TDLAS技術(shù)在天然氣微量泄漏檢測過程中的應(yīng)用

馬 吉，徐景德，王理翔，陳昊馳，宋曉婷

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

TDLAS技術(shù)在天然氣微量泄漏檢測過程中的應(yīng)用

馬 吉，徐景德，王理翔，陳昊馳，宋曉婷

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

隨著全球?qū)μ烊粴獾男枨蠹眲≡黾?，管道輸送也顯得越來越重要，而高效迅速的天然氣管道泄漏檢測技術(shù)是管道安全運行的重要保障。TDLAS檢測技術(shù)是利用氣體分子吸收光譜的原理來進行天然氣泄漏檢測的。本文將系統(tǒng)詳細的介紹TDLAS技術(shù)的研究進展和原理方法，而且設(shè)計了一種實驗室的TDLAS實驗系統(tǒng)，最后指出了現(xiàn)在仍存在的一些問題和未來發(fā)展。

TDLAS技術(shù)；天然氣；泄漏檢測；吸收光譜

Abstract: With the rapid increase of global demand for natural gas, pipeline transportation is becoming more and more important, and the rapid and efficient natural gas pipeline leak detection technology is an important guarantee for the safe operation of pipelines. TDLAS detection technology is based on the principle of gas molecular absorption spectrometry to detect gas leakage. This paper introduces the research progress and principle method of the TDLAS technology in detail, and designs a TDLAS experimental system in the laboratory, and finally points out some existing problems and future trends.

Keywords:TDLAS technology; natural gas; leak detection；absorption spectrum

0 引言

我國的天然氣資源十分短缺，嚴重依賴進口，而且分布嚴重不均，想要解決這些問題必須依靠天然氣輸送。輸氣管道、液化天然氣輸送技術(shù)、壓縮天然氣輸送技術(shù)是三種主要天然氣輸送方法，但是天然氣管道仍是輸送天然氣的最主要方法[1]。而管道運輸由于人為和自然腐蝕等原因一直存在泄露問題。而一旦天然氣管道發(fā)生泄漏, 很容易引起火災(zāi)及爆炸，這將會對人民的生命、財產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的威脅，同時也會造成重大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。所以當(dāng)天然氣發(fā)生泄漏時，對泄漏的甲烷氣體濃度進行及時、準(zhǔn)確的檢測，并發(fā)現(xiàn)泄漏源，對于保護生產(chǎn)生活安全具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)的天然氣泄漏監(jiān)測技術(shù)主要是化學(xué)方法和半導(dǎo)體傳感器檢測法。但這些檢測方法存在靈敏度不高、響應(yīng)速度慢、不能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測等弊端[2]，傳統(tǒng)的檢測方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在天然氣工業(yè)發(fā)展的需要了。為此，本文將介紹一種在國外已被廣泛應(yīng)用，具有靈敏度高、精度高、實時性、選擇性好等優(yōu)點的檢測技術(shù)——可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)。

1 TDLAS技術(shù)概述

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)的簡稱，其本質(zhì)上是一種吸收光譜技術(shù)，是利用激光能量對待測氣體的選頻吸收特性，形成對應(yīng)的吸收光譜原理來分析氣體成分和濃度的一種技術(shù)[3]。TDLAS技術(shù)采用的光源是可調(diào)諧二極管激光光源，這種光源的線寬非常窄，而且激光波長可在小范圍內(nèi)調(diào)諧，可使測量氣體組分的精度達到10-9，特別適合低濃度氣體的快速檢測。

TDLAS技術(shù)具有檢測靈敏度高、精度高、實時性、選擇性好、環(huán)境適應(yīng)能力強、不需對待測氣體進行預(yù)先處理等優(yōu)點，使得該氣體檢測技術(shù)可以被很好地應(yīng)用在自然災(zāi)害預(yù)防、環(huán)境氣體監(jiān)測、氣體管道泄漏等領(lǐng)域[4]。

TDLAS技術(shù)是近年來的熱門研究領(lǐng)域，國內(nèi)外研究人員對其進行了大量的研究，并取得了一些成果[5]。韓小磊[6]針對含硫天然氣，基于TDLAS對不同濃度的CH4和H2S進行了系統(tǒng)的測試，結(jié)合天然氣集輸站場、集輸管線和隧道的特點，設(shè)計了一套開放空間的天然氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，并在勝利油田證明可行。高強[7]建立了以TDLAS為基礎(chǔ)的氣體檢測的多模二極管激光吸收光譜方法，提出了一種利用氣體吸收光譜測量材料漫反射率的高精度方法，極大的提高了TDLAS的測量精度和靈敏度。

2 TDLAS技術(shù)檢測原理

2.1 Lambert Beer定律

朗伯—比爾定律(Lambert—Beer law)，是光吸收的基本定律，適用于電磁輻射以及所有的能吸收光的物質(zhì)[8]。此定律描述了一束單色光射過待測氣體后出射光強與初始光強之間的關(guān)系。如果入射光的光譜正好在氣體的吸收譜線范圍內(nèi)，那么光通過氣體時，部分光強會被氣體吸收，射出光的光強會發(fā)生衰減，通過光衰減程度的量化進而計算各種氣體濃度。

如圖1所示，當(dāng)一束頻率ν、光強為I0的探測激光，穿過目標(biāo)氣體時，如果激光光譜與目標(biāo)氣體的吸收光譜相重疊時，光強會因被目標(biāo)氣體吸收而減弱，這時入射光強I0與射出光強I(ν)就滿足Lambert Beer定律：

I(ν)=I0e-a(v)CL

(1)

圖1 Lambert Beer定律原理圖

式中:L為光程，即光通過待測氣體的距離； C為待測氣體的體積濃度； a(v)為氣體在波長為λ處的吸收系數(shù)。

通過(1)式可以得出：

(2)

根據(jù)公式可知，當(dāng)已知光程和氣體的吸收系數(shù)時，通過測量得知被氣體吸收前后的光強，便可計算出待測氣體的濃度，再與正常時空氣中的甲烷濃度進行對比，就可以判斷天然氣是否發(fā)生泄漏。

2.2 波長調(diào)制技術(shù)

目前在TDLAS系統(tǒng)中有兩種類型的調(diào)制技術(shù)：波長調(diào)制光譜和頻率調(diào)制光譜。其中波長調(diào)制光譜由于檢測精度高且經(jīng)濟實惠，得到廣泛運用。

通過波長調(diào)制技術(shù)，可以避免背景噪聲的影響，從而可以提高檢測的靈敏度。波長調(diào)制光譜的基本特點是調(diào)制頻率相對較低(通常為數(shù)十赫茲到數(shù)千赫茲)，但調(diào)制幅度較大(接近被測線譜的線寬)[9]。由此它就可以生比較大的信號波，用大的信號波測量小的變化，這樣既增加了穩(wěn)定性又提高了檢測靈敏度。

波長調(diào)制光譜技術(shù)是應(yīng)用在TDLAS中一種重要技術(shù)。研究表明,在相同的調(diào)制條件下,氣體吸收光譜二次諧波信號的幅度是與濃度直接成正比的。由于大氣中甲烷氣體的含量比較低,吸收信號比較弱,因此利用波長調(diào)制技術(shù)對輸出波長進行調(diào)制，用鎖相放大器對光強進行解調(diào)，得到吸收信號的一次諧波、二次諧波信號。利用二次諧波信號進行檢測已經(jīng)廣泛應(yīng)用于TDLAS天然氣泄漏檢測。

2.3 吸收譜線的選擇

由于分子的結(jié)構(gòu)和組成不同，所以幾乎每一種氣體分子都對應(yīng)著其相應(yīng)的光譜吸收波長，氣體對該波長處的光具有明顯的吸收，對其他波段的光沒有吸收。因為天然氣的主要成分是甲烷，利用上述特性，檢測天然氣泄漏時只需調(diào)制CH4的光譜吸收波長即可。

通過查閱HITRAN 數(shù)據(jù)庫，可知CH4氣體分子有上萬條吸收譜線，但是在這些吸收譜線中有很多不適合作為氣體檢測選擇吸收譜線。因此必須基于一定原則之上選擇氣體吸收譜線：

(1)選用較強的吸收光譜曲線，這樣在氣體濃度較低時可以提高檢測靈敏度；如氣體濃度較高，則反之；

(2)選擇待測氣體分子的吸收線時，要與其他可能對該吸收線造成干擾的氣體區(qū)分開；

(3) 所選氣體吸收譜線要在半導(dǎo)體激光器可調(diào)波長的范圍之內(nèi)，便于現(xiàn)實操作；

HITRAN 數(shù)據(jù)庫(高分辨率分子透射吸收數(shù)據(jù)庫)在大氣微量氣體弱吸收研究, 氣體遙感測量,激光傳輸研究,雷達等諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用它由39種分子譜線的光譜參數(shù)組成的數(shù)據(jù)庫，其中就有甲烷氣體的吸收譜線。從 HITRAN 數(shù)據(jù)庫查詢，再結(jié)合上述原則發(fā)現(xiàn)，甲烷氣體在1653nm 處的吸收線可以作為天然氣泄漏檢測的吸收譜線[10]。

3 TDLAS系統(tǒng)實驗設(shè)計

構(gòu)建TDLAS系統(tǒng)實驗平臺(如圖2)，該平臺由激光器、實驗室模擬管道、光接收器、鎖相放大器及計算機五部分組成。

圖2 TDLAS系統(tǒng)總框圖

系統(tǒng)實驗平臺搭建好后，首先檢查實驗管道氣密性，若管道氣密性良好，則接著進行以下步驟：

1)用真空泵將管道內(nèi)的空氣抽盡，再向管道內(nèi)充入天然氣，避免管道內(nèi)的空氣影響天然氣中甲烷氣體的濃度。

2)然后根據(jù)前文查到的數(shù)據(jù)，將激光波長調(diào)制為1653 nm，可調(diào)諧激光二極管發(fā)射出激光。接著將設(shè)計在管道上的閥門打開，模擬天然氣泄漏。經(jīng)過調(diào)試的激光穿過泄漏氣體，根據(jù)Lambert Beer定律可知，其中一部分光被甲烷濃度吸收，其余的光則被位于管道另一端的光接收器接收。

3)光接收器接收到光強信息后，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，通過鎖相放大器輸出二次諧波信號，數(shù)據(jù)接口連接計算機，將數(shù)據(jù)保存在電腦中。

4)當(dāng)實驗完成后，利用真空泵將管道內(nèi)的氣體安全的排出。

4 問題與展望

TDLAS技術(shù)對天然氣泄漏檢測具有十分重要的意義。盡管這些年對TDLAS技術(shù)進行的研究比較多，也取得了一定的發(fā)展，但其仍存在著一些問題有待解決：

1)檢測靈敏度的問題。波長調(diào)制技術(shù)，雖然可以避免背景噪聲的影響，但不能夠避免激光器的高頻量子噪聲影響，因此很難再提高檢測靈敏度。

2)氣體交叉干擾的問題。有時為了更準(zhǔn)確的檢測，需要對兩種或兩種以上氣體同時測量(如天然氣中的CH4和H2S)，這就要求在檢測的時候，對各自的結(jié)果不會產(chǎn)生相互干擾，以確保多組分氣體測量的準(zhǔn)確性。

3)檢測反應(yīng)速度及準(zhǔn)確率。大氣中的CH4的平均濃度約為1.7ppmv，本底濃度比較低，而在化工廠中，空氣中會揮發(fā)少量的CH4，濃度會升高一點，當(dāng)發(fā)生泄漏且剛開始泄漏量不多時，CH4氣體的濃度變化不大，這時運用TDLAS檢測，就要確保其靈敏度夠高，可以快速精準(zhǔn)的發(fā)出警報，而不是反應(yīng)速度慢或發(fā)生誤報。

雖然TDLAS技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到天然氣泄漏檢測中，并取得了一定的經(jīng)濟效益，但隨著傳感器、計算機軟件、信號處理等技術(shù)的快速發(fā)展，TDLAS技術(shù)必將更加完善，應(yīng)用也將更加廣泛。

[1] 韓光潔. 埋地燃氣管道泄漏量計算及擴散規(guī)律研究[D].重慶大學(xué),2014.

[2] 張義，康信龍，李長吾,等.基于TDLAS技術(shù)的空間網(wǎng)格化甲烷檢測方法[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2015(2)：136-140.

[3] 竇賀鑫.基于TDLAS的氣體在線檢測系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué),2007.

[4] 潘紅帥.基于TDLAS技術(shù)的甲烷濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].中國礦業(yè)大學(xué),2015.

[5] 祝玉泉,喬利峰,張啟興,等.基于TDLAS的城市天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)[J]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2009(4):429-434.

[6] 韓小磊.基于TDLAS的天然氣泄漏檢測技術(shù)研究[D].北京：中國石油大學(xué)，2009.

[7] 高強.TDLAS氣體檢測靈敏度增強方法及其在漫反射率測量中的應(yīng)用[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[8] 王曉洋.基于TDLAS的激光遙測甲烷濃度技術(shù)的研究[D].天津大學(xué),2012.

[9] 李克,李振林,宮敬,等. 天然氣管道小泄漏高空激光檢測試驗[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(1):129-133.

[10] 徐敏. 基于TDLAS氣體檢測系統(tǒng)中非標(biāo)定波長調(diào)制技術(shù)的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2016.

ApplicationofTDLAStechnologyinleakdetectionofnaturalgas

MA Ji, XU Jing-de, WANG Li-xiang , CHEN Hao-chi, SONG Xiao-ting

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

TP274.4

A

1672-7169(2017)03-0075-04

2017-04-31

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(3142017026)

馬吉(1993-)，男，山西大同人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生。E-mail:1357791725@qq.com