基于TDLAS的掃描式激光甲烷檢測技術在天然氣站場的實踐運用

1、基于TDLAS的掃描式激光甲烷檢測技術在天然氣站場的實踐運用摘要：介紹了激光式甲烷檢測技術的相關原理，并與其它傳統(tǒng)甲烷檢測技術相比較，可調諧半導體激光吸收光譜技術(TDLAS)以其響應速度快、靈敏度高、維護成本低等優(yōu)點必將得到廣泛應用；并對掃描式激光甲烷檢測儀在某天然氣分輸站的實際應用效果進行了分析。關鍵詞：TDLAS天然氣站場泄漏監(jiān)測光譜吸收實際應用分析1概述管道輸氣是天然氣的主要運輸方式，天然氣管道運輸將是今后相當長時間內(nèi)國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，而輸氣站場是整個管輸天然氣系統(tǒng)的樞紐，由于目前我國大多數(shù)輸氣管道站場工藝區(qū)為露天、敞開區(qū)域，天然氣泄漏后難以及時發(fā)現(xiàn)，因此為燃氣站場提供穩(wěn)定靈敏、準確實

2、時的天然氣泄漏檢測技術十分重要。近幾年來，隨著窄線寬半導體激光器技術的飛速發(fā)展，使得可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS-TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)甲烷檢測技術逐步成熟。該技術對天然氣泄漏檢測技術的發(fā)展具有重要意義，比較傳統(tǒng)天然氣泄漏檢測技術性能更優(yōu)越，更能滿足對無人站智能監(jiān)測的需要。2基于TDLAS的激光甲烷檢測技術2.1與傳統(tǒng)檢測技術的比較到目前為止，己有許多技術可實現(xiàn)甲烷檢測。檢測方法可分成傳統(tǒng)檢測方法和光譜吸收檢測方法?；诩夹g原理的不同，傳統(tǒng)的檢測方式又可細分為催化燃燒型、電化學型和非色散紅外型(NDIR)等。催化燃燒型：催化燃燒

3、型傳感器主要由橋式電路和氣敏元件組成，具體原理是甲烷和空氣中的氧氣受催化發(fā)生氧化反應，在檢測元件敏感體表面無焰燃燒，釋放熱量導致敏感體溫度升高，檢測元件阻值因此發(fā)生改變，橋式電路失去平衡產(chǎn)生電流，通過測量該電流信號即可判定檢測氣體的濃度?；谠摷夹g的甲烷檢測儀具有結構簡單、價格便宜、只對可燃氣體有反應不受非可燃氣體干擾，而且輸出信號接近線性，易于處理。但該技術也存在在可燃氣體范圍內(nèi)，無氣體選擇性，且有引燃爆炸的風險，檢測精度一般檢測范圍窄，且高濃度甲烷和硫化物會對傳感器產(chǎn)生中毒作用從而使檢測儀失效因此需要經(jīng)常性標定，易出現(xiàn)零漂和靈敏度漂移的情況。電化學型：待測氣體和敏感元件接觸，與敏感元件發(fā)生

4、氧化或還原反應產(chǎn)生電流，該電流大小與待測氣體濃度成比例關系，測量得出電流大小即可反推得到氣體濃度?；诖嗽碇圃斓募淄闅怏w檢測儀靈敏度較高，但基于化學反應的特點，電化學傳感器氣體選擇性較差，易受干擾，此類檢測儀經(jīng)常發(fā)生誤報警。非色散紅外檢測型：非色散紅外氣體傳感器是用一個廣譜的光源作為紅外傳感器的光源，因為并沒有對光進行分光處理，故稱為非色散紅外。紅外檢測技術和光譜吸收檢測技術基本原理是一樣的，都是通過不同氣體分子對近紅外光色譜選擇吸收特性來進行檢測。相比激光式傳感器，紅外傳感器的分辨率相當?shù)?，其光譜分辨率大概比可調二極管激光光譜中的激光分辨率弱一千倍。且紅外檢測技術易受干擾，例如水汽吸收帶來

5、的重疊氣體吸收色譜問題就會嚴重干擾檢測結果，激光式傳感器就不存在這個問題。且紅外傳感器相較與激光式傳感器需要相對頻繁的校準。表1將光譜吸收技術與上述多種甲烷檢測技術在實際監(jiān)測中的多項主要性能指標進行了比較，可以看出，光譜吸收技術遠優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法。表1光譜吸收技術與其它甲烷檢測技術的比較檢測方式靈敏度可靠性氣體選擇性響應速度穩(wěn)定性使用壽命量程范圍維護保養(yǎng)催化燃燒式一般一般一般W30s一般1-2年內(nèi)視環(huán)境小易漂移，需經(jīng)常性標定電化、廣rx學式一般一般一般W30s一般1-2年小易漂移，6-12個月標定一次一般紅外式高高（易受水汽WIOs好3-5年較大每年標定干擾）光譜吸收最高最好最好Wls最好5-

6、10年大無漂移式無干擾）免維護2.2光譜吸收檢測技術的種類目前，光譜吸收氣體檢測技術主要包括差分吸收光譜DOAS技術、傅立葉變換紅外吸收光譜FTIR技術、可調諧二極管激光吸收光譜TDLAS技術。差分吸收光譜DOAS技術的基本原理就是利用氣體的窄帶吸收特性來辨別氣體組分，并根據(jù)窄帶吸收強度來推得氣體濃度。該技術檢測過程中易受氣溶膠和水汽影響，檢測結果可靠性較低。傅里葉變換紅外吸收光譜技術是利用氣體吸收激光后產(chǎn)生的干涉圖樣，通過傅里葉變化把干涉圖轉換到頻譜上，實現(xiàn)對氣體濃度的檢測。該技術在長光程條件下檢測時，精度可以更高，達到ppb數(shù)量級。但該技術也易受其他氣體和水蒸氣的干擾，而且相較別的光譜吸收

7、氣體檢測技術，其體積更大，檢測速度更慢?？烧{諧二極管激光吸收光譜技術（TDLAS）是利用氣體分子對紅外激光的選擇性吸收，生成特定光譜的原理來檢測出氣體的組類和濃度大小。該技術對天然氣泄漏檢測技術的提升非常大，具有不受其它氣體干擾的特性，還有效克服了水蒸氣、粉塵等因素的干擾。相較與其它氣體檢測技術，TDLAS技術具有高選擇性、靈敏實時、穩(wěn)定性高、實用性強等優(yōu)點。表2對三類光譜吸收檢測技術的性能指標做了綜合對比。表2DOAS、FTIR和TDLAS性能對比檢測方式精度氣體選擇性穩(wěn)定性實時性響應時間DOAS高有，易受水汽干擾好是IsFTIR高無，易受水汽、氣體干擾好否1sTDLAS高有好是1s2.3激

8、光甲烷檢測儀的種類基于TDLAS的激光甲烷檢測儀技術產(chǎn)品已多種多樣，分類主要有光纖分布式、反射式和掃描式等，其檢測原理相同，但檢測方式和適用場所有所差異。光纖分布式特點是可以實現(xiàn)無源氣體泄漏檢測，其防爆性能優(yōu)越，但由于其檢測方式為點式，故監(jiān)測效率低。反射式檢測方式是線性檢測，掃描式可實現(xiàn)“三維”立體檢測，監(jiān)測效率更高。2.4TDLAS技術原理TDLAS技術主要是利用不同氣體分子具有不同的光譜吸收特征，光源的發(fā)射譜和氣體的吸收譜重合的部分才能被吸收，被吸收后的激光光強發(fā)生變化，激光強度衰減和待測氣體濃度有關，通過測量吸收光強度再分析即可得出待測氣體濃度。基本原理：Lambert-Beer定律。單

9、一頻率的輻射光通過待測氣體后，其強度會因分子吸收而衰減：其中，；丁是探測器測得的被待測氣體吸收后激光的強度，；是光源發(fā)出激光的強度，T是待測氣體的濃度，是總的氣體吸收光程；是分子的吸收截面，系數(shù)大小與壓力和溫度有關，可以展開為：門=7（2）式中是吸收線強，計一是吸收譜線線型函數(shù)。由公式（1）（2）可推的氣體濃度為：、二一（3）其原理圖如下：圖1TDLAS技術原理圖在具體應用中，TDLAS技術檢測甲烷氣體濃度主要通過利用調節(jié)可調諧半導體激光器的注入電流，使光源發(fā)出一定波長的激光穿過被檢測氣體，射到終端后被某物（如墻體、管道或欄桿等）部分反射回探測器被檢測到，再通過波長調制光譜技術，可極大程度上降

10、低甚至消除氣溶膠、噪聲等環(huán)境因素的干擾，使該檢測技術實現(xiàn)抗干擾能力強、靈敏、穩(wěn)定、實時準確等優(yōu)點。TDLAS技術在氣體檢測方面，對比傳統(tǒng)氣體檢測技術性能突出?；赥DLAS技術的氣體檢測儀不存在零點漂移、量程漂移以及中毒失效等問題，維護成本低壽命更長。其在氣體類管道泄漏、環(huán)境監(jiān)測等方面已逐漸成為首選技術。3掃描式激光甲烷檢測技術在天然氣站場的實際應用某天然氣分輸站工藝區(qū)泄漏檢測和監(jiān)測以往都是以固定式和便攜式設備為主備。便攜式泄漏檢測設備主要應用于工人巡檢過程中對設備“跑、冒、滴、漏”的檢查，固定式泄漏檢測設備主要應用于大場景下危險介質泄漏的預警。而站場點式、線式等固定式檢測設備存在泄漏檢測反應

11、滯后、泄漏點定位困難等缺點，便攜式檢測設備人工巡檢工作量大。這種傳統(tǒng)模式下的檢測和監(jiān)測方式，難以滿足我們對智能化站場的需求。在該天然氣分輸站站安裝一套云臺掃描式激光甲烷遙測儀，用來對站內(nèi)可燃氣體泄漏進行實時的在線監(jiān)測，增強該站的安全監(jiān)控能力。表3激光云臺和點式、線式可燃氣體檢測儀性能比較檢測產(chǎn)品響應時間可靠性氣體選擇性靈敏性穩(wěn)定性使用壽命量程范圍測量區(qū)域維護保養(yǎng)點式可燃氣體探測器W30s一般易受干擾（其他氣體、水汽等）%LEL量級一般1-2年（視環(huán)境）小單點易漂移，需經(jīng)常標定對射式可燃氣體探測器0.1s最好易受干擾（水汽干擾）ppm量級高3-5年滿量程一條線易發(fā)生光束偏移激光云臺0.1s最好指

12、紋特性（無干擾）ppm量級高5-10年滿量程整個面無漂移，免標定3.1性能參數(shù)該云臺掃描式激光甲烷遙測儀是基于可調諧激光光譜吸收（TDLAS）原理而研發(fā)的一款新型氣體探測器，以固定安裝、自動掃描的方式，對作業(yè)場所內(nèi)多個預設位置的天然氣濃度進行非接觸式測量，結合實時視頻圖像，可以全方位監(jiān)測氣體泄漏，定位泄漏的大體位置。通過后臺軟件可以實時監(jiān)測相關數(shù)據(jù)及視頻圖像，后臺軟件可將濃度信息、報警信息、方位等信息通過數(shù)據(jù)接口服務傳輸給站控系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)。表3為該型號基于TDLAS的掃描式激光甲烷遙測儀的主要性能參數(shù)。表4某云臺掃描式激光甲烷遙測儀主要性能參數(shù)功能項技術指標測量范圍099999ppmm掃

13、描半徑(080m)分辨率2ppmm響應時間0.1s掃描角度水平：360俯仰：90轉動速度水平：0.160/s；垂直：0.130/s3.2可燃氣體檢測報警布置方案該輸氣站屬于狹長分布，長度約80米，為保證良好的檢測范圍覆蓋，激光檢測儀應設置在盡量居中位置。根據(jù)現(xiàn)場勘測和可行性分析，激光檢測儀宜設置在站場辦公室門口右側的草地中，與高桿燈的固定位置平行。安裝位置及布線示意圖見下圖：圖2云臺掃描式激光甲烷遙測儀布置圖3.3實際運行效果分析該站曾裝設過5組對射式可燃氣體探測器和1臺點式可燃氣體探測器，對射式可燃氣體探測器運行期間多次發(fā)生因地質沉降等原因導致發(fā)射機、接收機安裝位置變化，光道發(fā)生偏移，導致信

14、號強度變低，數(shù)據(jù)遠傳錯誤；如果發(fā)射機和接收機之間光道被欄桿、腳手架擋住，信號被遮擋也會出現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳錯誤。點式可燃氣體檢測器性能較好，但易受干擾，零漂現(xiàn)象多，運行期間多次發(fā)生過濾網(wǎng)臟，無法過濾微小顆粒進而影響監(jiān)測結果發(fā)生誤報的情況。在該輸氣站同時安裝了一臺激光云臺和1臺點式可燃氣體探測器和一組對射式可燃氣體探測器，兩個月期間激光云臺共測出2處微量泄漏點，分別為2200ppmm、1100ppmm（期間每次運行至微源均能測到連續(xù)數(shù)值），2處都為新發(fā)現(xiàn)位置。輸氣站后期均進行了維修作業(yè)，排除了隱患，在此期間點式、對射式設備均未觸發(fā)報警；分析原因是因為點式、對射式可燃氣體探測器監(jiān)測區(qū)域在工藝區(qū)上方，微量天

15、然氣泄漏飄散至監(jiān)測區(qū)域后，由于濃度低因此點式和對射式可燃氣體探測器未檢測到，從而未發(fā)出報警。點式、線式固定可燃氣體檢測設備一般都是采用電化學原理，利用氣體擴散特性進行檢測的，當待測氣體擴散到設備感應單元發(fā)生化學反應后才會發(fā)生報警?；诨驹淼脑?，該類技術設備存在相應缺陷，例如在使用期間，現(xiàn)場點式固定可燃氣體檢測設備多次發(fā)出及時報警，發(fā)現(xiàn)工藝區(qū)設備微泄漏問題，但該設備難以確定泄漏位置，報警后常常只能依靠輸氣工使用便攜式泄漏檢測儀確定泄漏位置。掃描式激光甲烷檢測儀探測到的甲烷濃度值超報警閾值時，測量模塊會指向報警點位置并持續(xù)監(jiān)測30秒（可修改），幫助確認泄漏位置，迅速投入后續(xù)應急處置。激克甲烷

16、潰露監(jiān)滴系統(tǒng)JIjiwkiUWM|1rtWHI7丄白曲罔曰C3ElElEUEZffilaz.taa星jfi三ZZ：tJ：3442:MJSSL.時EFtTffiF=*ttfi楠呻柚KEIfllTS.ITfftaiM4L_HMfflruuxrrrff：|41513LZEJXIFUU/mJDHhH4M&HH-觸圖血卻沖MHWu：i比l-mmMl-UWlErrltMIITIaWu4沁mrawLWM：?圖3激光甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)效果圖掃描式激光甲烷檢測儀的后臺軟件具有歷史警情功能，會保存相應有效警情記錄，并顯示報警點圖，回放報警時刻前后30秒的監(jiān)控錄像。該功能的合理應用幫助解決了過去工藝區(qū)輸氣設備泄漏點難

17、以量化監(jiān)測，排查泄漏點隱患問題。歷屯警情振窖四間方氈（水平垂旦豳ZOZ1/02/13_19:0520549,4771147已轄2021/02/1S1ft06:3634589.1322已轄2021/C2/13J9：05：5033133h.10&4BjtbS2021/02/13_1：t)3交2西1W52OZ1/02/13g：而:貂35566,.1333已山2021/02/13_1St32:1932291r_.11&22D21/02/1?_19：32:4S5531.1443Z021/02/13J9：32：4635531.咤B5IS20Z1/02/131SC32M635531,.BSbS指向報警點握害

18、回施IB惇止回放|圖4激光甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)歷史警情比較過去以固定式和便攜式可燃設備混合使用，該云臺掃描式激光甲烷遙測儀穩(wěn)定可靠，使用壽命長，精度高、免標定、不受環(huán)境影響等特征帶來的實用效果更加顯著?；赥DLAS的掃描式激光甲烷遙測儀和后臺系統(tǒng)監(jiān)測終端組成了一個有效整體，極大地提高集中監(jiān)視的效率，為站場設備的穩(wěn)定可靠運行提供重要保障，更能滿足我們對站場安全監(jiān)控的需要。表4與過去傳統(tǒng)模式的綜合比較檢測和監(jiān)測方式傳統(tǒng)模式（固定式和便攜式設備結合使用）基于掃描式激光甲烷檢測儀的天然氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)性能對比各項性能指標對比一般；使用過程需要一定人力介入，效率低；誤報率高各項性能指標較好；可實現(xiàn)全天候、自動化檢測管理成本流程復雜，設備種類多設備單一，自動化、信息化程度咼，維護成本可靠性一般，故障率較高，維護成本高可靠性高，故障率低，維護成本低3.3.1實現(xiàn)了超前預警，提高了天然氣泄漏監(jiān)測效率掃描式激光甲烷檢測儀在預設好巡檢路徑后，能夠實時24小時無死角監(jiān)測泄漏，實時獲得甲烷濃度數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的催化燃燒式或點式紅外吸收型探測儀相比，其檢測精度更高、響應時間更短，真正做到了天然氣微泄漏的檢測水平，在工藝區(qū)管道或閥門在發(fā)生微泄漏或較大泄漏的起始階段即可進行預警，實現(xiàn)了超前預警。在兩個月的監(jiān)控檢測過程中，兩次及時對工藝區(qū)天然氣泄漏做出快速響應，確定泄漏位置，從源頭杜絕泄漏帶來的危害和損失，未曾