中海石油（中国）有限公司深圳分公司
摘要：本文通过剖析目前海上设施上常用的火和气体探测装备的现状和存在效果不佳的原因，提出为解决问题，以提高设施的本质安全，开展激光泄漏检测系统和红外远距离气体探测仪器替代传统火和气体传感器的可行性研究，为海上石油天然气生产过程中的火和气体探测提供解决思路。
关键词：海上设施；火和气体探测；激光泄漏检测；红外远距离气体探测
一、案例教训
案例一：1984年12月3日凌晨，印度中部博帕尔市北郊的美国联合碳化物公司印度公司的农药厂发生严重毒气泄漏事故。这起事故造成了一场有史以来最严重的工业灾难，直接致死人数2.5万，间接致死人数55万，永久性残废人数20多万。事故的原因之一是没有设置先进的火气探测报警装置。
案例二：2010年4月20日，“深水地平线”钻井平台爆炸并引发大火，大约36小时后沉入墨西哥湾，事故共造成11人死亡、17人重伤，溢油总量在1700万至3900万加仑之间。事故的原因之一是平台上一部分火气探测装置不能工作，特别是主机房和其他机械设备房的通风风门没有设置火气探测装置。
案例三：2017年6月12日，某海上设施位于34米甲板层生产分离器入口管线上的12寸法兰直边段断裂，导致天然气和凝析油泄漏，并引发着火事故。事故发生后34米甲板层上的各火气探测装备批量故障。
二、基于海上设施的风险评估结论
海上设施作为一种石油天然气处理装置，在生产过程中会从地层产出大量的烃类液体和气体。从某项目的《安全预评价报告》获知，该项目设施的主要风险有工艺设施、压力管线、阀门、法兰、储罐等容易发生泄漏，一旦出现轻烃泄漏并遇见点火源时就会导致火灾或爆炸。
三、现状及其应用情况
1、现状
由于气体本身存在扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。及时可靠地探测空气中火和某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。
目前火和气体探测装备效果不佳的主要原因有：1）单一类型探测装备探测的局限性，使其存在探测盲区。2）探测装备布置及定位不合理。3）恶劣工况对探测装备性能的影响主要是容易受到海上设施的高温、高湿环境影响，产生误报。
2、应用情况
目前海上设施常用的火和气体探测装备有红外式、开路式、超声式等。1）红外式机理是利用火和气体对红外线的吸收，浓度越高，红外线被吸收的就越多，不透过的量越大。目前，海上设施在每个潜在泄漏点布置点红外式火和气体探测装备，但是考虑到设施上设备的操作与维护，火和气体探测装备一般只能就近安装，所以实际探测效果相对于标定的性能有所降低。另外，由于海上设施风的因素，红外式很难探测到轻微气体泄漏。2）开路式由发射器和接收器两部分组成，发射器和接收器的距离最远可达100m。火和气体探测装备能检测出从发射器到接收器间的火和气体平均浓度。开路式易受外界设备的阻挡，所以一般用于工艺生产区和生活区的分界处、HVAC入口处等，用于探测进入生活区的气体，适于探测轻微泄漏积聚形成的燃气云。3）超声式需要在探测装备与火和气体间有一直接的体接触或一阻止光束通道的中断，这种探测装备的主要缺点是测量技术需要火和气体聚集起来，海上设施火和气体云在户外会很快分散，对高压力管线燃气泄漏不能及时反应。
四、本质安全需求
海上设施所使用的传统检测装备存在效果不佳的原因：1）监测方式单一、被动监测；2）需要频繁调校，维护工作量大；3）灵敏度不足，无法发现早期微泄漏；4）反应速度慢，需要气体长时间聚集，容易漏报；5）受干扰气体及环境影响，检测结果会造成误报；6）量程小，无法检测高浓度泄漏，并会造成损害；7）检测状态无法监测，失效无法发现；8）寿命短，运维成本高。
为解决上述问题，以提高设施的本质安全，考虑开展激光泄漏检测系统和红外远距离气体探测仪器替代传统火和气体传感器的可行性研究。
1、激光检测装备
应用激光光谱气体泄漏监测技术将火和气体滞后监测转变为超前监测，可及时发现早期可燃气体或硫化氢气体的微泄漏，在提高安全监控水平的同时降低了安全运行成本，实现提质增效，激光检测装备重点解决传统气体报警器灵敏度低、反应慢、存在误报漏报、维护成本高等问题。激光检测装备是利用激光能量被气体分子“选频”吸收，形成吸收光谱的原理来测量气体浓度的一种技术。激光发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比；因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。
目前在海上设施上使用多台测量可燃气体和硫化氢气体的固定反射式激光遥测装备组网，主动探测整个区域内的泄漏情况，通过层析算法实现对泄漏气体浓度的分布、移动方向、移动速度进行实时跟踪，见下图所示。
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2、红外远距离气体探测装备
红外远距离气体探测装备是非接触大空间危、化、毒等易燃易爆气体检测装备，无需接触气体泄漏污染区域，可在千米之外实现远距离定性、定量地探测，从而保障救援人员安全，应急救援指挥得到准确现场实时信息。这类仪器使用特定波长滤镜对其检测到的化学气体（光谱在7.5 到14.7 微米之间）进行矢量化红外多谱分析，整合长波红外焦平面阵列的数据，采用光学镜头灵敏地吸收、呈现所有气体辐射的波长，并根据其所检测物体分子表面温度实现热成像，精确地检测、识别，并显示实时的虚拟扩散图，还能自动触发警报，从而实现辅助海上设施上的中控室管理人员进行决策。其所计算的是一定距离内的气体浓度而不是单一监测点的气体浓度，测量单位可达到毫克/平方米。海上设施上的中控室管理人员可通过电脑软件直接看到当前红外摄像头所监测到的目标气体。独特的气体浓度扩散视图使得海上设施上的中控室管理人员无需直接接近泄漏地点，就可以通过气云运动方向发出准确的警报。
这类红外远距离气体检测装备具有如下特点：1）利用化学毒气的红外光谱特性进行远程红外光谱遥测和光谱成像；2）可以监测30 多种工业化学气体、VOC 等危化气体光谱数据库信息，可定性定量标明被检测气体的名称及浓度（Mg/㎡、PPM、LEL）。检测到气体泄漏后，即时在屏幕中准确标注判定气体的泄漏源信息；3）将检测到的泄漏气体、VOC 等危化品的大空间运动、分布及扩散等信息成像彩色气云团，形象地成像在检测区域的画面上，并实时图像呈现；4）内置的GPS 卫星定位模块，可在地理信息地图上快速定位、显示所受污染区域地理信息；5）大空间、远距离检测气体泄露技术，检测精度高，报警灵敏；6）一旦气体报警，仪器会自动录像，为事故现场和救援行动提供真实且完整的记录，录入警报事件视频可重播、下载；7）操作便捷、实时可视监测直观、监测。
目前在海上设施上使用多台测量可燃气体和硫化氢气体的固定反射式红外远距离气体检测装备组网，主动探测整个区域内的泄漏情况，通过对重点区域实行远距离、全方位无死角检测，并做到实时可视检测、检测精度高、报警灵敏，还可以检测30多种工业化学气体、VOC等危化气体光谱数据库信息，以及可定性定量标明被检测气体的名称及浓度（Mg/㎡、PPM、LEL）。
参考文献：
[1] 《健康安全环保管理体系文件》，中海石油（中国）有限公司深圳分公司，2019年版。
[2] 《XX联合开发工程安全预评价报告》，中海石油研究中心，2020年11月。