移動激光甲烷遙測儀在天然氣泄漏檢測中的應(yīng)用

蔣興富，文紅軍，唐 華，田 爍，李慧婷

1.嵩明中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?，云南嵩?651700

2.天津市振津石油天然氣工程有限公司，天津 300384

3.大連市艾科微波光電子工程研究有限公司，遼寧大連 116600

移動激光甲烷遙測儀在天然氣泄漏檢測中的應(yīng)用

蔣興富1，文紅軍1，唐 華1，田 爍2，李慧婷3

1.嵩明中石油昆侖燃?xì)庥邢薰荆颇厢悦?651700

2.天津市振津石油天然氣工程有限公司，天津 300384

3.大連市艾科微波光電子工程研究有限公司，遼寧大連 116600

目前國內(nèi)外大多數(shù)天然氣管道泄漏檢測儀都是近距離檢測的，要求把探頭置于燃?xì)饪赡苄孤┑沫h(huán)境中，探頭與燃?xì)庑枰苯咏佑|，因此危險性很大；另外在人工實(shí)際巡檢過程中經(jīng)常也會遇到難以滿足這些檢測條件的情況，而應(yīng)用移動激光甲烷遙測儀可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足。介紹了移動激光甲烷遙測儀的工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，分析了激光遙測技術(shù)的優(yōu)勢，針對不同情況的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行燃?xì)庑孤z測試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，移動激光甲烷遙測儀具有檢測精度高（檢測質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)10-6以下）、響應(yīng)速度快（0.01 s）、可遙測（30 m）等優(yōu)點(diǎn)，可以對傳統(tǒng)儀器無法檢測的管網(wǎng)設(shè)施燃?xì)庑孤┻M(jìn)行方便、快捷、準(zhǔn)確的檢測，在解決燃?xì)庑孤╇y題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是現(xiàn)有檢測儀器的有效補(bǔ)充。

天然氣泄漏；激光甲烷遙測儀；檢測

目前國內(nèi)外大多數(shù)天然氣泄漏檢測儀都是用于近距離檢測的，要求把探頭置于燃?xì)饪赡苄孤┑沫h(huán)境中，探頭與燃?xì)庑枰苯咏佑|，因此危險性很大。然而在實(shí)際巡檢過程中經(jīng)常會遇到難以滿足這些條件的情況，而應(yīng)用移動遙測式甲烷激光探測儀可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足[1]。

1 激光甲烷遙測儀的工作原理[2-3]

激光甲烷遙測儀是基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，簡稱TDLAS）原理制造成的，TDLAS通常是用單一頻率的窄帶激光掃描出一條獨(dú)立的氣體吸收線，并利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的波長隨注入電流而改變的特性，實(shí)現(xiàn)對分子的單條或幾條距離很近很難分辨的吸收線的測量，并且具有速度快，靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。在不失靈敏度的情況下，其時間分辨率可達(dá)ms量級。因?yàn)榧す獾姆直媛矢?，檢測精度高，因此可用于痕量氣體監(jiān)測分析。通過單片機(jī)控制電路對激光器進(jìn)行電流調(diào)制，使激光器發(fā)出所需波長的激光，激光穿過氣體監(jiān)測區(qū)域后，到達(dá)反射面并被反射回激光探測器，若激光穿過的氣體區(qū)域中存在被檢測的特征氣體，激光就將與該氣體發(fā)生作用并被吸收，特征氣體濃度越高，吸收量越大，激光探測器將監(jiān)測到激光強(qiáng)度的變化并將其反饋至單片機(jī)控制電路進(jìn)行處理，最終由信號輸出電路將濃度結(jié)果顯示出來，工作原理見圖1。

圖1 激光甲烷遙測儀電氣原理示意

2 激光遙測技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 與電化學(xué)/熱催化傳感器的比較

（1）激光遙測技術(shù)具有操作人員不中毒，傳感器無老化，測量無交叉干擾等優(yōu)勢。電化學(xué)/熱催化傳感器通常是通過敏感元件直接和氣體接觸，而后通過這兩者之間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱或電來進(jìn)行檢測的，它是一種消耗型傳感器件，所以電化學(xué)/熱催化傳感器的使用壽命會隨著檢測氣體的頻率和濃度的增加而變短?；诨瘜W(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，電化學(xué)/熱催化傳感器對同類型的氣體都會發(fā)生反應(yīng)，沒有唯一選擇性，經(jīng)常會引發(fā)誤報警。由于化學(xué)反應(yīng)對濕度、溫度、壓力以及環(huán)境氣體很敏感，經(jīng)常會因多種原因引起零點(diǎn)漂移，因而其校正周期極短，另外頻繁的校正也使得傳感器的使用成本大大增加。而激光式傳感器則是一種無需與氣體直接接觸的光學(xué)探測器，因此不會發(fā)生人員中毒或傳感器老化現(xiàn)象；此外，在常壓條件下激光式傳感器不受壓力和濕度變化的影響，因而免調(diào)校。

（2）激光遙測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測。歐洲標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508被認(rèn)為是安全傳感器的“最佳檢驗(yàn)方法”。該標(biāo)準(zhǔn)要求所有設(shè)備功能性安全，并要求常年不斷地對傳感器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。激光式傳感器是通過監(jiān)測光源的強(qiáng)度來完成對這一標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測的。由于任何測試都會影響電化學(xué)探測器和熱催化傳感器的使用效果，因而電化學(xué)/熱催化傳感器均不符合該標(biāo)準(zhǔn)。因此對具有爆炸危險性的裝置或場所（如石油化工廠、天然氣加氣站、天然氣門站等） 的經(jīng)營者而言，將來使用激光式傳感器來替換電化學(xué)/熱催化傳感器是一個必然的趨勢。

（3）激光遙測技術(shù)具有高動態(tài)的測量范圍。大多數(shù)的檢測技術(shù)或者只能檢測低濃度的氣體（例如，電化學(xué)傳感器檢測的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于100×10-6），或者只能檢測高濃度的氣體（熱催化傳感器檢測的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在百分?jǐn)?shù)范圍之內(nèi)）。而在很多實(shí)際應(yīng)用中，高動態(tài)測量范圍是必須的。在這種情況下，如果使用化學(xué)傳感器進(jìn)行檢測，則需要安裝不同測量范圍的傳感器，既增加成本，又不方便。而激光氣體傳感器的測量動態(tài)范圍高達(dá)萬倍，因此無需在同一個設(shè)備中使用多種不同的檢測技術(shù)即可滿足大部分測試范圍的要求。

2.2 與紅外傳感器的比較

（1）激光傳感器具有完全的氣體分辨性。紅外傳感器和激光式傳感器都是通過目標(biāo)氣體對紅外光的吸收來進(jìn)行檢測的，但是，紅外傳感器只能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)弱的分辨率。紅外傳感器通過干涉濾光片過濾熱輻射光源氣體光譜的分辨率，大致上比可調(diào)諧二極管激光光譜中的激光分辨率弱一千倍。重疊的氣體吸收光譜帶會給紅外傳感器帶來嚴(yán)重干擾，尤其是經(jīng)常存在的水分吸收帶帶來的干擾。對于激光式傳感器來說，這個問題將不復(fù)存在，為零交叉靈敏度。激光傳感器無需標(biāo)定，具有長期穩(wěn)定性。紅外傳感器需要另外一個檢測通道做參考以便監(jiān)測光源的光強(qiáng)度，隨著時間的推移，這個光源的光強(qiáng)會由于老化而不斷改變。由于參考通道有一個單獨(dú)的探測器和一個單獨(dú)的窄帶干涉濾光片，與測量通道相比較，不同的器件和不同的老化程度都會引起“零飄”，因此，紅外傳感器需要相對頻繁的校準(zhǔn)。激光式傳感器使用了一種特殊的測量技術(shù)，與專有的電子產(chǎn)品相連接，每次測量時從檢測信號中提取出光強(qiáng)度信號，因此無需參考通道或者頻繁的常規(guī)矯正。

（2）激光傳感器功耗低。紅外傳感器的熱光源使用電能來產(chǎn)生強(qiáng)度光譜，光源通過濾光片，其中僅有一小部分的發(fā)射光被調(diào)諧到氣體吸收波長，其大部分電功耗都被浪費(fèi)掉。與此相反，激光式傳感器中的激光二極管可以準(zhǔn)確地發(fā)射出所需波長的光，僅消耗激光轉(zhuǎn)化效率的最小值。

2.3 與傅里葉紅外光譜分析儀的比較

傅里葉紅外光譜分析儀主要用于實(shí)驗(yàn)室和一些工藝應(yīng)用中的多種氣體的測試。但是這種高精度、快速測量儀器的價格是激光式傳感器的20～50倍。這種標(biāo)準(zhǔn)測試儀器有容易被污染的光學(xué)器件，要測量痕量氣體的濃度（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-6級）是比較困難的。此外，他們對振動和沖擊也非常敏感，需要由專業(yè)人士來操作，龐大的體積和高功耗不利于簡單的OEM集成和便攜式操作。

2.4 與固態(tài)傳感器的比較

固態(tài)傳感器對濕度敏感，通常對有毒氣體選擇性差，氧氣含量的變化會導(dǎo)致不可靠的讀數(shù)，在高氣體濃度環(huán)境下會導(dǎo)致零氣體度數(shù)和靈敏度的不可逆變化。相反，激光傳感器則不與被測氣體直接接觸，其他氣體的交叉靈敏度、濕度和含氧量對激光式傳感器的影響幾乎為零。固態(tài)傳感器的操作需要在持續(xù)的高溫下進(jìn)行，這導(dǎo)致了巨大的功耗，且不適合作為便攜式設(shè)備使用。而激光式傳感器則具有功耗低的優(yōu)點(diǎn)并方便生產(chǎn)安全人員巡檢。

3 移動激光甲烷遙測儀的應(yīng)用

通過我公司安全生產(chǎn)人員對新型檢測設(shè)備的使用，針對常見場所以及以往檢測困難或無法檢測的燃?xì)夤艿啦课贿M(jìn)行泄漏檢測，并與傳統(tǒng)檢漏儀器設(shè)備的復(fù)檢結(jié)果進(jìn)行對比，總結(jié)出在各種使用環(huán)境下該儀器設(shè)備的適用性和性能特點(diǎn)。

3.1 架空管道的檢測

嵩明龍河架空管道因檢測位置特殊（檢測距離在30 m范圍內(nèi)）且人員巡檢時不易到達(dá)，因此決定使用移動激光甲烷遙測儀遠(yuǎn)距離對該管道的泄漏情況進(jìn)行掃描，其中有兩處管道位置是重點(diǎn)監(jiān)測位置。將儀器發(fā)出的指示激光，掃描至可能發(fā)生泄漏的位置，再通過屏幕顯示泄漏狀況，未發(fā)現(xiàn)泄漏。上述檢測結(jié)果與日常設(shè)備的檢測和保壓測試結(jié)果進(jìn)行對比表明，激光探測儀與傳統(tǒng)探測儀的檢測結(jié)果是一致的。

3.2 埋地管道的檢測

云南大學(xué)商學(xué)院嵩明校區(qū)庭院天然氣管道的壓力出現(xiàn)異常，經(jīng)判斷可能是燃?xì)庑孤?。采用移動激光甲烷遙測儀對其進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)探測到該校區(qū)道路施工的挖掘現(xiàn)場時，儀器發(fā)出了報警聲，經(jīng)過仔細(xì)檢測和逐步靠近定位，確定該處管道存在泄漏。后來經(jīng)過了解發(fā)現(xiàn)，該位置管道泄漏是因道路施工時采用挖掘機(jī)進(jìn)行余土清理，不慎將的管道損壞，從而造成燃?xì)庑孤?/p>

在埋地管道泄漏檢修中，因泄漏的氣體往往濃度過低而不易檢測到泄漏點(diǎn)，采用移動激光甲烷遙測儀可檢測到空氣中質(zhì)量分?jǐn)?shù)低至5×10-6的甲烷氣體，從而可對泄漏點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

3.3 在天然氣門站等場站的應(yīng)用

移動激光甲烷遙測儀可配合360°旋轉(zhuǎn)云臺使用，利用周圍墻面/地面等常見反射物作為反射面進(jìn)行測量，系統(tǒng)實(shí)時記錄下檢測區(qū)域的甲烷濃度信息，并與常規(guī)作業(yè)下的濃度進(jìn)行比較，當(dāng)測試濃度超過預(yù)警值時則啟動報警。該系統(tǒng)具有靈敏度高、無人值守和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此激光遙感探測儀在石油化工等領(lǐng)域也將具有廣闊的應(yīng)用空間。

4 結(jié)束語

移動激光甲烷遙測儀具有檢測精度高（氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)10-6以下）、響應(yīng)速度快（0.01 s）、可遙測（30 m） 等優(yōu)點(diǎn)，可以對傳統(tǒng)儀器無法檢測的管網(wǎng)設(shè)施的燃?xì)庑孤┻M(jìn)行方便、快捷、準(zhǔn)確的檢測?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，移動激光甲烷遙測儀在解決燃?xì)庑孤╇y題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是現(xiàn)有檢測儀器的有效補(bǔ)充。

[1]夏慧，劉文清，張玉鈞，等.基于菲涅耳透鏡開放光路天然氣泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（3）：844-847.

[2]張帆，張立萍.紅外吸收光譜法在氣體檢測中的應(yīng)用[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報，2005，27（5）：62-64.

[3]吳曉南，胡鎂林，商博軍，等.城市燃?xì)庑孤z測新方法及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2011，31（9）：98-101.

Application of Portable Remote Methane L eak Detector in Natural Gas L eakage Detection

JIANG Xingfu1，WEN Hongjun1，TANG Hua1，TIAN Shuo2，LIHuiting3
1.Songming PetroChina Kunlun FuelGas Co.，Ltd.，Songming 651700，China
2.Tianjin Zhenjin Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China
3.Daliang Aike Microwave Photoelectron Engineering Research Co.，Ltd.，Dalian 116600，China

The sensors of most domestic natural gas pipeline leakage detectors are required to be placed in the environment with possible gas leakage，therefore it has great risk.Sometimes，the actual detection condition does not meet the requirement.The portable remote methane leak detector can solve this problem.The working principle，structure，feature and technical advantages of this detector are introduced in this paper.The detections are carried out for different fuel pipelines.The results show that the portable remote methane leak detector possesses the advantages of high accuracy（less than 10-6in mass fraction），quick response time（0.01 s） and long telemetry distance（30 m）.It can implement convenient，quick and accurate gas leakage detection for pipeline network equipment where conventional detectors are difficult to approach.

naturalgas leakage；portable remote methane leak detector；detection

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.019

蔣興富（1980-），男，重慶人，經(jīng)濟(jì)師，注冊安全工程師，2009年畢業(yè)于四川大學(xué)工商管理專業(yè)，現(xiàn)從事城鎮(zhèn)天然氣管理方面的工作。Email：zec_qinxiaoyong@163.com

2016-07-16