苏日提，刘 鑫，陈泂杉
(1.港华投资有限公司, 广东 深圳 518028；
2.港华燃气投资有限公司，广东 深圳 518028)
随着城市化建设的迅猛发展，城市燃气管网规模不断扩大，截至2021年，城市天然气管道总长度达92.91×104km[1]。燃气管网埋于地下，随着管道在役年限的延长，不可避免因腐蚀、老化、第三方破坏等原因引起管道燃气泄漏，能否及时发现和正确处置燃气泄漏，直接影响到社会公众安全，也是保障燃气公司运行安全的关键环节。随着新技术、新设备、新算法的不断引入，泄漏检测的精度和效率有了很大的提升。
2.1 传统泄漏检测技术
通常依据检测原理将燃气泄漏检测技术分为3类：物理检测技术，如电缆及光纤传感技术、声学或超声学探测技术、可见光摄像检测技术、放射性物质检测技术、管壁参数检测法等；
计算机软件检测技术，常见的有统计学法、神经网络法、参数分析法、质量平衡法、数学模型法等；
人工巡查检测技术，泄漏检测人员使用推车式或探杆式10-6级全量程泄漏检测仪沿管道行进泄漏检测，对运行管道及附属设施、规定范围内密闭空间进行检测并对周围环境进行观察，确认管道是否存在泄漏情况[2]。人工巡查检测技术是目前城市燃气行业使用较为普遍的泄漏检测技术。
由于燃气与沼气的主要成分都是甲烷，在实际检测中发现的疑似泄漏可能是地下沼气造成的干扰。燃气中可能包含的其他组分有乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮气等。沼气中可能包含的其他组分有氮气、氨气、硫化氢、二氧化碳等。采用气相色谱分析技术判别气体中是否含有乙烷就可以快速判断是否为燃气泄漏[2]。
2.2 车载泄漏检测技术
目前精度最高的2种高精度车载泄漏检测系统(简称车载检测系统)，分别是基于CRDS(光腔衰荡光谱技术)和软件算法的Picarro Surveyor泄漏检测系统与基于OA-ICOS(离轴积分腔输出光谱技术)和软件算法的ABB Ability泄漏检测系统[3]。CRDS和OA-ICOS是2种基于激光吸收光谱技术发明而发展的高灵敏光谱技术。
CRDS是通过测量脉冲激光在高反射光腔内来回反射过程中的衰减率，进而测量物质吸收光程的方法[4]。当反射率很高时，光可在衰荡腔来回振荡很多次，即吸收光程很大，因此可以检测到痕量气体[5]。OA-ICOS是一种结构更简单的激光吸收光谱技术，其使一束激光在光腔中来回反射，测量透过光腔的时间积分光强，通过比较与入射光强的差值，计算待测气体的体积分数。特点是激光以离轴的方式进入光学谐振腔，调节腔长激发大量的高阶横模[6]。使各波段激光都能均匀通过光腔，有效地抑制了腔模波动引起的噪声，在一定程度上抗环境干扰[7]。上述2种车载检测系统，对甲烷、乙烷体积分数的检测精度都可达到10-9级，最大车载检测覆盖范围均达到检测车两侧150 m[6]。检测过程中都会检测风力、风向等气象数据，作为泄漏点定位的重要依据，均可与北斗或GPS定位系统结合应用。通过内置的算法软件，分析计算燃气泄漏情况并定位燃气泄漏位置。
3.1 传统泄漏检测技术
人工巡查检测通常与硬件检测、软件检测技术相结合，优势是成本较低、仪器自动化程度高，操作容易。不足是人工巡查检测使用的检测仪器通常为10-6级，精度相对较低。同时，人工巡查检测的检测效率较低，检测效率约3～5 km/d，检测区域范围较小，检测结果也易受到沼气、汽车尾气等含甲烷的气体干扰。
目前检测效率较高的方法是采用车载检测系统初检排查，针对初检中发现的疑似区域，再人工巡查检测出泄漏信息点，最后通过激光分析类或色谱分析类的乙烷辨识设备，进一步判定燃气泄漏。
3.2 车载检测系统
车载检测系统相较于传统检测方法，具有以下优势：
① 提高泄漏检测效率。传统人工巡查检测需要人员徒步进行，车载检测系统可以在行驶过程中持续检测，检测效率为人工巡查检测效率的8～10倍。
② 扩大检测覆盖范围。2种车载检测系统最大可以覆盖检测车两侧150 m范围，软件算法结合检测轨迹、风向、检测时间，可对已检测区域进行标记。通过不同时段多次检测，除车辆无法检测区域(可行车地段两侧150 m外的农田、山地、铁路等)外，对整个城市管网进行全面泄漏排查。
③ 提高泄漏气体判别能力和效率。基于CRDS和基于OA-ICOS技术的泄漏检测技术均可以检测到极低体积分数的甲烷和乙烷气体，因此可以准确判别轻微迹象的泄漏事件。
④ 提升泄漏点精准定位能力。两种车载检测系统都需配合分析软件使用。可展示检测车的实时位置和检测数据，检测到高体积分数时报警，分析并缩小泄漏点的可能位置，检测完成后还可生成检测区域的评估报告，可作为参考资料帮助燃气企业快速发现泄漏点。
车载检测系统在实际应用时同样存在一些不足，主要有：
① 存在检测盲区，管道距离检测车大于150 m时无法被检测。
② 泄漏检测灵敏度较高，检测易受干扰。以LNG、CNG汽车的尾气，以及天然气、液化石油气燃具点火过程中或燃烧不完全逸散的可燃气体对车载检测系统会产生较大干扰，需要通过分时段多次检测的方法，避开车辆、夜市、居民炊事高峰期对泄漏检测带来的干扰。
③ 气源乙烷体积分数过低时影响检测效率。燃气企业无法掌握核心算法，在气源乙烷含量较低的城市，不能根据气源组成调节乙烷检测预警值。如果城市燃气乙烷含量较低(例如四川、江西省一些城市)，则同时检测甲烷、乙烷体积分数以便判定是否为燃气泄漏，效果会被大幅度削弱。
④ “最后一段”泄漏定位效率待提升。车载检测系统中，对疑似泄漏定位结果是一个扇形区域，仍需运行人员对该区域内的管道及设施进行排查。多次检测后，车载检测系统会给出多个扇形区域，检测人员需要定位到体积分数稳定的泄漏点。
车犬联动泄漏检测方案是利用车载检测系统的快速检测能力和燃气嗅探犬灵敏的嗅觉，捕捉四氢噻吩(THT)气味从而辅助判定燃气泄漏并快速定位泄漏位置的新型联合泄漏检测方法。
4.1 燃气嗅探犬
燃气嗅探犬是能够捕捉THT的气味，判定是否存在燃气泄漏并定位泄漏位置的专业工作犬。2015年在英国某燃气管网公司首次应用。2019年港华燃气集团从香港中华煤气引入该技术，并在厦门建立燃气嗅探犬培训基地，自主研发燃气嗅探犬训导设施及训导方案，并成功训导出可实际应用的燃气嗅探犬。2019年在本溪、常州、武汉、济南等地进行燃气检漏工作，复核及主动查找泄漏点总计逾100处，得到当地企业、政府、媒体等的认可及好评。燃气嗅探犬进行泄漏检测见图1。
图1 燃气嗅探犬进行泄漏检测
燃气嗅探犬训导通常选择性格活泼开朗、胆量大、自信以及喜爱工作的犬，才能在比较复杂的环境下正常工作。犬种一般锁定在4个品种：德国牧羊犬、史宾格犬、比利时马犬、比格犬。这4个品种在长期使用中被认为是嗅觉敏锐、可训性强的品种。
燃气嗅探犬的训导通常分为3个阶段：
① 基本幼训和社会化的训练。训练犬对THT形成嗅闻的条件反射及气味捕捉能力。训练犬的服从行为，以便让犬能够按预定报警方式给出报警信号。
② THT针对性训练。这个阶段犬对THT已经形成稳定的条件反射，当嗅闻到指定气味时可以果断报警，指定气味来源位置，且让犬能在其他气味干扰下，找到只含THT的嗅源。
③ 燃气泄漏专项训练。在训犬基地按照真实的燃气管道敷设场景(绿化带、人行道、混凝土路面等)建设训犬场地，设置泄漏点，模拟燃气泄漏，对犬进行专项训练，使犬具备对管道燃气泄漏点的嗅探和识别定位能力。
4.2 车犬联动泄漏检测方案
2020年，港华燃气集团经过不断探索优化，首创车犬联动泄漏检测方案(简称车犬联动方案)，使用车载检测系统对需要检测区域进行初检，针对初检后怀疑存在泄漏的区域，燃气嗅探犬通过捕捉空气中有无THT气味，判断有无天然气泄漏，并对地表燃气泄漏点进行精准定位。车犬联动方案在检测有无甲烷、乙烷的基础上，同时检测有无THT，使其更加准确快速，检测覆盖面更广。车犬联动方案步骤为：首先由车载检测系统初检，指出疑似泄漏范围。检测车检测范围用灰色标出，红色扇形为泄漏指示标志，黄色扇形为疑似泄漏指示标志，灰绿色扇形为沼气指示标志，见图2。再由燃气嗅探犬进入红色及黄色扇形区域，通过追踪THT气味定位泄漏点。
图2 检测车终端分析过程(软件截图)
截至2022年1月，按照车犬联动方案已在江苏、吉林、辽宁、湖北、安徽、江西、广西、广东、山东、四川等省自治区对超过3 000 km管道进行周期泄漏检测。发现的泄漏点中，埋地钢管泄漏点占29%，埋地PE管泄漏点占15%，立管丝堵泄漏点占34%，阀门泄漏点占14%，调压箱或调压柜泄漏点占7%，表箱泄漏点占1%。前2项为地下泄漏点，其他为地上泄漏点。
5.1 埋地管道应用
埋地管道泄漏后，燃气可能在土壤中流窜，较难精准定位。但是利用燃气嗅探犬的嗅觉，可通过土层里的THT准确定位泄漏位置，定位速度快、精准度高。
2021年3月，利用车犬联动方案为某公司检测时，车载检测系统在某医院附近标记了多个黄色扇形(疑似泄漏指示标志)，且密集分布。考虑到当地气源乙烷含量较低，将该区域定为疑似泄漏区域。随后利用燃气嗅探犬在该区域进行泄漏检测，嗅探犬在院墙墙角处示警(定位泄漏点)，见图3。检测人员用便携式可燃气体检测仪确认，甲烷体积分数为甲烷爆炸下限的16.6%。开挖之后，有一处管道受到外腐蚀导致管道穿孔，燃气泄漏点距燃气嗅探犬定位泄漏点相距仅约50 cm。随后该公司更换该管段，并提高对该管道的检测频率。
图3 嗅探犬在院墙墙角处示警
2020年10月，利用燃气嗅探犬为某公司检测某小区时，在小区绿化带发现天然气泄漏。检测人员用便携式可燃气体检测仪进行确认，仪器测量读数显示甲烷体积分数为64.2%，经开挖确认是DN 50 mm埋地钢管因腐蚀锈穿。地下泄漏点在燃气嗅探犬定位泄漏点的正下方，无水平偏差。随后该公司立即对泄漏管道进行整改，并加强同一批次施工管道的监测工作。
2020年10月，利用燃气嗅探犬为某公司检测时，一处停车场内(沥青路面)发现天然气泄漏。检测人员用便携式可燃气体检测仪进行确认，仪器测量读数显示甲烷体积分数为10%，经开挖抢修确认是DN 100 mm埋地钢管法兰接头处泄漏。地下泄漏点距燃气嗅探犬定位泄漏点约1 m。
5.2 地上管道应用
燃气嗅探犬可对敷设位置相对较低的地上燃气管道进行泄漏检测，而此部分管道往往处于埋地与架空敷设管道结合处，容易出现腐蚀情况。如发生泄漏，燃气嗅探犬可快速精准进行定位。
2021年3月，某公司利用车犬联动方案进行泄漏检测时，车载检测系统在某银行附近发现红色扇形(泄漏指示标志)。随后利用燃气嗅探犬在红色扇形区域进行泄漏检测，燃气嗅探犬很快在燃气表箱立管堵头处示警，见图4。运行人员用便携式可燃气体检测仪进行确认，甲烷体积分数为甲烷爆炸下限的5.3%，随即对该处泄漏进行整改。
图4 燃气嗅探犬在燃气表箱立管堵头处示警
2021年7月，某公司利用燃气嗅探犬进行泄漏检测时，燃气嗅探犬在燃气集中表箱处发现疑似泄漏。运行人员用便携式可燃甲烷检测仪进行确认，仪器测量甲烷体积分数为甲烷爆炸下限的6.6%，该公司随即对该处泄漏进行整改。
5.3 车犬联动方案的优势
① 提升高检测精度。车载检测系统和燃气嗅探犬的检测精度均可达到10-9级，在车载检测系统无法检测区域，可由燃气嗅探犬沿管道进行泄漏检测，从而保证泄漏检测的精度。
② 抗干扰能力强。在不同时段多次检测的基础上，可利用燃气嗅探犬检测可疑区域是否存在THT，通过辨别乙烷、THT是否存在，无论城市燃气种类、气质如何，均能快速判定是否为燃气泄漏，保证用气安全。
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