但是隐枚举法不属于完全穷举法,并不是对所有解进行尝试,而是有选择的尝试,仅通过讨论部分整数可行解就得到整数规划问题的最优解。对于特定的问题,分枝定界法鲁棒性不强。相比较而言,遗传算法具有较高的搜索能力和极强的鲁棒性[15]。
模型求解的流程图如图1所示。已知探测时间f,决策变量(即候选探测器位置)的个数nvars,不等式约束Aineq、bineq,整数变量范围上限ub、下限lb,最多允许使用的探测器数量p,允许存在的变化范围Δ作为算法的输入值,options表示优化参数结构体,通过不断调用GA函数对本文SGA模型进行求解。i表示GA的调用次数,imax表示定义的GA最多允许调用的次数,即在i小于或等于imax时不断调用GA求解直到达到最多允许调用的次数。在有整数约束存在的情况下GA只能求解约束类型为不等式约束的数学模型,体现在SGA模型的约束条件式(2-4)均为不等式。一个泄漏场景可能同时被多个探测器覆盖,所以需要对每个场景的探测时间进行筛选,即对GA得到的探测时间fvali筛选得到fi,将探测时间变化及探测器数量在允许范围内的布置策略储存到F,X中,达到最大循环次数结束求解,输出最终得到的布置策略集合F,X。
2 SGA气体探测系统布局策略模型
本文在Legg等人SPC模型[8]的基础上,对数学模型进行相应的改进,提出了一种基于遗传算法,以搜索最短探测时间及附近解的集合为目标的优化模型SGA(the Set of the optimal solution based on GA),具体的数学模型如下所示:
s.t.
模型的目标函数如式(1)所示,其中:σa表示泄漏场景a发生的可能性,Da表示受泄漏场景影响的探测器位置处损失系数的集合。根据具体工程应用的需求可以确定Da对应的物理含义,本文取为实现探测时间的最小化,即模型优化求解的是场景a所影响的各个探测器所用的探测时间。Xa表示受泄漏场景a影响的探测器候选位置集合,f表示已知的最短探测时间,Δ表示探测时间允许变化的最大值,F表示满足所有约束条件下与f相差Δ范围内的所有目标函数组成的集合,X表示相应的最优解组成的集合。式(1)~(5)所涉及的各参数说明见后续符号说明。
实际中,为了控制成本通常对探测器的数量有限制,如不等式约束(2)所示,式中p表示探测器允许安装的最大数目,即所有探测器安装数量的总和不能超过p。
SPC模型中要求每个探测器都满足体积覆盖,从而保证探测器的鲁棒性。由于边界点只能形成半球形的体积约束,使得SPC模型所需的探测器数量较多,所以在保证鲁棒性的前提下本文放宽体积约束要求,Cr,l表示除边界点以外的任一点l在半径r的范围内覆盖到的探测器候选位置组成的集合,不等式约束(3)表示所有Cr,l中探测器的候选位置组成的集合至少安装一个探测器。由于GA在有整数约束的条件下只能求解不等式约束,如模型式(4)所示。式(5)表示任意位置l处是否有探测器安装,若有探测器安装则取值为1,反之则取0,即表示xl是个只能取0,1二值的整数变量,即遗传算法中整数约束的上限ub为1、下限lb为0。
SPC模型以式(1)中的最小化部分为目标函数,以式(2)、(4)、(5)为约束条件,将体积约束式(3)中的除去边界点外剩余点形成的约束改为在所有候选位置中任意一点l在半径r的范围内覆盖到的探测器候选位置组成的集合,作为SPC的体积约束。
遗传算法以目标函数(1)中的最小化部分的系数为适应度函数,以SGA模型中的式(2)~(4)为约束条件,以式(5)为整数约束范围对模型进行求解。
3 案例模拟研究
本文以浮式生产储油船(FPSO)作为案例背景,FP-SO作为大型海上油气生产设施,所装备的火气系统(FGS)不仅是保证其设备和人员安全的最后一道技术防线,而且关系到整个油田生产的安危。
3.1 FPSO生产甲板的气体泄漏探测
选取FPSO工艺区域中18 m×27 m×12 m的区域进行气体泄漏模拟。通过模拟得到60组数据,随机选取40个泄漏场景数据进行探测器设置研究,剩余20个场景作为检验场景。以等间距3 m进行网格划分,探测器的具体布局为7×10×4共280个候选位置,即在指定区域空间内竖直方向存在4层探测器候选位置,每层探测器候选位置以7×10等间距分布。
3.2 探测器布局策略优化结果分析
基于Matlab遗传算法工具进行,对上述SGA模型(式(1)~(5))进行求解。泄漏场景的发生概率与可能发生泄漏的装置、工艺条件、设备运行维修情况等因素有关,本文泄漏场景的泄漏概率根据API 581标准方法并结合现场应用数据等来赋予不同泄漏场景不同的权重。
r的作用是通过添加体积约束避免布置策略偏向某一个场景,所以r的值不易取得过大否则失去了约束作用。如表1所示分别取不同的r值对SPC模型进行求解,具体结果如表1所示。可以看出,当r值为5、5.5 m时SPC模型无解,主要是由于r值偏小时边界点形成的半球形体积约束过于严格导致模型无解。r=6 m时,虽然实现了对检验场景的全覆盖且实现了对探测区域的全面覆盖,但SPC模型存在最优解所需的最少探测器为17个,需要的探测器数量较大。r=7 m时,所需的最少探测器数量减少只需要12个。可以看出SPC模型在覆盖半径r取值较小时会出现无解或是需要大量探测器安装以便满足所有约束条件的情况,实际生产中,考虑到成本问题对探测器的安装数量往往会有要求,即允许安装的最大探测器数量p。
对于SGA模型,由模型目标函数可知,f及Δ的值为预先设定的。以SPC模型得到的探测时间作为SGA模型的输入f,通过反复调用50次GA函数进行求解,观察Δ的值对结果的影响,确定Δ的取值,具体结果如下。
从表2中可以看出,当Δ值取值偏小Δ=1时,经过50次反复调用GA函数SGA模型得到的结果为空集,所以Δ值不宜取值过小否则容易出现空集的情况。当Δ值分别取2、3 s时,均分别得到两组布置方案,即Δ值波动变大时布置方案的数量也没有明显的增加,Δ的实际意义表示目标函数允许变化的最大值,而目标函数是探测时间和场景发生概率的乘积,考虑到场景发生概率取值较小,若目标函数允许变化值Δ取值偏大实际对应的探测时间可能变化为几分钟甚至十几分钟,这段时间对应急响应及人员疏散都是至关重要的,所以最终确定Δ=2 s。
首先采用传统等间距的探测器布置方法,在空间中同一高度布置探测器,其中探测器间隔为6 m,采用该布置方案对泄漏场景进行探测,结果如表3所示。
以Δ=2,SPC模型探测时间f=8.14作为SGA模型的输入,利用传统等间距探测器布置方法所需的探测器数量为10,所以允许使用的探测器的最大数量p=10,反复调用GA函数,最终得到的结果如表4所示。
探测器的有效探测距离都是一定的,取探测器有效探测半径re=6 m分别绘制探测器等间距布置方案如图2所示,SGA模型探测器布置方案在平面的投影覆盖图如图3~5。
图2~图5中,黑色区域表示零个覆盖面,即探测盲区(探测器探测不到的区域),灰色区域表示仅有一个探测器覆盖面,白色区域则表示探测器的覆盖面为两个及以上。四种方案的探测盲区占总区域的百分比在表3、表4中列出。结合投影覆盖图可以看出,SGA模型的三种方案的探测时间相比等间距探测器布置方案得到的探测时间有明显的减小,且方案一、方案二在探测器覆盖范围上有所增加探测盲区减少。方案二与方案一相比虽然探测时间,探测器使用数量均有减少但探测盲区面积却大于方案一,且从探测器投影覆盖图看出方案一的绿色区域明显大于方案二,即方案一中主要的工艺区域均实现了两个及两个以上探测器的覆盖,所以综合比较,选择覆盖盲区最小,探测时间较短的方案一为最终布置方案。
4 结论
火气系统FGS作为一种安全关键系统,其中的气体探测网络提供快速、可靠的气体探测不但可以及时发现泄漏事件,防止气液积聚形成火灾爆炸事故;还可以为应急响应及人员疏散提供充足时间。所以,火气系统(FGS)不仅是保证其设备和人员安全的最后一道技术防线,而且关系到整个油田生产的安危。利用泄漏数据对(碳氢或有毒)气体探测器进行布局,其设计目标在于缩短泄漏探测时间且能够有效保证布局方案对复杂泄漏场景的覆盖率。本文提出的SGA模型保证了每个泄漏场景都至少可以被一个探测器探测到,避免了布局方案偏向某些特定方案,提高了模型的鲁棒性和泛化能力。通过FPSO的生产甲板气体探测案例分析表明:
1)利用遗传算法对全局进行搜索克服了隐枚举法只对部分整数解就行搜索的缺点,真正实现探测时间最小化。
2)与传统等间距同一高度探测器布置方案相比,本文提出的优化模型实现了在立体空间内探测器的布置。
3)本文提出的优化模型能在探测时间没有明显增加的情况下,实现了多种布置方案的求解,再通过对各方案投影覆盖图的比较选出符合实际的最佳布局方案。
摘要：石油石化装置具有结构复杂且危险性高的特点,所加工物料多为易燃易爆有毒物质,且工艺单元之间集成度高,一旦发生泄漏若无法及时探测到则易形成气液积聚和火灾爆炸后果强化,装置拥塞度高使人员逃生困难。火气系统FGS作为安全关键系统,其中的气体探测网络如何快速可靠的实现对气体泄漏事件的探测显得尤为重要。已知探测时间,通过引入遗传算法利用其全局搜索的特点克服传统分支定界法的缺点,实现立体空间不同高度下设置探测网络达到场景全覆盖和缩短探测时间,同时求出探测时间附近的多组最优解,为探测器放置提供多种布置方案。通过与传统等间距探测器布置方案比较,从多种布置方案中选择更符合实际的最佳方案。通过海上浮式生产储油船的生产夹板气体探测案例,验证了所提方法的有效性。
气体探测 篇7
关键词：有害气体监测,煤矿井下,非分散红外,吸收光谱
0 引言
一氧化碳 ( CO) , 甲烷 ( CH4) , 硫化氢 ( H2S) , 二氧化硫 ( SO2) 等气体都是煤矿井下典型存在的有害气体[1], 尤其是甲烷, 当其浓度在一定值范围内, 极易产生爆炸, 从而危及井下工作人员的生命。因此, 对于井下有害气体的浓度监控尤其是甲烷浓度的监控至关重要, 为此很多学者开展了这方面的研究工作[2 - 4]。要实现井下有害气体可靠预警功能, 前提是必须能够准确地测量出这些气体的真实浓度, 防止误报或漏报而造成煤矿重大损失。
对于CO和CH4等可燃气体的检测, 目前井下所用的传感器主要是基于热催化原理设计的[5], 这种传感器的灵敏度和稳定性受催化元件的影响, 相对来说维护工作量较大。基于吸收光谱的测量方法, 具有无接触、可实现多组分气体同时测量的优点, 如非分散红外光谱技术 ( NDIR) [6], 在红外波段存在强吸收的气体理论上均可采用这种方法来进行监测, 目前NDIR技术已被广泛应用于大气中温室气体的连续在线监测中[7，8]。
本文研究主要针对煤矿井下环境中的CO、CH4和CO2多组分气体同时定量探测的非分散红外光谱技术, 设计了一种基于NDIR原理的煤矿井下多种有害气体测量系统, 详细描述了仪器构成及关键器件的工作参数, 以及被测气体的浓度反演过程, 最后通过实验验证了仪器的高测量精度。
1 测量原理与实验装置
1. 1 NDIR多组分测量原理
NDIR技术定量探测气体浓度是基于Lambert -Beer定律, 即待测气体在特定波段内存在“指纹”吸收, 当入射光经过含有该气体的区域或吸收池时, 就会产生消光, 具体的定量关系可用下式表示:
式中: A称为吸光度; I0为入射光强, 通常是指在无气体吸收即背景气体 ( 如零空气或氮气) 情况下, 探测器所测得的光强; I为经待测气体吸收后的出射光强; K为待测气体的吸收系数; c为待测气体的浓度; L为吸收光程。为了消除系统漂移和硬件参数波动对测量结果的影响, 在获取吸光度A时通常增加一个参考滤波通道, 即式 ( 1) 可表示为[9 - 11]:
式中: Iref和I0ref分别为参考滤波通道有、无待测气体时的出射光强。
对于多组分气体测量来说, 在某一目标滤波通道测量得到的吸光度是所有待测气体吸光度的线性叠加[12], 可用下式来描述:
式中: Ai为目标滤波通道i所获取的吸光度; Ii和I0i分别为目标滤波通道i有、无待测气体时的出射光强; aij为气体j在目标滤波通道i上的响应系数; Aj为气体j的吸光度, Aj= KjcjL ( Kj和cj分别为气体j的吸收系数和浓度) 。
式 ( 3) 给出了实现多组分气体定量探测的方法。通过选择合适的滤波参数, 就可得到各种气体在对应滤波通道下的总吸光度, 然后建立和解析多元线性回归方程组即可获得每种待测气体的吸光度, 并最终反演得到所有待测气体的浓度。
1. 2 实验装置
系统实验装置结构图如图1 所示, 该探测装置主要由红外光源、滤光轮、吸收池、红外探测器、直流电机以及DSP控制系统等构成。红外光源采用德国Micro - hybrid公司的JSIR450, 该光源覆盖光谱波段为0. 8 - 15μm, 通过调节其输入功率可以改变辐射温度, 即改变红外辐射光谱。实际工作时, 该光源由恒流源驱动, 驱动电流为240m A, 相应的输入功率约为0. 7W, 此时辐射光谱的峰值波长约为4. 5μm, 见图2。图2 中同时给出了CH4、CO等气体的吸收线强 ( 来自HITRAN08 数据库) , 其中CO和CO2气体的吸收峰正好位于4. 5μm附近, 而CH4气体的吸收峰所处波段也具有较强的光谱强度。
JSIR450 辐射出的红外光经滤光轮选择性滤波后进入吸收池。滤光轮上等间隔地安装了四块带通滤光片, 其中三块用于目标气体滤波通道 ( CH4、CO2和CO通道所用滤光片的中心波长分别为3. 46μm、4. 26μm和4. 7μm, 半高宽均小于0. 1μm) , 另外一块用于参考滤波通道 ( 中心波长为3. 8μm, 半高宽为96 nm) 。对于目标气体滤波通道, 由于水汽在这些气体测量波段内的吸收相对要弱几个量级, 同时在气体进入吸收池之前也进行了干燥处理, 因此本测量系统没有增加水汽滤波通道。滤光轮由直流电机带动其高速旋转, 转速为1500r/m, 即每个滤波通道对应的输出信号频率均为25Hz。滤光轮上开有一小孔, 在小孔两侧安装了光电开关, 滤光轮每旋转一周, 光电开关就会产生一个同步脉冲信号 ( 见图3) , 该信号用于定位首个滤波通道对应的输出信号。
为了提高系统的探测灵敏度, 吸收池设计采用了怀特池结构[13], 吸收池的基长为50cm, 有效吸收光程为10 m。为了防止怀特池中的主镜和副镜出现水凝现象而影响光信号的传输, 系统对怀特池外围进行了加热处理, 使池内温度维持在50℃ 左右。入射光经滤光轮和怀特吸收池传输后达到探测器, 探测器输出的信号经放大和滤波处理后由DSP系统采集, 并进行相应的数据处理, 最终反演得到各种被测气体的浓度大小。
2 实验结果与讨论
2. 1 探测器信号
通过采集红外探测器信号可以得到相应目标滤波通道的吸光度。如前所述, 在滤光轮高速旋转的情况下, 探测器得到的信号实际上是周期性的调制信号, 这样更加有利于噪声干扰的扣除[14], 从而提高系统的探测灵敏度。图3 给出了当吸收池内充入氮气时, 在单个采样周期内得到的各滤波通道的输出信号波形。图中信号强度的高低不同主要是由于滤光片的透过率、半高宽以及探测器响应不同所造成的。
2. 2 系统定标
原则上, 吸光度与气体浓度之间呈线性关系, 然而由于探测系统的非线性以及各种干扰因素的存在, 通常在获取被测气体浓度时, 将整个测量系统看成一个整体, 通过非线性最小二乘拟合来得到吸光度与被测气体浓度之间的曲线, 即定标曲线, 然后利用定标曲线并根据测量得到的吸光度反演出被测气体浓度。将吸收池内分别充入不同浓度的CO、CO2和CH4样气, 记录各滤波通道的输出信号并计算出相应的吸光度大小, 通过文献[15]普遍采用的三阶多项式来拟合这些数据点, 最终得到被测气体浓度定标曲线如图4 所示。可以看出, 每种气体定标曲线的拟合相关系数均大于0. 999。
2. 3 测量精度分析
确定定标曲线之后, 经跨度校准和零校准处理[16], 再根据实际测量得到的吸光度就可以反演出各种被测气体的浓度值。再次将不同浓度的样气充入吸收池内, 通过比较样气浓度与实际反演出的气体浓度, 就可以分析得到测量系统的精度。图5 给出了CO、CH4和CO2三种样气浓度与实测浓度之间的相关性, 三者的相关性均大于0. 998, 测量误差也均在5% 以内。
3 结论
