本发明属于管输天然气泄漏检测技术领域，具体涉及一种基于多个不同气体检测探头组合而成的天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜和方法，主要适用于长输天然气管道微量泄漏的在线监测。
背景技术：
天然气长输管道泄漏事故后果严重，影响范围大，是安全生产关注的重点。由于天然气管道通常埋地敷设，空间跨度大，如何及时有效地发现天然气泄漏，一直以来都是行业内研究的热点和难点。
现有的泄漏检测技术，如次声波检测技术、振动光纤检测技术等，是利用气体泄漏后的管道振动转换成声、光信号进行检测，发现时通常泄漏已经较为明显，对于微小裂缝等产生的微小泄漏没有检测能力，不能在极早期发现气体泄漏。
近年来，还出现一种基于检测管的泄漏检测技术。该技术通过与天然气管道同沟敷设特殊材质制成的检测管，来捕集环境中的天然气，然后通过正压或者负压驱动的方式将补集的天然气输送到气体探测器进行分析，可以检测出微量泄漏的天然气，并进行准确定位。然而，该检测技术通常在检测管两端分别设置一套在线分析装置和一套标志气生成装置，装置较为复杂，应用时受分输站场或者阀室空间的限制。而且，由于驱动动力源的能力有限，单套装置的覆盖距离通常在40km以内。同时，目前采用的等质量定位算法假设检测管中的气体是密度均匀的气体，而空气中含水量分布的不均匀，可能对定位算法造成一定影响，产生定位误差。另外，自然界中存在沼气等气体，可能渗透进检测管中被抽取进行分析，容易造成误报，对天然气泄漏检测产生干扰。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜和方法，能够对长输管道的天然气微量泄露进行有效在线检测。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的第一个方面，是提供一种天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜，其包括：柜体、控制单元、采样单元、工业电脑、在线分析仪组合单元、标志气发生单元以及设置在柜体侧部的标志气接口和样气接口；所述工业电脑设置有触摸屏，用于实现参数设置、系统控制、分析结果展示功能，并将接收的参数设置和系统控制信号发送到所述控制单元；所述控制单元用于根据接收到的参数设置和系统控制信号对所述采样单元、在线分析仪组合单元和标志气发生单元进行控制；所述采样单元通过所述样气接口与待检测管路一端连通，用于对待检测管路内的样气进行抽取，并输送到所述在线分析仪组合单元；所述在线分析仪组合单元用于对所述采样单元输送的样气进行检测，并将检测结果发送到所述控制单元；所述标志气发生单元通过所述标志气接口与所述待检测管路另一端连通，用于将标志气输送到所述待检测管路中；所述控制单元将接收到的所有检测数据发送到所述工业电脑中，由所述工业电脑根据检测结果实现对微量天然气泄露的检测和定位分析，并根据分析结果进行预警，同时存储所有检测数据。
进一步，所述控制单元采用plc控制器，所述plc控制器中设置有数据采集单元和自动控制单元；所述数据采集单元用于接收在线分析仪组合单元发送的所有检测信号；所述自动控制单元用于根据接收到的取样流量、时间间隔参数设置信号，实现对整个分析流程的自动控制。
进一步，所述采样单元包括第一电磁阀组、第一质量流量控制器和取样泵；所述第一电磁阀组包括两个连接端口，两连接端口分别通过所述样气接口与第一待检测管路和/或第二待检测管路相连，所述第一电磁阀组的输出端与所述取样泵的输入端相连，所述取样泵的输出端与所述第一质量流量控制器相连；所述电磁阀组、取样泵和第一质量流量控制器均与所述控制单元相连，且所述电磁阀组用于根据所述控制单元发送的控制信号进行管路切换；所述取样泵用于根据所述控制单元发送的控制信号对所述待检测管路内的样气进行抽取；所述第一质量流量控制器的输出端作为所述采样单元的输出端与所述在线分析仪组合单元相连，用于根据所述控制单元发送的控制信号对所述待检测管路的气体进行流量测量和控制，使得待检测管路中的气体按照均匀稳定的流速抽取并输出到所述在线气体分析仪组合单元进行分析。
进一步，所述在线分析仪组合单元包括甲烷气体分析仪、c3 气体探测器、氢气探测器以及水露点检测器；所述甲烷气体分析仪的输入端与所述采样单元的输出端相连，所述甲烷气体分析仪的输出端依次与所述c3 气体探测器、氢气探测器以及水露点检测器相连，所述水露点检测器的输出端通过管路直接排放大气；所述甲烷气体分析仪、c3 气体探测器、氢气探测器以及水露点检测器均与所述控制单元相连，分别用于对所述待检测管路中气体的甲烷、c2、c3、氢气、水分的含量进行检测，并发送到所述控制单元。
进一步，所述标志气发生单元包括第二质量流量控制器、第二电磁阀组、第一过滤单元、第二过滤单元以及空压机和c3 标准气气瓶；所述第二电磁阀组包括两个输入端和两个输出端；第一输入端与所述第二质量流量控制器的输出端相连，所述第二质量流量控制器的输入端通过所述第一过滤单元与设置在机柜外部的所述空压机相连构成吹扫支路，且所述第二质量流量控制器与所述控制单元相连，在所述控制单元的控制下对吹扫支路内的气体进行流量测量和控制；第二输入端通过所述第二过滤单元与设置在机柜外部的所述c3 标准气气瓶相连构成标志气支路；所述第二电磁阀组的两个输出端与所述待检测管路相连，用于在所述控制单元的控制下对气路进行切换，使得吹扫支路或标志气支路提供的空气或标志气输入到待检测管路中。
本发明的第二个方面，是提供一种天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜的检测方法，其包括以下步骤：1)根据检测需求，将待检测管路与天然气微量泄露检测的在线分析集成机柜的标志气接口和样气接口相连；2)确定机柜的工作模式，并控制采样单元和标志气发生单元将待检测管路中的样气输送至在线分析仪组合单元；3)在线分析仪组合单元对采样单元输送的样气进行检测，检测结果通过控制单元发送到工业电脑，由工业电脑基于检测结果对微量天然气泄露进行检测和定位分析，并根据分析结果进行预警。
进一步，所述步骤1)中，待检测管路与天然气微量泄露检测的在线分析集成机柜的连接方式有两种：环形检测模式：将集成机柜侧部的样气接口和标志气接口分别与待检测管路两端相连，形成一个检测通路；开路检测模式：将第一个集成机柜的标志气接口与第一段待检测管路一端相连，将第一段待检测管路的另一端与第二个集成机柜的采样接口相连，将第二段待检测管路的一端与第二个集成机柜的标志气接口相连，第二段待检测管路的另一端与第三个集成机柜的采样接口相连，依次串联连接，形成开路检测。
进一步，所述步骤2)中，集成机柜的工作模式包括负压抽取模式和正压输送模式两种工作模式；所述负压抽取模式是指：检测循环开始时，对第二电磁阀组进行控制，同时控制取样泵起动，使得c3 气体进入待检测管路内，并随着样气被抽取到机柜中的c3 探测器进行检测；根据数据分析识别出c3 气体浓度峰值出现的时刻，并将此刻作为检测循环的结束点；正压输送模式是指：在检测循环开始前，先打开空压机进行吹扫，吹扫完毕后关闭空压机；检测循环开始时，对第二电磁阀组进行控制，使得待检测管路与标志气钢瓶连通，向机柜中注入c3 标志气；然后，控制空压机工作，使得空压机中的空气进入待检测管路内，并随着样气进入到机柜中的在线分析仪组合单元进行检测，系统根据数据分析识别出c3 气体浓度峰值出现的时刻，并将此刻作为检测循环的结束点。
进一步，所述步骤3)中，在线在线分析仪组合单元对样气进行检测，基于检测结果对微量天然气泄露进行检测和定位分析，并根据分析结果进行预警的方法，包括以下步骤：3.1)甲烷气体分析仪、c3 气体探测器、氢气探测器以及水露点检测器分别对样气中的甲烷和乙烷浓度、c3气体浓度、氢气浓度以及水分含量进行检测，并将检测结果发送到控制单元；3.2)控制单元将所有检测结果发送到工业电脑，由工业电脑基于检测结果对微量天然气泄漏进行检测和定位分析，并根据分析结果进行预警。
进一步，所述步骤3.2)中，基于检测结果对微量天然气泄漏进行检测和定位分析时，分析方法为：
首先，根据氢气检测器检测到的氢气含量，判断检测管中的是沼气还是天然气泄漏，如果检测出甲烷浓度的同时检测到氢气浓度信号，则认为检测管中为沼气而非天然气泄漏；否则的话，则认为是天然气泄漏；
其次，根据水露点检测仪检测到的水分含量，修正由于含水量造成气体密度分布不均匀，导致系统定位计算出现的误差，进而得到泄漏点；
根据密度修正系数对水分含量进行修正，其计算公式为：
式中，h为空气中含水量，t为温度，单位为℃；
根据密度修正系数确定泄漏点的定位修正系数：
c1＝1/c0。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)集成化的在线分析机柜，将整套系统的采样单元(采样泵、采样管路、在线分析仪、放空管路等)、标志气发生单元(电磁阀、标志气瓶接口等)、plc控制系统和工控计算机集成在一套标准机柜内，实现了装置的集成化、小型化、自动化，节约占地面积，可以即插即用。
(2)集成机柜与检测管之间可以采用环路连接或者开路连接。环路连接可以在将系统布置在单个站场，避免收、发装置分别设置在上下游两个站场，避免设置独立的控制系统以及上下游之间的通讯问题。开路连接可以实现多个机柜串联，扩展检测范围，适用于几百、上千公里的天然气长输管道。
(3)采用了多种气体在线分析仪组合。本发明所采用的激光式分析仪为双通道气体分析仪，可以同时检测甲烷和乙烷浓度。由于天然气中一般含有乙烷成分，而沼气等天然存在的干扰气体中的乙烷含量为零，因此通过乙烷浓度检测可以作为天然气检测的补充判据。除此之外，本发明设有氢气探测器，可以检测出气体中含有的氢气浓度。沼气中通常含有一定量的氢气，如果在检测到甲烷的同时检测到氢气，则可以作为沼气的判据，从而减少误报。
(4)采用激光式甲烷气体分析仪。从检测原理上讲，激光式分析仪相对电化学式和红外式分析仪，具有灵敏度更高、响应速度快的优点，可以检测到更低浓度的甲烷气体。
(5)采用水含量分析仪，可以在线检测采样气体中的水含量，用于修正空气中含水量造成密度分布不均匀，导致系统定位计算出现的误差。
因此，本发明可以广泛应用于管输天然气泄漏检测技术领域。
附图说明
图1(a)和图1(b)为本发明一种天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜的结构示意图，其中，图1(a)为在线分析集成机柜的背面结构示意图，图1(b)为在线分析集成机柜的正面结构示意图；
图2为本发明一种天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜的管路图；
图3为本发明一种天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜的环路连接方法；
图4为本发明一种天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜的开路连接方法；
图中各标记如下：
1、控制单元；2、采样单元；21、第一电磁阀组；22、第一质量流量控制器；23、取样泵；3、工业电脑；31、触摸屏；32、上位机；4、在线分析仪组合单元；41、甲烷气体分析仪；42、c3 气体探测器；43、氢气探测器；44、水露点检测器；5、标志气发生单元；51、第二质量流量控制器；52、第二电磁阀组；53、第一过滤单元；54、第二过滤单元；55、空压机；56、c3 标准气气瓶；6、标志气接口；7、样气接口；8、第一待检测管路；9、第二待检测管路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提出了一种天然气微量泄露检测的在线分析集成机柜，以解决微量天然气泄漏在线检测与分析问题。本发明解决了在线分析系统的集成化、小型化与自动化；解决单个系统监测距离有限，不能满足长距离管道泄漏监测的问题；通过一种多气体分析仪的组合，来提高天然气在线分析的灵敏度和响应速度，同时解决沼气等干扰气体对天然气检测可能造成的影响；通过水分分析仪对空气中含水量造成的定位误差进行修正。
如图1(a)和图1(b)所示，本发明提供的一种天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜，其包括：设置在机柜背面上部的控制单元1、设置在机柜背面下部的采样单元2、设置在机柜正面上部的工业电脑3、设置在机柜正面中部的在线分析仪组合单元4、设置在机柜正面下部的标志气发生单元5以及设置在机柜侧部的标志气接口6和样气接口7。其中，工业电脑3设置有触摸屏31，用于实现参数设置、系统控制、分析结果展示等功能，并将接收的参数设置和系统控制信号发送到控制单元1；控制单元1用于根据接收到的参数设置和系统控制信号对采样单元2、在线分析仪组合单元4和标志气发生单元5进行控制；采样单元2通过样气接口7与待检测管路一端连通，用于对待检测管路内的样气进行抽取，并输送到在线分析仪组合单元4；在线分析仪组合单元4用于对采样单元2输送的样气进行检测，并将检测结果发送到控制单元1；标志气发生单元5通过标志气接口6与待检测管路另一端连通，用于将标志气输送到待检测管路中；控制单元1将接收到的所有检测数据发送到工业电脑3中，由工业电脑3根据检测结果实现对微量天然气泄露的检测和定位分析，并根据分析结果进行预警，同时存储所有检测数据。
进一步，控制单元1采用plc控制器，该plc控制器中设置有数据采集单元和自动控制单元。其中，数据采集单元用于接收在线分析仪组合单元发送的所有检测信号；自动控制单元用于根据接收到的取样流量、时间间隔等参数设置信号，实现对整个分析流程的自动控制，包括：管路吹扫、静置(检测管渗透捕集)、抽取样品、在线分析、放空等。
进一步，工业电脑3中设置有上位机32，该上位机22内设置有数据库、预装载气实时分析系统和泄漏定位系统。其中，预装载气实时分析系统和泄漏定位系统分别用于根据控制单元发送的监测数据完成系统泄露报警和泄漏点定位功能，数据库用于对控制单元发送的所有检测数据以及预装载气实时分析系统和泄露定位系统得到的泄露报警和泄漏点定点分析结果进行存储。
进一步，如图2所示，采样单元2包括第一电磁阀组21、第一质量流量控制器22和取样泵23。其中，第一电磁阀组21包括两个连接端口，两连接端口分别通过样气接口7与第一待检测管路8和/或第二待检测管路9相连，第一电磁阀组21的输出端与取样泵23的输入端相连，取样泵23的输出端与第一质量流量控制器22相连。电磁阀组21、取样泵23和第一质量流量控制器22均与控制单元1相连，且电磁阀组21用于根据控制单元1发送的控制信号进行管路切换，包括选择抽取第一待检测管路8或者第二待检测管路9中的气体进行分析，或切换对第一待检测管路8和第二待检测管路9的吹扫；取样泵23用于根据控制单元1发送的控制信号对待检测管路8或9内的样气进行抽取；第一质量流量控制器22的输出端作为采样单元2的输出端与在线分析仪组合单元4相连，用于根据控制单元1发送的控制信号对待检测管路8或9内的气体进行流量测量和控制，使得待检测管路8或9中的气体按照均匀稳定的流速抽取并输出到在线气体分析仪组合单元4进行分析。
优选地，取样泵23采用负压型恒流取样泵。
优选地，第一质量流量控制器22采用一体化的质量流量计和电磁控制阀。
进一步，在线分析仪组合单元4包括甲烷气体分析仪41、c3 气体探测器42、氢气探测器43以及水露点检测器44。其中，甲烷气体分析仪41的输入端与采样单元的输出端即质量流量控制器22的输出端相连，甲烷气体分析仪41的输出端依次与c3 气体探测器42、氢气探测器43以及水露点检测器44相连，水露点检测器44的输出端通过管路直接排放大气。甲烷气体分析仪41、c3 气体探测器42、氢气探测器43以及水露点检测器44均与控制单元1相连，分别用于对待检测管路8或9中气体的甲烷、c2、c3、氢气、水分的含量进行检测，并发送到控制单元1。
优选地，甲烷气体分析仪41采用高精度、双通道激光甲烷气体分析仪，相对电化学式和红外式分析仪，激光式甲烷气体分析仪具有灵敏度更高、响应速度快的优点；双通道检测可以同时分析甲烷和乙烷浓度。甲烷浓度检测范浓度围0-100ppm，乙烷浓度检测范围0-1000ppm。
优选地，氢气探测器43的氢气检测范围0-500ppm。
进一步，标志气发生单元5包括第二质量流量控制器51、第二电磁阀组52、第一过滤单元53、第二过滤单元54以及空压机55和c3 标准气气瓶56。其中，第二电磁阀组52包括两个输入端和两个输出端，第一输入端与第二质量流量控制器51的输出端相连，第二质量流量控制器51的输入端通过第一过滤单元53与设置在机柜外部的空压机55相连构成吹扫支路，且第二质量流量控制器51与控制单元1相连，在控制单元1的控制下对吹扫支路内的气体进行流量测量和控制；第二输入端通过第二过滤单元54与设置在机柜外部的c3 标准气气瓶56相连构成标志气支路；第二电磁阀组52的两个输出端分别与待检测管路8和/或待检测管路9相连，用于在控制单元1的控制下对气路进行切换，使得吹扫支路或标志气支路提供的空气或标志气输入到待检测管路8或待检测管路9中。
进一步，第二电磁阀组52包括四个三通电磁阀521～524，且三通电磁阀521和三通电磁阀522的其中一直通端口并联后作为第一输入端与标志气支路相连；三通电磁阀521和三通电磁阀522的旁通端口并联后作为第二输入端与标志气支路相连；三通电磁阀521和三通电磁阀522的另一直通端口分别与三通电磁阀523和三通电磁阀524的其中一直通端口相连；三通电磁阀523和三通电磁阀524的旁通端口并联后与大气相连；三通电磁阀523和三通电磁阀524的另一直通端口作为机柜的两个标志气接口分别用于与待检测管路相连。
进一步，第一过滤单元53采用分子筛空气过滤干燥器。
基于上述天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜，本发明还提供一种天然气微量泄漏检测的在线分析集成机柜的检测方法，包括以下步骤：
1)根据检测需求，将待检测管路与天然气微量泄露检测的在线分析集成机柜的标志气接口6和样气接口7相连。
如图3所示，当用于站场、储罐等小范围泄漏监测时，选择环形检测模式，具体的连接方法为：将集成机柜侧部的样气接口7和标志气接口6分别与待检测管路两端相连，形成一个检测通路。样气接口7另一端连接到采样单元2，由采样单元2采样后输送到在线分析仪表组合单元4对样气进行分析；标志气接口6的另一端与标志气发生单元5相连，由标志气发生单元5提供标志气到待检测管路。在每个检测循环开始时，控制单元1控制标志气发生单元5注入一定浓度的c3气体作为标志，当在线分析仪组合单元4检测到c3气体浓度峰值时，判定为一个检测循环结束。
优选地，由于集成机柜内的第一电磁阀组21和第二电磁阀组52均有两个连接端口，因此，集成机柜可以同时连接两条待检测管路，实现自动轮替检测。在每个检测循环开始时，控制单元1控制标志气发生单元5注入一定浓度的c3气体作为标志，当在线分析仪组合单元4检测到c3气体浓度峰值时，判定为一个检测循环结束。
如图4所示，当需要对几百、上千公里的天然气长输管道进行检测时，则选择开路检测模式，此时，需要多个集成机柜串联实现，具体的连接方法为：将第一段待检测管路一端通过标志气接口连接第一个机柜的标志气发生单元，另一端通过样气接口连接第二个机柜的采样单元；第二段待检测管路一端与第二个机柜的标志气发生单元相连，第二段待检测管路另一端与第三个机柜的采样单元相连，其他各段待检测管路依次采用相同方法连接，构成串联检测通路。待检测管路内的气体被抽取到第二个机柜进行分析，检测开始时，第一个机柜向待检测管路内注入一定浓度的c3气体，当第二个机柜检测到c3气体浓度达到峰值时，判定为一个检测循环结束。由于单个机柜的监测距离可以达到40km，在开路检测模式下可以通过多个机柜串联，扩展检测范围。
2)确定机柜的工作模式，并通过控制单元控制标志气发生单元和采样单元将检测管中的样气输送至在线分析仪组合单元。
其中，机柜的工作模式包括负压抽取模式和正压输送模式，在负压抽取模式下采用取样泵23作为动力源抽气；在正压输送模式下，采用空压机55作为动力源送气。
负压抽取模式是指：
本发明中将c3 气体作为判断检测循环结束的特征气体。检测循环开始时(系统记下检测开始时刻)，对第二电磁阀组52进行控制，即控制电磁阀521和电磁阀523导通，同时控制取样泵23起动(此时空压机55不工作)，使得c3 气体进入待检测管路8内，并随着样气被抽取到机柜中的c3 探测器42进行检测。系统根据数据分析识别出c3 气体浓度峰值出现的时刻，并将此刻作为检测循环的结束点。对于待检测管路9，则通过对电磁阀522和电磁阀524以相同的方式进行控制。
正压输送模式是指：
用空压机55代替真空泵23作为动力源，将待检测管路内的气体输送到机柜内进行检测。该模式下，在检测循环开始前，先打开空压机55进行吹扫，吹扫完毕后关闭空压机55；检测循环开始时，通过控制电磁阀521和电磁阀523导通，使得待检测管路8与标志气钢瓶56连通，向机柜中注入c3 标志气；然后，控制空压机18工作(此时取样泵不工作)，使得空压机55中的空气进入待检测管路8内，并随着样气进入到机柜中的在线分析仪组合单元进行检测，系统根据数据分析识别出c3 气体浓度峰值出现的时刻，并将此刻作为检测循环的结束点。对于待检测管路3，则控制电磁阀522和电磁阀524以相同的方式进行控制。
3)在线分析仪组合单元对采样单元输送的样气进行检测，检测结果通过控制单元发送到工业电脑，由工业电脑基于检测结果对微量天然气泄露进行检测和定位分析，并根据分析结果进行预警。
具体的，包括以下步骤：
3.1)在线分析仪组合单元4中的甲烷气体分析仪41、c3 气体探测器42、氢气探测器43以及水露点检测器44分别对样气中的甲烷和乙烷浓度、c3气体浓度、氢气浓度以及水分含量进行检测，并将检测结果发送到控制单元1。
3.2)控制单元1将所有检测结果发送到工业电脑3，由工业电脑3基于检测结果对微量天然气泄漏进行检测和定位分析，并根据分析结果进行预警。
具体的，分析方法为：
首先，根据氢气检测器43检测到的氢气含量，判断检测管中的是沼气还是天然气泄漏，如果检测出甲烷浓度的同时检测到氢气浓度信号，则认为检测管中为沼气而非天然气泄漏；否则的话，则认为是天然气泄漏；
其次，根据水露点检测仪44检测到的水分含量，修正由于含水量造成气体密度分布不均匀，导致系统定位计算出现的误差。
采用水露点检测仪修正定位的原理：集成分析机柜设有质量流量控制器，可以控制样气以恒定的质量流量被抽入到在线分析仪表组合单元中进行检测。根据监测到的气体质量流量、监测前气体温度和压力，将气体流量换算成对应长度的距离，进而反算泄漏点位置，通过对泄漏信号曲线求一阶导数零点位置来确定泄漏点。
但实际情况中，由于检测管内的空气密度并非均匀分布，尤其是管道距离较长时，不同部位的空气含水量的不同，会对密度造成影响。本发明中，采用水露点检测仪对样气中的含水量进行同步在线检测，同时结合该时刻下的温度测量值，得到样气密度修正系数，从而对泄漏点定位进行修正。
具体的，由于空气分子量为29，水的分子量为18，因此，密度修正系数的计算公式为：
式中，h为空气中含水量(体积比)，t为温度，单位为℃。
相应地，泄漏点的定位应乘以修正系数：
c1＝1/c0
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
