基于TDLAS的掃描式激光甲烷檢測技術(shù)在天然氣站場的實踐運(yùn)用

1、基于TDLAS的掃描式激光甲烷檢測技術(shù)在天然氣站場的實踐運(yùn)用摘要：介紹了激光式甲烷檢測技術(shù)的相關(guān)原理，并與其它傳統(tǒng)甲烷檢測技術(shù)相比較，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)以其響應(yīng)速度快、靈敏度高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)必將得到廣泛應(yīng)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(yīng)用效果進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：TDLAS天然氣站場泄漏監(jiān)測光譜吸收實際應(yīng)用分析1概述管道輸氣是天然氣的主要運(yùn)輸方式，天然氣管道運(yùn)輸將是今后相當(dāng)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?xì)庹緢鎏峁┓€(wěn)定靈敏、準(zhǔn)確實

2、時的天然氣泄漏檢測技術(shù)十分重要。近幾年來，隨著窄線寬半導(dǎo)體激光器技術(shù)的飛速發(fā)展，使得可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS-TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)甲烷檢測技術(shù)逐步成熟。該技術(shù)對天然氣泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，比較傳統(tǒng)天然氣泄漏檢測技術(shù)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(shù)2.1與傳統(tǒng)檢測技術(shù)的比較到目前為止，己有許多技術(shù)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(shù)原理的不同，傳統(tǒng)的檢測方式又可細(xì)分為催化燃燒型、電化學(xué)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(yīng)，在檢測元件敏感體表面無焰燃燒，釋放熱量導(dǎo)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。基于該技術(shù)的甲烷檢測儀具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、只對可燃?xì)怏w有反應(yīng)不受非可燃?xì)怏w干擾，而且輸出信號接近線性，易于處理。但該技術(shù)也存在在可燃?xì)怏w范圍內(nèi)，無氣體選擇性，且有引燃爆炸的風(fēng)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(biāo)定，易出現(xiàn)零漂和靈敏度漂移的情況。電化學(xué)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(yīng)產(chǎn)生電流，該電流大小與待測氣體濃度成比例關(guān)系，測量得出電流大小即可反推得到氣體濃度。基于此原理制造的甲烷氣體檢測儀靈敏度較高，但基于化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，電化學(xué)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(jìn)行分光處理，故稱為非色散紅外。紅外檢測技術(shù)和光譜吸收檢測技術(shù)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(jìn)行檢測。相比激光式傳感器，紅外傳感器的分辨率相當(dāng)?shù)?，其光譜分辨率大概比可調(diào)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(shù)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(yán)重干擾檢測結(jié)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(zhǔn)。表1將光譜吸收技術(shù)與上述多種甲烷檢測技術(shù)在實際監(jiān)測中的多項主要性能指標(biāo)進(jìn)行了比較，可以看出，光譜吸收技術(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法。表1光譜吸收技術(shù)與其它甲烷檢測技術(shù)的比較檢測方式靈敏度可靠性氣體選擇性響應(yīng)速度穩(wěn)定性使用壽命量程范圍維護(hù)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(biāo)定電化、廣rx學(xué)式一般一般一般W30s一般1-2年小易漂移，6-12個月標(biāo)定一次一般紅外式高高（易受水汽WIOs好3-5年較大每年標(biāo)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(hù)2.2光譜吸收檢測技術(shù)的種類目前，光譜吸收氣體檢測技術(shù)主要包括差分吸收光譜DOAS技術(shù)、傅立葉變換紅外吸收光譜FTIR技術(shù)、可調(diào)諧二極管激光吸收光譜TDLAS技術(shù)。差分吸收光譜DOAS技術(shù)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(qiáng)度來推得氣體濃度。該技術(shù)檢測過程中易受氣溶膠和水汽影響，檢測結(jié)果可靠性較低。傅里葉變換紅外吸收光譜技術(shù)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(zhuǎn)換到頻譜上，實現(xiàn)對氣體濃度的檢測。該技術(shù)在長光程條件下檢測時，精度可以更高，達(dá)到ppb數(shù)量級。但該技術(shù)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(shù)，其體積更大，檢測速度更慢?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（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(shù)對天然氣泄漏檢測技術(shù)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(shù)，TDLAS技術(shù)具有高選擇性、靈敏實時、穩(wěn)定性高、實用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。表2對三類光譜吸收檢測技術(shù)的性能指標(biāo)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(yīng)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(shù)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(diǎn)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(diǎn)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(shù)原理TDLAS技術(shù)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(qiáng)發(fā)生變化，激光強(qiáng)度衰減和待測氣體濃度有關(guān)，通過測量吸收光強(qiáng)度再分析即可得出待測氣體濃度?；驹恚篖ambert-Beer定律。單

9、一頻率的輻射光通過待測氣體后，其強(qiáng)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(qiáng)度，；是光源發(fā)出激光的強(qiáng)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(guān)，可以展開為：門=7（2）式中是吸收線強(qiáng)，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(shù)原理圖在具體應(yīng)用中，TDLAS技術(shù)檢測甲烷氣體濃度主要通過利用調(diào)節(jié)可調(diào)諧半導(dǎo)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(diào)制光譜技術(shù)，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(shù)實現(xiàn)抗干擾能力強(qiáng)、靈敏、穩(wěn)定、實時準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。TDLAS技術(shù)在氣體檢測方面，對比傳統(tǒng)氣體檢測技術(shù)性能突出?；赥DLAS技術(shù)的氣體檢測儀不存在零點(diǎn)漂移、量程漂移以及中毒失效等問題，維護(hù)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(shù)。3掃描式激光甲烷檢測技術(shù)在天然氣站場的實際應(yīng)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(shè)備為主備。便攜式泄漏檢測設(shè)備主要應(yīng)用于工人巡檢過程中對設(shè)備“跑、冒、滴、漏”的檢查，固定式泄漏檢測設(shè)備主要應(yīng)用于大場景下危險介質(zhì)泄漏的預(yù)警。而站場點(diǎn)式、線式等固定式檢測設(shè)備存在泄漏檢測反應(yīng)

11、滯后、泄漏點(diǎn)定位困難等缺點(diǎn)，便攜式檢測設(shè)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?xì)怏w泄漏進(jìn)行實時的在線監(jiān)測，增強(qiáng)該站的安全監(jiān)控能力。表3激光云臺和點(diǎn)式、線式可燃?xì)怏w檢測儀性能比較檢測產(chǎn)品響應(yīng)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(hù)保養(yǎng)點(diǎn)式可燃?xì)怏w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(diǎn)易漂移，需經(jīng)常標(biāo)定對射式可燃?xì)怏w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(biāo)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(diào)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(yù)設(shè)位置的天然氣濃度進(jìn)行非接觸式測量，結(jié)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(guān)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(wù)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(shù)指標(biāo)測量范圍099999ppmm掃

13、描半徑(080m)分辨率2ppmm響應(yīng)時間0.1s掃描角度水平：360俯仰：90轉(zhuǎn)動速度水平：0.160/s；垂直：0.130/s3.2可燃?xì)怏w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(yīng)設(shè)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(shè)置在站場辦公室門口右側(cè)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(yùn)行效果分析該站曾裝設(shè)過5組對射式可燃?xì)怏w探測器和1臺點(diǎn)式可燃?xì)怏w探測器，對射式可燃?xì)怏w探測器運(yùn)行期間多次發(fā)生因地質(zhì)沉降等原因?qū)е掳l(fā)射機(jī)、接收機(jī)安裝位置變化，光道發(fā)生偏移，導(dǎo)致信

14、號強(qiáng)度變低，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳錯誤；如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(yuǎn)傳錯誤。點(diǎn)式可燃?xì)怏w檢測器性能較好，但易受干擾，零漂現(xiàn)象多，運(yùn)行期間多次發(fā)生過濾網(wǎng)臟，無法過濾微小顆粒進(jìn)而影響監(jiān)測結(jié)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(diǎn)式可燃?xì)怏w探測器和一組對射式可燃?xì)怏w探測器，兩個月期間激光云臺共測出2處微量泄漏點(diǎn)，分別為2200ppmm、1100ppmm（期間每次運(yùn)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(jìn)行了維修作業(yè)，排除了隱患，在此期間點(diǎn)式、對射式設(shè)備均未觸發(fā)報警；分析原因是因為點(diǎn)式、對射式可燃?xì)怏w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(diǎn)式和對射式可燃?xì)怏w探測器未檢測到，從而未發(fā)出報警。點(diǎn)式、線式固定可燃?xì)怏w檢測設(shè)備一般都是采用電化學(xué)原理，利用氣體擴(kuò)散特性進(jìn)行檢測的，當(dāng)待測氣體擴(kuò)散到設(shè)備感應(yīng)單元發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后才會發(fā)生報警?；诨驹淼脑颍擃惣夹g(shù)設(shè)備存在相應(yīng)缺陷，例如在使用期間，現(xiàn)場點(diǎn)式固定可燃?xì)怏w檢測設(shè)備多次發(fā)出及時報警，發(fā)現(xiàn)工藝區(qū)設(shè)備微泄漏問題，但該設(shè)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(diǎn)位置并持續(xù)監(jiān)測30秒（可修改），幫助確認(rèn)泄漏位置，迅速投入后續(xù)應(yīng)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(yīng)有效警情記錄，并顯示報警點(diǎn)圖，回放報警時刻前后30秒的監(jiān)控錄像。該功能的合理應(yīng)用幫助解決了過去工藝區(qū)輸氣設(shè)備泄漏點(diǎn)難

17、以量化監(jiān)測，排查泄漏點(diǎn)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(diǎn)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(shè)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(biāo)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(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)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(shè)備結(jié)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(biāo)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(biāo)較好；可實現(xiàn)全天候、自動化檢測管理成本流程復(fù)雜，設(shè)備種類多設(shè)備單一，自動化、信息化程度咼，維護(hù)成本可靠性一般，故障率較高，維護(hù)成本高可靠性高，故障率低，維護(hù)成本低3.3.1實現(xiàn)了超前預(yù)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(yù)設(shè)好巡檢路徑后，能夠?qū)崟r24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(diǎn)式紅外吸收型探測儀相比，其檢測精度更高、響應(yīng)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(jìn)行預(yù)警，實現(xiàn)了超前預(yù)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(yīng)，確定泄漏位置，從源頭杜絕泄漏帶來的危害和損失，未曾