高含硫天然气集输管线泄漏激光遥感技术研究

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1、万方数据2008年第22卷第6期石油仪器PETROLEUMINSTRUMENTS·计算机与通讯技术·高含硫天然气集输管线泄漏激光遥感技术研究‘常启海1’2j于殿强2程希3张建2(1．胜利油田博士后工作站山东东营)(2．胜利油田胜利工程设计咨询有限公司山东东营)(3．中国石油测井有限公司陕西西安)摘要：针对我国高舍硫天然气开发泄漏检测现状，利用激光光谱技术开展了天然气泄漏激光遥感监测技术研究。研制出基于调制半导体激光吸收光谱原理的CH4／H2S泄漏激光遥感监测仪器，该仪器检测灵敏度2ppm，遥感距

2、离可达lkm。为我国高含硫天然气的安全开发提供了技术保证。关键词：高含硫天然气；泄漏；激光遥感；监测中图法分类号：TE832．2文献标识码：B文章编号：1004．9134(2008)06。0079．02O引言JII东北天然气储量在全国总储量占有较大比重，且较多高含H2s和C02。高含H2s天然气的强腐蚀和氢脆使高含H2S气田的开发过程发生泄漏的风险极高。加大高含H：S天然气开发集输泄漏检测力度，是目前我国高含H2S天然气气田安全建设的重要工作之一。用于天然气泄漏检测的传感技术采用化学、金属氧化物

3、等气体传感器。该类传感器存在传感介质易失效和维护频繁的缺陷，不适用我国高含硫天然气开发现场。针对我国天然气气田的特点，开展新型且适用于我国高含硫天然气开发现场的气体传感器成为气田安全建设急需解决的工作。采用激光光谱技术实现气体的高灵敏度监测是当前国内外研究的热点。利用激光技术形成的气体传感器具有灵敏度高、无需标定、使用周期长和免维护的特点[112、3】。特别是激光遥感的特点很适于有毒气体的现场无人监测。本文介绍了调制半导体激光光谱进行气体监测的原理，和基于此原理研制的多组份气体泄漏激光遥感仪器的

4、结构和性能。l调制半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术原理调制半导体激光吸收光谱简称TDLAS，是Tunablediodelaserabsorptionspectrum的英文首字母缩写。基于TDLAS的气体传感器是一种主动光电产品。在遵循Beer—Lambert定律条件下，该技术利用待检气体的原子或分子吸收谱线对检测光源的调制吸收特性实现待检气体种类识别和浓度测量。图1给出了基于TDLAS原理的气体光电检测技术的原理框图。如图1所示，窄线宽调制半导体激光器(TDL)，被双频率激光器驱动电源驱动，

5、斜波用于整个吸收谱线线形的扫描，高频正弦调制则是在谱线吸收线形的基础上叠加高频调制信号。经这样一个双频驱动源驱动的激光器即可实现有限范围的波长连续调砷炉一十圈1TDLAS气体传感器原理框图节。如果激光器和光电接收器的之间有待检气体存在。就会产生如图1中间所示的吸收谱线线形。谱线的吸收信号经光电探测器(PD)接收后，分别经锁相放大(又称相敏检测)进行调制吸收谱线信号各次谐波的提取，信号各次谐波的线形参数与吸收气体的浓度成比例。图l用图示的方法分别给出了吸收信号的一次、二次谐波锁相和低通解调后的信号

6、形状。这样做的原因是利用调制原理将信号与低频噪声分离提高信噪比。另一方面，解调后的各次谐波信号的波形与原始吸收波形的导数成正比(因此该种方法也成为导数基金项目：巾石化集团公司十条龙项目一“普光气田产能建设关键技术”第一作者简介：常启海，男．1972生．博士，2005年毕业于中科院研究生院。研究方向：激光遥感检测技术、光电信号处理。邮编：257000万方数据石油仪器·80·PETROLEUMINSTRUMENTS2008年12月光谱方法)。原始信号中的各种噪声因为这种导数关系．而在高次谐波中为零，

7、因此无需考虑电路中的噪声问题[4l。2基于TDLAS的多组份气体泄漏激光遥感技术川东北天然气多属高含硫气田，该类天然气强腐蚀、剧毒，泄漏风险高。针对这样特点的高含硫天然气和开发现场山地特征，采用传统的泄漏检测方式无法高效、高灵敏度监测。根据国际上最新技术研究进展，采用先进的TDLAS技术，结合长光程开放光路技术、微弱信号检测技术、和计算机软硬件技术，研制了一种小型的天然气站场及天然气管线多组份CH4、H2S气体连续扫描、遥感监测与报警系统，实现高含硫天然气站场大范围以及天然气管线长距离CH4、H

8、2S的实时在线遥感检测。在激光光源的选择上．利用价格便宜、性能稳定的近红外DFB激光器作为光源。根据尽量避免其它成分谱线干扰和最大吸收系数的原则，通过HITRAN数据库选择CH。、H2S吸收谱线相对应激光器波长分别为1．654p．m和1．578肚m。调制半导体激光器作为TDLAS检测系统的一个重要组成部分，对它的控制电路的设计是TDLAS系统设计的一个很重要的方面，它主要由激光器的温度控制电路、电流控制电路、波长扫描信号发生电路和调制信号发生电路组成。为了实现CH4和I{2s的同时监测，采用两台