红外气体检测技术在天然气安全生产中的应用

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1、红外气体检测技术在天然气安全生产中的应用李黎*李黎，女，1979.8，集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，吉林大学电子科学与工程学院，长春，130012dawnjlu@gmail.com项目资助：“863”计划（编号：2007AA06Z112；2007AA03Z446）资助。李树维男，吉林省松原市吉林油田监理公司，138000。,王一丁李树维摘要：从检测原理和检测技术上，对应用在天然气生产过程中，检测易燃易爆或有毒气体的红外气体传感技术进行了分析。采用红外可调谐激光光谱技术（TDLS）结合波长调制技

2、术（WMS），对天然气管道传输中的甲烷气体泄露进行远距离检测，有效克服了长距离检测中激光照射到地表物体之后存在的严重光散射和光吸收所带来的系统误差。分析了含硫天然气井喷或泄露时，硫化氢气体的红外检测方法。在空气中水蒸气和甲烷气体的干扰下，通过分析硫化氢、水蒸气和甲烷红外吸收谱线的分布情况，选择出可用的硫化氢吸收谱线。同时根据谱线交叠情况建立起二元一次方程组，能够在不同浓度甲烷气体干扰下同时计算出甲烷和硫化氢的浓度。关键词：红外气体检测；易燃易爆；天然气泄露；硫化氢中图分类号：O436文献标识码：A1引言在天然

3、气开采、管道输送等生产运行中，容易引发事故的重大隐患之一是气体以及有毒气体的泄露。天然气是易燃易爆气体，主要包括甲烷（CH4）、乙烷等烷烃气体。有毒气体主要是硫化氢（H2S）、氮氧化合物等。甲烷在天然气组分中，占有很高的比例，以松辽盆地为例，天然气中的甲烷浓度在61.98%到98.34%之间[1-2]。在一些天然气井中伴生有硫化氢气体，这对天然气开采施工人员和附近的居民带来了严重危害[3-5]。同其它气体测量技术，如电化学法，催化燃烧法，接触反应法，以及气相色谱法等比较起来，红外气体检测技术在检测甲烷等气体

4、的泄漏情况，具有极高的准确性和灵敏度。同时具有动态测量范围大，响应时间快，不易受其它气体干扰等优点。因此使用高精度、高灵敏度、稳定耐用的在线或远程红外气体检测设备，对保证天然气企业的安全生产，是具有重要意义的。2红外气体检测原理多数双原子分子和多原子分子，在红外光谱范围里有其分子结构所决定的特征吸收谱。因此可以根据气体红外吸收光谱的特点来获得气体的种类、浓度等信息。以甲烷气体为例，在中红外3.3微米和7.65微米附近存在两个基本吸收光谱，在近红外1.33微米和1.66微米分别存在组合频带和泛频带[6]。红外甲

5、烷检测基于甲烷气体对红外光吸收的原理，当一定波长的红外光通过被测气体，气体在其吸收谱线处吸收红外光，在红外探测器上便可以检测出光强度的变化。根据Lambert-Beer定律可以得到气体的吸收情况[7]：（1）这里I0是入射光强度，I(ν)是气体吸收之后的光强度，l是气体的吸收长度，C是气体浓度，α(ν)是在频率ν处的吸收系数，单位是cm-1。7红外气体检测技术包括直接吸收，光声光谱，光纤传感，可调谐激光二极管光谱（TDLS），波长/频率调制光谱（WMS/FMS）等，这几种方法可以单独采用，也可以结合起来取长补

6、短，以获得更好的检测结果。对于复杂环境下的高精度测量，气体分子吸收光谱在压力或温度变化时存在展宽或谱线强度的改变。为了获得被测分子谱线的信息以及其它相关测量结果例如气体浓度、压力、温度等，可以采用基于TDLS和WMS的精确测量气体分子吸收谱线的方法[8]。其系统框图如图1所示。图1中采用加法器将高频正弦调制信号同低频调谐信号结合起来，作为激光器的驱动电流，在光电探测器将气体吸收之后的光信号转变为电信号输出并用锁相放大器进行相敏检波，从而获得被测气体吸收谱线的谐波分量。图2给出了气体分子吸收谱线及其一次、二次波

7、长调制谐波分量的示意图。波长调谐波长调制加法器激光器探测器锁相放大器示波器温度、电流驱动计算机被测气体激光光束锯齿波正弦波图1TDLS-WMS气体检测系统框图图2气体分子吸收谱线以及它的一次、二次波长调制谐波分量[9]3红外检测技术在天然气生产中的运用73.1监测天然气输送储运过程无论是长距离天然气输送管道，还是压缩天然气（CNG）储运，对甲烷气体的泄露监测都非常重要。其中对于天然气管道泄漏的远距离安全巡检是一个亟待解决的难题。在野外或城镇环境下，受到地表树木、土壤、岩石以及建筑物的影响，探测无法直接进行。根

8、据甲烷气体分子质量比空气的平均分子质量小的原理，天然气管道中泄漏出的甲烷气体向上漂浮在空气中，并同空气混合形成浓度较低的甲烷气团。红外气体检测是目前在天然气管道中进行泄漏检测的一种非常有效的方法。基于甲烷气体红外吸收原理的远距离遥感探测方法，可以在高空或近地表处实现对泄漏区域附近的甲烷探测，从而确定泄漏位置，为抢修提供最及时的帮助。采用TDLS和高频WMS技术能够克服空气湍流对测量的影响。同时结合谐