石化缘推荐:石化企业气体泄漏红外成像检测技术研究进展!

  介绍了气体泄漏红外成像检测技术的工作原理和分类,综述了国内外相关单位的研究进展,重点分析了国外公司对被动式红外成像检测技术的研究情况,并对技术的发展方向进行了展望。

  石化企业的气体泄漏,不仅影响企业的正常生产,还会污染环境,甚至引发火灾、爆炸等事故,严重威胁社会和人民的生命财产安全。相比于传统的点式检测方式,气体泄漏红外成像检测技术由于其大范围、远距离、快速定位泄漏源、动态直观等优势逐渐成为泄漏检测的有效手段之一[1]。

  红外成像检测技术的原理是基于气体的红外吸收。气体分子吸收特定波段的红外辐射而发生能级跃迁,因此气体泄漏前后,环境中的红外辐射能量会产生差异,这一特性被用来检测气体泄漏。常见的气体分子吸收波段主要集中在近红外波段(3~5 mm)和远红外波段(8~12 mm)。

  红外成像检测技术分为主动式检测和被动式检测[2]。主动式检测技术以激光作为激励源,信噪比高、灵敏度高,气体与背景之间不需要温度差异,但是系统较为复杂。常见的几种技术有差分吸收激光雷达(DIAL)技术、可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术、傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术、差分吸收光谱(DOAS)技术。

  被动式检测技术是基于气体分子对背景的辐射吸收,不需要光源,系统结构相对简单,但是需要气体与背景之间存在温度差异,信噪比低,图像处理过程较为复杂。被动式检测技术分为红外热成像技术和红外光谱成像技术。红外热成像技术关注的重点在于气体泄漏的探测和泄漏源的定位,而红外光谱成像技术能够定量检测气体泄漏的浓度并确定气体种类[3]。

  红外成像检测技术根据探测器的种类可以分为制冷型和非制冷型。制冷型探测器为光子型探测器,工作原理是在红外辐射的作用下,材料的载流子浓度发生变化,在内部电场偏压下产生电学信号的输出。该种材料在室温下会增加噪声水平,从而降低器件的信噪比,因此器件需工作在低温环境下。非制冷型探测器是一种光热型红外探测器,工作原理是利用红外辐射特有的热效应,将红外辐射先转换为材料的温度变化,导致材料的结构或者物理量发生变化,通过探测变化的物理量转换成电学信号的输出[4]。两种探测器的特点如表1所示。制冷型红外探测器价格居高不下,且系统的复杂性高,发展受到制约。非制冷型红外探测器由于其显著优势,近年来得到了各行业的关注,发展迅速,成为了红外焦平面探测器在民用领域的主流产品。

  红外热成像技术检测气体泄漏的工作原理是气体的红外辐射经光学系统汇聚后,被红外探测器探测到,这部分辐射能量经过光电转换、信号处理等过程,以视频图像的形式显示出来。

  美国FLIR公司是发展较早的红外热像仪生产厂家,目前该公司已生产出能检测甲烷、乙烯、六氟化硫等不同气体众多型号的气体热像仪,技术较为成熟。近年来,该公司又研制出了本质安全型光学气体热像仪FLIR GFx320[5]。该设备使用锑化铟(InSb)探测器,红外分辨率320×240,探测器像素间距30 mm,NETD15 mK,波长范围3.2~3.4 mm。能快速进行泄漏探测,同时维持危险场所内的安全性。图1(a)为作者使用GFx320设备,对华北地区某炼厂进行罐区气体泄漏检测时发现的甲烷泄漏。图1(b)中红色标记云团为经过算法提取后的气体泄漏目标。2019年,FLIR公司推出了首款非制冷型红外热像仪GF77[5],可实时显示甲烷排放,实现更快、更高效的气体泄漏检测。红外分辨率320×240,探测器像素间距25 mm,NETD25 mK,波长范围7~8.5 mm。

  法国Bertin公司的Second Sight系列气体成像仪是较早的非制冷红外成像仪[6],采用长波红外(8~14 mm)非制冷型探测器。Second Sight系列分为军用型Second Sight©MS和民用型Second Sight©TC。系统能连续工作,实现对挥发性有机物(VOCs)的监测,且监测到气体泄漏时自动发出警报。系统可在火焰、蒸气、烟雾等环境下识别出泄漏气体[7]。

  红外光谱成像技术是红外热成像技术与光谱技术的有机结合,该技术能同时实现基于场景的红外成像和气体种类的识别。根据光谱分辨率的高低,又可分为多光谱技术和高光谱技术。

  加拿大的Telops公司是具有代表性的高光谱成像仪的生产厂家,公司研发生产了一系列基于傅里叶变换的红外高光谱成像仪,主要有FIRST、Hyper-Cam系列,能提供丰富的二维空间信息及第三维的光谱数据。通过比较测量光谱与已知气体、固体的光谱特征可以快捷地获得目标成分、组成及特性[8-10]。Hyper-Cam成像光谱仪空间分辨率和成像质量高,光谱分辨率可通过软件选择从0.25 cm-1到150 cm-1,实现石化企业的气体泄漏监测。朱亮等人[11]利用Hyper-Cam傅里叶红外光谱仪进行了实验研究,并在某公司乙烯装置开展了现场泄漏检测与识别应用,根据结果提出了一种有助于石化生产安全隐患排查与事故应急处置的方法。但是,高光谱成像技术成本较高,由于要完成光谱扫描,系统运行速度较慢。

  美国Rebellion光电公司研发的非制冷气云成像(GCI)系统利用高光谱成像技术和精确的探测算法能准确定位泄漏源、测量泄漏气体的体积和浓度[12]。GCI相机可以检测泄漏到3 200 m外的气体,检测高度达30 m,仪器可扩展进行全方位360度旋转。Rebellion公司利用该设备实现了对烷烃、烯烃的探测[13]。川东北某气田利用气云成像摄像机对厂区的罐区和管线区域进行现场测试,在气体泄漏位置识别、泄漏识别准确度、泄漏响应方面均取得较好的应用效果[14]。但是该设备通讯负荷高,成本较高,不适合作为常规的气体泄漏监测手段。

  和国外技术相比,国内红外成像技术起步较晚,但近些年来发展迅速,不少单位都进行了相关研究。

  郑为建等人[15]2016年设计了长波红外时空调制高光谱成像实验装置,研究了二维空间平面化学气体VOCs高光谱成像检测方法。2019年,采用定制的扩展长波光电导碲镉汞探测器组件[16],扩展了红外探测器的响应带宽(7~15 mm),覆盖整个长波红外大气窗口,满足民用和工业有毒有害气体特征监测的技术需求。

  金伟其团队对气体泄漏红外成像技术进行了较为全面的研究,包括红外图像增强算法[17]、气体红外成像探测概率[18]、气体泄漏扩散模型[19]等。2014年,牵头组织烟台艾睿公司和北方广微公司分别研制了氧化钒非制冷宽波段红外焦平面探测器组件(3~14 mm),制成宽波段气体泄漏红外热成像检测原理样机[20]。2018年,该团队在艾睿公司生产的探测器基础上,研制了甲烷气体红外成像检测工程样机,实现了天然气等烷类气体泄漏的有效检测[21,22]。

  熊仕富[23]进行了红外热成像甲烷气体探测与识别系统的关键技术研究。在非制冷红外焦平面探测器成像的基础上,通过设计光学成像系统和红外窄带滤光片光学薄膜,探讨了提高系统检测灵敏度的方法,实现了甲烷的有效探测与识别。

  焦洋、徐亮等人[24-26]设计了气体扫描成像傅里叶变换红外遥测系统,已实现对城市空气中NH3、C2H4等气体的检测。系统探测灵敏度高,并以可视化和定量的方式显示污染的空间分布情况,但空间扫描分辨率较低,如果要提高系统的扫描精度,会限制探测速度。

  王敏[27],Ding,K[28]等主要对易燃易爆气体红外成像系统的检测算法进行了相关研究 。

  气体泄漏红外成像检测技术的关键技术和产品主要掌握在发达国家手中,且部分技术对中国实施禁运。随着我国石油化工领域的迅猛发展,气体泄漏红外成像检测的需求日益增大,国内的许多研究单位也具备了生产、研发相关产品的能力。

  在红外探测器及机芯模组方面,国内相关公司已具备自主研发、产业化生产的能力。包括以非晶硅[29]、氧化钒[30]材料为主的非制冷红外焦平面探测器,以碲镉汞、二类超晶格材料为主的制冷型红外探测器[31]。红外机芯提供数据接口,具备完善的SDK开发库,便于二次开发,实现持续迭代优化。用户可根据实际需要,配备不同焦距的镜头。除此之外,也有不少单位利用国内外先进技术研发便携式红外成像设备[32-34]。主要分为检测VOCs气体的中波型红外成像设备和检测六氟化硫、氨气、乙烯等气体的长波型红外成像设备。

  虽然国内气体泄漏红外成像技术起步相对偏晚,但是目前也已具备多种规模的设计、生产和系统应用的能力。气体泄漏红外成像检测技术的发展主要有以下几个趋势。

  目前在石化企业使用的气体泄漏红外成像设备大都是国外进口设备,成本较高,不适于推广普及。国内虽已具有自主研发生产的气体泄漏红外成像检测仪,但是探测器大都依赖进口,没有实现纯国产化。随着国内相关单位探测器自主研发、生产能力的提升,纯国产化、低成本的设备应用到石化企业中指日可待。

  探测器的大阵列、小像元有助于使图像更清晰、探测距离更远、降低生产成本、提高响应速度[35]。减小探测器的体积有助于减小整个仪器的尺寸。

  气体泄漏红外成像检测系统使用的探测器响应波段较窄,只能实现单一气体的检测。若能把中红外波段和远红外波段结合起来,同时实现对多种气体的探测,将大大拓展仪器的性能,这也对新材料、新结构的探测器提出了需求。

  红外成像对比度差,系统灵敏度较低。一方面要优化探测器,另一方面要探索有效的图像处理算法,在图像处理层面提高系统灵敏度。

  结合石化企业泄漏检测的实际需求,红外成像检测设备要从离线化走向在线式。检测设备与报警联动,一旦发现气体泄漏,实时直观地显示气体泄漏位置并及时报警,推进区域联防联控。

  气体泄漏红外热成像技术主要实现定性检测,红外光谱成像技术可以实现定量检测,但是运行速度较慢。如何解决探测气体种类的数量、辨别气体种类的能力与系统响应时间之间的矛盾,提高系统的综合性能仍是一个需要解决的问题。

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