液化天然气(LNG)接收站作为天然气供应链的核心节点，其安全运行直接关系能源供应与公共安全。传统可燃气检测技术依赖气体浓度积累，存在响应延迟、抗干扰能力弱等问题，如催化燃烧型、红外吸收型探测器。超声波检测技术通过捕捉泄漏产生的湍流声波，可实时检测微泄漏事件，但其性能受限于噪声环境与算法精度。近年来，深度学习、边缘计算等技术的突破为超声波检测的智能化升级提供了新方向。
1、常规可燃气检测方法局限性
传统可燃气检测方法主要包括电化学型、半导体型、催化燃烧型探测器，红外吸收型以及激光吸收型探测器。LNG接收站工艺区存在的可燃气体主要成分是甲烷，宜选用红外吸收型或催化燃烧型探测器。
1.1 催化燃烧型可燃气探测器
催化燃烧型可燃气探测器测量原理是利用燃点高的金属铂丝加热后的电阻率变化测定可燃气体浓度。当可燃气体进入时，由于铂丝的催化作用，使可燃气体在铂丝表面引起氧化反应，即无焰燃烧，产生的热量使铂丝的温度升高且使电阻率也产生变化。通过检测铂丝电阻率的变化，即可测量出可燃气体的浓度，并转换成电信号输出。
催化燃烧型可燃气探测器只对可燃气有反应，抗干扰能力强，对环境温度和湿度不敏感，且结构简单、价格便宜。该类型探测器需要氧气助燃才能正常工作，缺氧环境下报警误差相对较大，并且催化剂需要不断热处理，使用寿命短。检测元件表面温度通常在200～300℃，内部温度最高可达到700℃及以上，而且催化剂对环境有害，不宜用于LNG接收站。
1.2 红外吸收型可燃气探测器
红外吸收型可燃气探测器的基本原理主要基于红外吸收光谱的特性。利用可燃气体吸收特定波长红外能量的特性，当可燃气体通过红外光路探测器时，其分子会吸收红外光的辐射能量，从而导致红外光线的强度降低，利用这种红外吸收效应可检测可燃气体浓度。红外探测器通常包含单个或多个红外光源和一个光敏元件，红外信号的变化被光敏元件转换成为电信号，进而转换成为与气体浓度相关的电压信号。
相比较催化燃烧型可燃气探测器，红外吸收型可燃气探测器更适用于LNG接收站工况，宜用于检测碳氢化合物组成的可燃气体，不宜用于非碳氢化合物气体的检测。该类型探测器无需催化剂及氧气助燃，无毒，测量准确度和选择性高，测量范围大。
1.3 激光吸收型可燃气探测器
激光吸收型可燃气探测器原理是通过检测激光束所吸收光谱的能量来确定气体分子的种类和浓度。当气体分子与激光束接触时，会吸收激光束的能量并产生光谱变化，通过对吸收光谱的分析可以确定气体分子的种类和浓度。当检测区域出现可燃气云团时，发射器发出的光谱被可燃气体吸收，使到达接收器的光谱强度减弱，通过测量光谱强度的变化而获得可燃气体的浓度，转换成为电信号。
激光吸收型可燃气探测器相比较红外吸收型可燃气探测器具有更高的灵敏度、可靠性。激光特性能够快速地检测到微小的气体浓度变化，能够在第一时间对检测到的危险气体发出警告，响应速度快，安全性高，且能够在恶劣的环境下正常工作。但该类探测器价格较高，易受环境污染、积尘影响；受原理所限，和红外吸收型可燃气探测器一样，仅能通过可燃气浓度变化来确定是否产生泄漏。
1.4 技术对比综合考虑
可燃气探测器原理、工况要求、校准周期、使用寿命、现场操作维护要求、经济性及安全可靠性等因素，红外和激光吸收型可燃气探测器更适用于LNG接收站工况，其中红外吸收型首选点式和线型可燃气探测器，激光吸收型选用线型可燃气探测器。点式可燃气探测器可应用于站场可燃气各个泄漏场所分散布置，线型可燃气探测器作为点式可燃气探测器的补充应用于区域开阔的场所，分割边界，覆盖泄漏点密集区域。
传统的可燃气探测器已很成熟，但在实际应用中，不论是催化燃烧型、红外吸收型还是激光吸收型都会受到多种因素的影响和限制。如催化燃烧型可燃气探测器有元器件易中毒影响寿命，功耗高，缺氧时检测误差大，可燃气体浓度高时会损坏传感器等缺点。红外吸收型可燃气探测器受外界环境影响大，温度、湿度、风速风向都会影响其测量准确性。激光吸收型可燃气探测器相比较而言受温度、湿度影响较小，但需要泄漏气体累积到一定浓度才有效，因而受到风力、风向的影响。
常规可燃气体检测技术对比：
①催化燃烧型可燃气探测器优点：成本低、结构简单；缺点：需氧气、高温易中毒、误报率高。
②红外吸收型可燃气探测器优点：无需催化剂、选择性高；缺点：受温度、湿度影响大，响应速度慢。
③激光吸收型可燃气探测器优点：灵敏度高、抗干扰强；缺点：成本高、需泄漏气体累积到一定浓度才有效。
上述检测方法普遍依赖于气体扩散与浓度积累，难以满足高压管路微泄漏的快速检测需求，且受环境因素制约显著。
2、超声波气体探测器
2.1 超声波技术原理当管道或容器内充满气体并且内部压强大于外部压强时，如果存在泄漏孔，气体会通过泄漏孔从高压端向低压端泄漏，当泄漏孔尺寸比较小且雷诺数较高时，泄漏的气体会形成湍流，从而在泄漏孔附近产生一定的频率声波，这些声波在空气中传播，被称为空载超声波。超声波气体探测器可以利用收音装置将这些泄漏点产生的超声波捕获、放大，然后通过压电元件转换成电信号进行分析判断并发出报警指令。
2.2 超声波可燃气探测器的特点
近年来，超声波技术已非常成熟，相比较传统的可燃气探测器而言，超声波可燃气探测器可直接检测气体泄漏时的瞬时变化。主要优势是超声波技术不需要等待可燃气体泄漏积聚，可以测量快速泄漏的少量气体，避免风速、风向对泄漏气体的影响。然而，受超声波原理限制，超声波可燃气探测器只能探测气体是否泄漏，无法提供泄漏气体的组分以及浓度。在高噪音环境，其探测距离会受到一定影响，正常的可闻噪声对探测器影响不大，但可能会受到安全阀和气动阀执行器等动作产生的声学噪声影响，需要通过设置延迟报警排除类似间断超声波的误报警。
根据超声波可燃气探测器的测量原理及特点，可知该类探测器适用于LNG站场带压气体管线和设备的泄漏检测。在某大型LNG接收站工艺设施区域设置了某型号的超声波可燃气体探测器若干个。
2.3 超声波前沿技术应用
该型号可燃气探测器是基于先进的声学和人工神经网络(artificial neural network，ANN)的新一代超声波可燃气探测器，具有快速检测气体泄漏、抑制不需要的背景噪音、减小环境噪声的特点。ANN算法类似于人脸识别，区别只是识别对象换成了噪声源，该技术大幅提高和优化了检测能力。探测器能将真实的气体泄漏声音与无关的正常背景噪声区分开，基于频域而不是声级域(dB级别)来分析声音，因此对气体泄漏声音极其灵敏同时还不会受背景噪声影响而误报警。探测的感应距离可达28m，感应压强最小为0.2MPa、正常1MPa或更高，分析的噪声频率最低达12kHz。
2.3.1 操作和设置
该型号可燃气探测器可以采用三种不同方式来设置，包括外部工具笔、HART以及Modbus设置方式。探测器支持两种检测模式，基于声音压力级别(SPL)报警触发器的传统模式和基于ANN的智能模式，报警设定值决定了检测范围即灵敏度。
传统模式下，SPL报警触发器触发值应高于背景噪声至少6dB，在使用模拟输出时，应在可燃气报警系统中设置触发级别，出厂默认设置为79dB。智能模式下，ANN的灵敏度级别是初始工作时的SPL的级别，如设置为70dB，低于70dB的所有声音都不会被视为真实信号;当SPL超过70dB时，ANN将气体泄漏作为真实信号传递并触发报警。该值的设置尽量低一些，可加强检测灵敏度，出厂默认值为59dB，可以最低设置为44dB。
2.3.2 报警
探测器探测到超过SPL设定值时触发报警，但常有短暂的背景噪声峰值引发虚假报警，所以一般设置报警延迟时间为0～240s。传统模式下，延迟时间出厂默认设置为10s，不是连续的超声波不触发报警，通过延长报警时间进一步降低误报警。智能模式下，延迟时间表示ANN已经识别可燃气泄漏，更准确快速地探测出泄漏气体，出厂默认时间为2s。
3、应用和建议
从减少人员在危险环境内活动的理念出发，基于现场泄漏场景及风险防控需要，确保现场关键区域、薄弱环节有效覆盖，细致评估站场工况，制定合理有效的应用方案，提升站场天然气轻微泄漏检测水平。
3.1 应用
综合考虑该站场实际工况及超声波探测器可靠性，对设备有效覆盖范围、设备泄漏报警及时性、现场背景噪声、人员风险区域活动范围等因素进一步核查，最终在浸没燃烧气化器区(SCV区)、海水开架式气化器区(ORV区)、高压泵区、外输计量区域等重要工艺区域设置了该型号超声波可燃气探测器，这些区域风险等级和工艺管道压力高，表压设计值超过10MPa，高压区域的气体泄漏更易于被探测到。检测覆盖半径设置为0～28m，设备安装在DN50立柱或者钢结构上，探测器正面朝向需主要探测的区域，实时监测露天的天然气泄漏，尽量避免靠近声学噪声源，如气动阀门执行器、安全阀等。
应用前需测试探测器的性能，用氮气及仪表气作为测试气体替代天然气，选择不同方位，以设备最大有效覆盖距离边界位置为测试点;记录不同时间、不同背景噪声值下的报警数据，验证设备在有效覆盖范围内及时有效报警的灵敏度。
3.2 建议
超声波可燃气探测器具有非接触、无干扰、灵敏度高、响应速度快、不受风向影响、无需等待泄漏气体累积浓度等优点，根据现场测试应用的数据，初步证明了用于LNG接收站的超声波可燃气探测器的性能，有效提高了检测气体泄漏的能力。
因此，建议考虑使用超声波可燃气探测器替代部分常规气体探测器，对于复杂管路以及重要工艺装置，布置常规气体探测器的同时可额外补充超声波可燃气探测器，为站场生产及运行提供安全保障。然而，超声波可燃气探测器的应用没有相关的标准规范可循，性能及优越性方面均由试验及测试而获得，有待完善，因此不建议参与逻辑关断动作。建议每年对该探测器的背景噪声进行测试，以确定背景噪声的更改是否影响原报警值、探测范围及测试时间;建议每年使用厂家手持测试器进行一次功能测试，检查设备性能的完备性。
4、结束语
超声波可燃气探测器作为一种智能化工业气体泄漏检测装置，能够实时检测工业设备及管路的泄漏情况，在极早期及时判别轻微气体泄漏，避免事故扩大产生火灾及爆炸等恶劣影响。随着工业自动化和智能化的发展，超声波可燃气探测器在LNG接收站及其他各行业具有良好的应用前景。
作者：韩超，张伟刚，王乃民，陈健，吕欣泽(海洋石油工程股份有限公司)
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