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《光學與光電技術(shù)雜志》2016年第5期

摘要：

天然氣集輸站場是天然氣輸送和儲存過程中的樞紐，也是天然氣泄漏檢測的重點對象。傳統(tǒng)的天然氣泄漏檢測技術(shù)響應慢、效率低，難以滿足實際所需。可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）以其響應速度快、靈敏度高、無需維護等優(yōu)點得到廣泛應用。使用可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)實現(xiàn)了同時對天然氣的主要成分甲烷、乙烯、乙炔三種氣體實時測量的開放式檢測和報警系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)響應時間小于2s，其甲烷、乙烯、乙炔的測量精度分別小于100ppm－m，40ppm－m，50ppm－m，為石油化工行業(yè)中天然氣泄漏檢測技術(shù)提供了新的技術(shù)方法。

關(guān)鍵詞：

天然氣；可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)；多氣體監(jiān)測；泄漏監(jiān)測

1引言

隨著人們對環(huán)境、能源、安全的日益重視，在我國能源結(jié)構(gòu)中天然氣逐漸取代開采困難、污染嚴重的煤炭作為主要能源，其使用量逐年增加。然而，天然氣的開采、運輸和儲存成為保障社會發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，輸氣站場是整個管輸天然氣系統(tǒng)的樞紐，輸氣站中設備安全、高效運行是保證天然氣輸送的關(guān)鍵。隨著設備的老化，機械撞擊、自然災害、第三方活動等因素造成法蘭、閥門、泵的密封圈以及管線上出現(xiàn)的小孔或裂縫而引起泄漏，一旦發(fā)生泄漏，將會造成能源浪費、環(huán)境污染、發(fā)生火災、爆炸等嚴重安全事故［1］，直接威脅到國家和人們的生命和財產(chǎn)安全。因此，為避免事故的發(fā)生，研究天然氣泄漏的檢測技術(shù)變得至關(guān)重要［2］。天然氣的主要成分是甲烷，約占90％，還含有少量乙烷、乙炔、丁烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等。傳統(tǒng)的天然氣泄漏探測器有火焰離子探測器、電子探測器、電化學催化燃燒和紅外吸收傳感器技術(shù)等［3］，然而這些探測器自身帶電，在易燃易爆等特殊環(huán)境中應用時存在安全隱患，而且這類傳感器壽命短、精度低、穩(wěn)定性差、調(diào)校困難，經(jīng)常存在誤測誤報現(xiàn)象；基于紅外吸收傳感技術(shù)的探測器還存在譜線干擾、維護周期短等問題。近年來，隨著窄線寬半導體激光器技術(shù)的快速發(fā)展，使得可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)得到了廣泛應用［4］。該技術(shù)可實現(xiàn)快速、準確、原位、實時檢測等優(yōu)點。美國SRIInternational公司研發(fā)了車載式天然氣管道泄漏檢測儀，提高了管道泄漏檢測效率。國內(nèi)起步較晚，但也有了一些用該技術(shù)設計的開放式和便攜式天然氣管道泄漏檢測儀的報道［5－7］。但是，都局限于檢測甲烷單一氣體，未涉及其他含量氣體的檢測。本文針對天然氣集輸站場區(qū)域大，天然氣管輸系統(tǒng)聚集等特點，不宜采用點式和便攜式檢測的要求，采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)，設計完成了一套具有響應速度快，檢測精度高，除甲烷檢測外還可同時檢測乙烯，乙炔多種氣體的開放式連續(xù)檢測與報警系統(tǒng)，提高了測量精度，減少誤報概率。為了驗證系統(tǒng)的可靠性，進行了人工釋放標準氣體，模擬泄漏的開放實驗，結(jié)果表明系統(tǒng)響應時間小于2s，開放式光路測量距離可達100m以上，甲烷，乙炔，乙烯測量精度分別小于100ppm－m，40ppm－m，50ppm－m。滿足石油化工行業(yè)檢測標準，為天然氣集輸站場以及油氣泄漏檢測技術(shù)提供新的發(fā)展方向和安全保障。

2原理

2．1TDLAS技術(shù)

TDLAS技術(shù)采用窄線寬可調(diào)諧的半導體激光器作為光源，通過控制溫度和電流來獲得合適的激光輸出波長，不同的氣體分子對不同頻率激光有不同的吸收特征，因此通過吸收光譜位置和強度可實現(xiàn)“指紋”式識別氣體分子的種類和濃度［8］。當一束頻率為υ的單色光通過混合氣體吸收介質(zhì)后，透過光強It與入射光強Io的比率與該頻率處目標氣體的吸收線強S／cm－2atm－1，摩爾分數(shù)C，激光在吸收介質(zhì)中通過的路徑長度L／cm，總的氣體壓強P／atm，以及吸收線型函數(shù)（v）／cm的乘積成指數(shù)關(guān)系，即：ItIo＝exp［－S（T）CPL（υ）］（1）通常令σ為吸收截面：σ＝SP。由于吸收線型函數(shù)在整個頻域內(nèi)的積分∫＋∞－∞（v）dv≡1，所以將式（1）兩邊取對數(shù)，在整個頻域內(nèi)積分可得：CσL＝∫＋∞－∞ItIodv（2）令積分后的值用吸光度A來表示，則吸收氣體的濃度可表示為C＝AσL（3）在實驗過程中，通過得到的吸收光譜解調(diào)得到吸光度A，再由吸收譜線參數(shù)和測量光程得到目標氣體的體積分數(shù)。

2．2吸收譜線選擇與波長標定

由于多數(shù)氣體分子在近紅外和中紅外都具有吸收譜線，而近紅外波段與光纖的低損耗窗口匹配，利用光纖及光纖器件可以方便的對光束進行遠距離傳輸和多點分布式探測。所以，選擇近紅外波段的吸收譜線作為測量譜線。但在近紅外波段有大量的氣體吸收譜線，為避免其它氣體特別是空氣中含量較多的H2O、CO2等吸收譜線的交叉干擾，需要選擇相互獨立、且吸收強度較強的吸收譜線。實驗所選的CH4、C2H2、C2H4的吸收譜線分別為1653．72nm、1531．59nm、1621．36nm。經(jīng)查閱HITRAN數(shù)據(jù)庫CH4在1653．72nm處有三條相鄰特別近的吸收譜線，常壓狀態(tài)下無法分開，實驗過程中做一條吸收譜線處理。C2H4的吸收譜線HITRAN數(shù)據(jù)庫中沒有收錄，從PNNL25C（西北太平洋國家實驗室）數(shù)據(jù)庫中可查到1600～1650nm范圍內(nèi)有大量的C2H4吸收譜，且在文獻中已實驗驗證［9］。三種氣體吸收譜線參數(shù)如表1所示。實驗采用分布反饋（DistributedFeedBack，DFB）結(jié)構(gòu)的近紅外波段半導體激光器作為光源，利用半導體激光器的窄線寬、快速調(diào)諧特性，當激光器工作溫度穩(wěn)定，其輸出波長與驅(qū)動電流成近似線性關(guān)系［10］。通過在激光器電流驅(qū)動上疊加掃描電流使其輸出激光波長掃描覆蓋完整吸收線型，得到完整的吸收譜線。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線準確處理和波長的精確鎖定需要對激光器的輸出波長進行標定。在實驗前用波長計分別對激光器的輸出波長與驅(qū)動電流的關(guān)系進行測量，以乙炔檢測激光器為例進行說明：通過溫度控制電源板使激光器工作溫度穩(wěn)定在30℃，然后以步長為5mA從80mA逐漸增大驅(qū)動電流到135mA。圖1所示為得到的乙炔激光器輸出波長與驅(qū)動電流的擬合曲線，擬合相關(guān)系數(shù)為0．999，同時可得到激光器電流調(diào)諧步長為0．005nm／mA。同樣，甲烷和乙烯激光器的輸出波長與驅(qū)動電流也有很好的線性擬合度，其激光調(diào)諧范圍分別為0．006nm／mA、0．008nm／mA。由此可通過吸收光譜直接擬合得到目標氣體的吸光度A。可以實現(xiàn)系統(tǒng)長期免標定運行，減少后期維護工作。

3實驗系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)主要針對天然氣集輸站場設計，其系統(tǒng)檢測原理簡圖如圖2所示，針對所要檢測的CH4，C2H2，C2H4三種氣體，選用的三臺蝶形封裝的DFB激光光源，其中心輸出波長分別為1653nm、1531nm和1621nm。光源分別由對應的溫度、電流驅(qū)動模塊和信號發(fā)生器模塊控制，輸出的三束調(diào)制光經(jīng)微處理器控制的3×1光開關(guān)分時輸出后，經(jīng)發(fā)射端的準直和擴束器（THORLABSGBE10－C：10倍擴束，1050～1650nm范圍增透膜），穿過測量區(qū)域到達反射端的直角反射鏡后，沿平行光路返回到接收端，含有吸收信號的光束通過非球面聚焦透鏡聚焦到光電探測器的光敏面上轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到主機控制部分。得到的電信號經(jīng)前置放大電路放大后由數(shù)據(jù)采集卡采集，并傳輸?shù)轿⑻幚砥飨到y(tǒng)，最后進行光譜數(shù)據(jù)的在線反演運算得到氣體濃度值，并顯示輸出。同時，依據(jù)設定的報警極限值做出預警判斷，若超過設定值將發(fā)出光、聲報警信號。如圖3所示為系統(tǒng)裝置實物圖，主要包括主機控制，激光發(fā)射和接受端，反射端三部分。系統(tǒng)數(shù)據(jù)解調(diào)方式采用直接吸收技術(shù)，該技術(shù)具有計算快速，不受光強波動影響、免標定等優(yōu)點。為了測定系統(tǒng)的測量極限，設計了如圖4所示的標定實驗，在激光路徑上放置長度為1m的標定吸收池。在標定實驗時，吸收池中沖入濃度分別為1％、500ppm、500ppm的CH4、C2H2、C2H4混合標準濃度氣體，底氣為氮氣。得到三種氣體的吸收信號如圖5所示，圖中黑色曲線是原始直接吸收信號，因為實驗在常溫常壓下進行，對吸收信號用標準Voigt吸收線型擬合得到擬合曲線，由于CH4和C2H2的吸收線較為獨立，兩側(cè)沒有其它譜線干擾，而C2H4的吸收譜線左邊有一條相對較弱的吸收線，因此在擬合過程中CH4和C2H2的吸收譜線采用單峰擬合，C2H4的吸收譜線采用雙峰擬合。通過擬合可得到CH4、C2H2和C2H4的吸收譜線吸光度A值分別為0．076cm－1、0．012cm－1、0．014cm－1。通過計算可得到吸收信號的信噪比（SNR）分別為100、12、10。由于直接吸收信號得到的吸光度與氣體濃度程線性關(guān)系，所以可計算得到系統(tǒng)對CH4、C2H2、C2H4氣體的最低測量極限分別為100ppm－m、40ppm－m、50ppm－m，完全滿足天然氣集輸站場泄漏的檢測要求。

4實驗結(jié)果與討論

系統(tǒng)外場實驗在中石油管道局實驗測試基地進行。外場環(huán)境測試溫度35℃，空氣相對濕度45％，風速1m／s，分別進行了50m、100m兩個測試距離的實驗。實驗采用前面圖3所示的模擬放氣，在光束路徑中任意位置釋放濃度為90％、5％、5％的CH4，C2H4，C2H2混合標準濃度氣體，放氣位置在光束側(cè)下方約2m處。測試過程中，設置光開關(guān)切換周期為10s，使輸出激光依次測量的目標氣體分別為CH4→C2H2→C2H4然后循環(huán)檢測。每次放氣1min，如圖6所示為其中一次放氣過程中的濃度結(jié)果數(shù)據(jù)。圖中濃度數(shù)據(jù)上下波動較大，主要原因是該方法測量得到的濃度是光束視線方向上的路徑平均值，在外場由于風速和氣體擴散的不確定性使得光束路徑上的濃度有較大波動。在控制部分設置有各種氣體報警限，實驗過程中系統(tǒng)報警正確率達100％。系統(tǒng)所用的光源為蝶形封裝的DFB二極管激光器，其輸出功率較其它半導體激光器高，約為20mW，該波段在單模光纖損耗小于0．25dB／km，因此系統(tǒng)可以通過光纖分束器并聯(lián)2～4對發(fā)射接收端與反射端。按照天然氣集輸站場內(nèi)輸氣管道、集氣裝置、房屋等特殊場地要求和分布情況，可以建立如圖7所示的光路分布示意圖，一套控制主機并聯(lián)四對發(fā)射接收端與反射端，可以滿足至少100m×100m范圍的站場內(nèi)天然氣泄漏檢測。

5結(jié)論

基于TDLAS的天然氣站場泄漏檢測系統(tǒng)可以快速、有效檢測出開放環(huán)境中的甲烷、乙烯和乙炔，對三種氣體的響應時間均小于2s。在50m、100m兩種測試距離的測量結(jié)果證明有較穩(wěn)定的響應效果，報警正確率達100％，可用于天然氣站場，閥室及井口附近的天然氣泄漏。相比于現(xiàn)有其它技術(shù)，本技術(shù)本質(zhì)安全，無需校準，準確度高，受環(huán)境影響小。標定和外場實驗結(jié)果與所釋放已知濃度的標準混合氣體結(jié)果一致，系統(tǒng)對甲烷、乙炔和乙烯三種氣體的最低測量極限分別為100ppm－m、40ppm－m、50ppm－m，完全滿足石油化工行業(yè)對天然氣泄漏檢測的要求。同時，基于該技術(shù)改進傳感頭的封裝方式，可以實現(xiàn)并聯(lián)式多點天然氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)。

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作者:孫鵬帥 張志榮 李俊 夏滑 韓犖 李哲 譚東杰 馬云賓 董鳳忠 單位:中國科學院安徽光學精密機械研究所 中國科學技術(shù)大學 中國石油管道科技研究中心