天然气泄漏甲烷气体检测技术研究范文

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《光学与光电技术杂志》2016年第5期

摘要：

天然气集输站场是天然气输送和储存过程中的枢纽，也是天然气泄漏检测的重点对象。传统的天然气泄漏检测技术响应慢、效率低，难以满足实际所需。可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）以其响应速度快、灵敏度高、无需维护等优点得到广泛应用。使用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现了同时对天然气的主要成分甲烷、乙烯、乙炔三种气体实时测量的开放式检测和报警系统。实验结果表明，该系统响应时间小于2s，其甲烷、乙烯、乙炔的测量精度分别小于100ppm－m，40ppm－m，50ppm－m，为石油化工行业中天然气泄漏检测技术提供了新的技术方法。

关键词：

天然气；可调谐半导体激光吸收光谱技术；多气体监测；泄漏监测

1引言

随着人们对环境、能源、安全的日益重视，在我国能源结构中天然气逐渐取代开采困难、污染严重的煤炭作为主要能源，其使用量逐年增加。然而，天然气的开采、运输和储存成为保障社会发展的重要环节，输气站场是整个管输天然气系统的枢纽，输气站中设备安全、高效运行是保证天然气输送的关键。随着设备的老化，机械撞击、自然灾害、第三方活动等因素造成法兰、阀门、泵的密封圈以及管线上出现的小孔或裂缝而引起泄漏，一旦发生泄漏，将会造成能源浪费、环境污染、发生火灾、爆炸等严重安全事故［1］，直接威胁到国家和人们的生命和财产安全。因此，为避免事故的发生，研究天然气泄漏的检测技术变得至关重要［2］。天然气的主要成分是甲烷，约占90％，还含有少量乙烷、乙炔、丁烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。传统的天然气泄漏探测器有火焰离子探测器、电子探测器、电化学催化燃烧和红外吸收传感器技术等［3］，然而这些探测器自身带电，在易燃易爆等特殊环境中应用时存在安全隐患，而且这类传感器寿命短、精度低、稳定性差、调校困难，经常存在误测误报现象；基于红外吸收传感技术的探测器还存在谱线干扰、维护周期短等问题。近年来，随着窄线宽半导体激光器技术的快速发展，使得可调谐二极管激光吸收光谱技术得到了广泛应用［4］。该技术可实现快速、准确、原位、实时检测等优点。美国SRIInternational公司研发了车载式天然气管道泄漏检测仪，提高了管道泄漏检测效率。国内起步较晚，但也有了一些用该技术设计的开放式和便携式天然气管道泄漏检测仪的报道［5－7］。但是，都局限于检测甲烷单一气体，未涉及其他含量气体的检测。本文针对天然气集输站场区域大，天然气管输系统聚集等特点，不宜采用点式和便携式检测的要求，采用可调谐二极管激光吸收光谱技术，设计完成了一套具有响应速度快，检测精度高，除甲烷检测外还可同时检测乙烯，乙炔多种气体的开放式连续检测与报警系统，提高了测量精度，减少误报概率。为了验证系统的可靠性，进行了人工释放标准气体，模拟泄漏的开放实验，结果表明系统响应时间小于2s，开放式光路测量距离可达100m以上，甲烷，乙炔，乙烯测量精度分别小于100ppm－m，40ppm－m，50ppm－m。满足石油化工行业检测标准，为天然气集输站场以及油气泄漏检测技术提供新的发展方向和安全保障。

2原理

2．1TDLAS技术

TDLAS技术采用窄线宽可调谐的半导体激光器作为光源，通过控制温度和电流来获得合适的激光输出波长，不同的气体分子对不同频率激光有不同的吸收特征，因此通过吸收光谱位置和强度可实现“指纹”式识别气体分子的种类和浓度［8］。当一束频率为υ的单色光通过混合气体吸收介质后，透过光强It与入射光强Io的比率与该频率处目标气体的吸收线强S／cm－2atm－1，摩尔分数C，激光在吸收介质中通过的路径长度L／cm，总的气体压强P／atm，以及吸收线型函数（v）／cm的乘积成指数关系，即：ItIo＝exp［－S（T）CPL（υ）］（1）通常令σ为吸收截面：σ＝SP。由于吸收线型函数在整个频域内的积分∫＋∞－∞（v）dv≡1，所以将式（1）两边取对数，在整个频域内积分可得：CσL＝∫＋∞－∞ItIodv（2）令积分后的值用吸光度A来表示，则吸收气体的浓度可表示为C＝AσL（3）在实验过程中，通过得到的吸收光谱解调得到吸光度A，再由吸收谱线参数和测量光程得到目标气体的体积分数。

2．2吸收谱线选择与波长标定

由于多数气体分子在近红外和中红外都具有吸收谱线，而近红外波段与光纤的低损耗窗口匹配，利用光纤及光纤器件可以方便的对光束进行远距离传输和多点分布式探测。所以，选择近红外波段的吸收谱线作为测量谱线。但在近红外波段有大量的气体吸收谱线，为避免其它气体特别是空气中含量较多的H2O、CO2等吸收谱线的交叉干扰，需要选择相互独立、且吸收强度较强的吸收谱线。实验所选的CH4、C2H2、C2H4的吸收谱线分别为1653．72nm、1531．59nm、1621．36nm。经查阅HITRAN数据库CH4在1653．72nm处有三条相邻特别近的吸收谱线，常压状态下无法分开，实验过程中做一条吸收谱线处理。C2H4的吸收谱线HITRAN数据库中没有收录，从PNNL25C（西北太平洋国家实验室）数据库中可查到1600～1650nm范围内有大量的C2H4吸收谱，且在文献中已实验验证［9］。三种气体吸收谱线参数如表1所示。实验采用分布反馈（DistributedFeedBack，DFB）结构的近红外波段半导体激光器作为光源，利用半导体激光器的窄线宽、快速调谐特性，当激光器工作温度稳定，其输出波长与驱动电流成近似线性关系［10］。通过在激光器电流驱动上叠加扫描电流使其输出激光波长扫描覆盖完整吸收线型，得到完整的吸收谱线。为实现数据的在线准确处理和波长的精确锁定需要对激光器的输出波长进行标定。在实验前用波长计分别对激光器的输出波长与驱动电流的关系进行测量，以乙炔检测激光器为例进行说明：通过温度控制电源板使激光器工作温度稳定在30℃，然后以步长为5mA从80mA逐渐增大驱动电流到135mA。图1所示为得到的乙炔激光器输出波长与驱动电流的拟合曲线，拟合相关系数为0．999，同时可得到激光器电流调谐步长为0．005nm／mA。同样，甲烷和乙烯激光器的输出波长与驱动电流也有很好的线性拟合度，其激光调谐范围分别为0．006nm／mA、0．008nm／mA。由此可通过吸收光谱直接拟合得到目标气体的吸光度A。可以实现系统长期免标定运行，减少后期维护工作。

3实验系统设计

该系统主要针对天然气集输站场设计，其系统检测原理简图如图2所示，针对所要检测的CH4，C2H2，C2H4三种气体，选用的三台蝶形封装的DFB激光光源，其中心输出波长分别为1653nm、1531nm和1621nm。光源分别由对应的温度、电流驱动模块和信号发生器模块控制，输出的三束调制光经微处理器控制的3×1光开关分时输出后，经发射端的准直和扩束器（THORLABSGBE10－C：10倍扩束，1050～1650nm范围增透膜），穿过测量区域到达反射端的直角反射镜后，沿平行光路返回到接收端，含有吸收信号的光束通过非球面聚焦透镜聚焦到光电探测器的光敏面上转化为电信号，输入到主机控制部分。得到的电信号经前置放大电路放大后由数据采集卡采集，并传输到微处理器系统，最后进行光谱数据的在线反演运算得到气体浓度值，并显示输出。同时，依据设定的报警极限值做出预警判断，若超过设定值将发出光、声报警信号。如图3所示为系统装置实物图，主要包括主机控制，激光发射和接受端，反射端三部分。系统数据解调方式采用直接吸收技术，该技术具有计算快速，不受光强波动影响、免标定等优点。为了测定系统的测量极限，设计了如图4所示的标定实验，在激光路径上放置长度为1m的标定吸收池。在标定实验时，吸收池中冲入浓度分别为1％、500ppm、500ppm的CH4、C2H2、C2H4混合标准浓度气体，底气为氮气。得到三种气体的吸收信号如图5所示，图中黑色曲线是原始直接吸收信号，因为实验在常温常压下进行，对吸收信号用标准Voigt吸收线型拟合得到拟合曲线，由于CH4和C2H2的吸收线较为独立，两侧没有其它谱线干扰，而C2H4的吸收谱线左边有一条相对较弱的吸收线，因此在拟合过程中CH4和C2H2的吸收谱线采用单峰拟合，C2H4的吸收谱线采用双峰拟合。通过拟合可得到CH4、C2H2和C2H4的吸收谱线吸光度A值分别为0．076cm－1、0．012cm－1、0．014cm－1。通过计算可得到吸收信号的信噪比（SNR）分别为100、12、10。由于直接吸收信号得到的吸光度与气体浓度程线性关系，所以可计算得到系统对CH4、C2H2、C2H4气体的最低测量极限分别为100ppm－m、40ppm－m、50ppm－m，完全满足天然气集输站场泄漏的检测要求。

4实验结果与讨论

系统外场实验在中石油管道局实验测试基地进行。外场环境测试温度35℃，空气相对湿度45％，风速1m／s，分别进行了50m、100m两个测试距离的实验。实验采用前面图3所示的模拟放气，在光束路径中任意位置释放浓度为90％、5％、5％的CH4，C2H4，C2H2混合标准浓度气体，放气位置在光束侧下方约2m处。测试过程中，设置光开关切换周期为10s，使输出激光依次测量的目标气体分别为CH4→C2H2→C2H4然后循环检测。每次放气1min，如图6所示为其中一次放气过程中的浓度结果数据。图中浓度数据上下波动较大，主要原因是该方法测量得到的浓度是光束视线方向上的路径平均值，在外场由于风速和气体扩散的不确定性使得光束路径上的浓度有较大波动。在控制部分设置有各种气体报警限，实验过程中系统报警正确率达100％。系统所用的光源为蝶形封装的DFB二极管激光器，其输出功率较其它半导体激光器高，约为20mW，该波段在单模光纤损耗小于0．25dB／km，因此系统可以通过光纤分束器并联2～4对发射接收端与反射端。按照天然气集输站场内输气管道、集气装置、房屋等特殊场地要求和分布情况，可以建立如图7所示的光路分布示意图，一套控制主机并联四对发射接收端与反射端，可以满足至少100m×100m范围的站场内天然气泄漏检测。

5结论

基于TDLAS的天然气站场泄漏检测系统可以快速、有效检测出开放环境中的甲烷、乙烯和乙炔，对三种气体的响应时间均小于2s。在50m、100m两种测试距离的测量结果证明有较稳定的响应效果，报警正确率达100％，可用于天然气站场，阀室及井口附近的天然气泄漏。相比于现有其它技术，本技术本质安全，无需校准，准确度高，受环境影响小。标定和外场实验结果与所释放已知浓度的标准混合气体结果一致，系统对甲烷、乙炔和乙烯三种气体的最低测量极限分别为100ppm－m、40ppm－m、50ppm－m，完全满足石油化工行业对天然气泄漏检测的要求。同时，基于该技术改进传感头的封装方式，可以实现并联式多点天然气泄漏检测与报警系统。

参考文献：

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作者:孙鹏帅 张志荣 李俊 夏滑 韩荦 李哲 谭东杰 马云宾 董凤忠 单位:中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学技术大学 中国石油管道科技研究中心