基于TDLAS的管式GGH微泄漏監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

沈忠明 張?jiān)? 葉飛

【摘?要】TDLAS技術(shù)主要是利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的波長與窄線寬隨注入電流改變的特性，對單個(gè)或者距離相近的幾個(gè)難以分辨的吸收線進(jìn)行測量;具有高選擇性、同時(shí)測量多組分、反應(yīng)速度快、靈敏度高等方面的優(yōu)點(diǎn);本文具體分析了TDLAS技術(shù)應(yīng)用在管式GGH微泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】TDLAS技術(shù);監(jiān)測系統(tǒng);測量

一、背景

1.管式GGH在電廠廣泛應(yīng)用

目前，在國家節(jié)能環(huán)保政策力度加大的大環(huán)境下，各燃煤火電企業(yè)都實(shí)現(xiàn)了超低排放，很多電廠進(jìn)行了煙氣消白技術(shù)改造，為了節(jié)能和環(huán)保的需要，管式煙氣冷卻器（GGH）在火電企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但隨之也帶來了一些設(shè)備問題，影響電廠機(jī)組運(yùn)行的可靠性。其中，管式煙氣冷卻器泄漏引發(fā)的問題最為明顯，已經(jīng)形成制約發(fā)電機(jī)組連續(xù)安全運(yùn)行的重要因素。

2.傳統(tǒng)監(jiān)測手段局限性太大

目前常規(guī)微泄漏監(jiān)測手段都無法滿足生產(chǎn)現(xiàn)場要求及時(shí)發(fā)現(xiàn)的需求，因此，急需研發(fā)一種泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，對煙冷器泄漏情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏模塊并隔離，防止故障擴(kuò)大。

傳統(tǒng)技術(shù)手段+原理+局限性。

3.TDLAS技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及研究現(xiàn)狀

TDLAS技術(shù)，即Tunable?Diode Laser?Absorption?Spectroscopy，該種技術(shù)的二極管采用半導(dǎo)體材料制成，因此也被稱之為“可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)”。該項(xiàng)技術(shù)主要從上世紀(jì)90年代開始，發(fā)展速度非?？欤⑶矣捎谄渚哂徐`敏度高、反應(yīng)速度快、對所有的紅外都有吸收的活躍分子都有效、高選擇性等眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地解決傳統(tǒng)大氣在線檢測系統(tǒng)存在的缺陷，致使其被廣泛地推廣和應(yīng)用在環(huán)境大氣檢測中。

TDLAS技術(shù)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）具有靈敏度高、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，在不失靈敏度的基礎(chǔ)上，其時(shí)間分辨率能夠控制在毫秒量級;2）對所有的紅外都有吸收的活躍分子都有效的通用技術(shù)，并且能夠更加方便的改成測量其他組分的儀器，能夠?qū)⑵涓某赏瑫r(shí)測量多組分的檢測儀器;3）高選擇性，高分辨的光譜技術(shù)，不受其它氣體的干擾，這一特點(diǎn)與大氣在線檢測系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢;4）能夠自動(dòng)修正壓力變化、環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果的影響;5）儀器沒有運(yùn)動(dòng)元件，維護(hù)方便、可靠性相對較高;6）不需要進(jìn)行采樣預(yù)處理，就能夠?qū)ιa(chǎn)過程進(jìn)行控制，并且響應(yīng)速度非?？?7）測試儀器內(nèi)部設(shè)定有標(biāo)定腔，在檢測過程中可以定時(shí)自動(dòng)標(biāo)定，不需要進(jìn)行手動(dòng)操作。

上世紀(jì)七十年代，美國科學(xué)家Hinkley和Reid首次提出TDLAS技術(shù)以來在短短十幾年的時(shí)間里，該技術(shù)得到了極大的發(fā)展，具體表現(xiàn)在作為檢測光源的近紅外半導(dǎo)體激光器工作性能更加穩(wěn)定，使用壽命更長，體積更小型化。同時(shí)TDLAS氣體檢測技術(shù)正朝著高精度，高靈敏度，低檢測限，使用環(huán)境更加豐富等方向發(fā)展，己經(jīng)可以被廣泛用于尾氣檢查，氣體檢漏，燃燒排放量檢測等多種場合。歐美日等一些發(fā)達(dá)國家的氣體分析儀公司也開始將TDLAS檢測技術(shù)作為一種重要的氣體檢測方式用于產(chǎn)品制造。國內(nèi)對干TDLAS技術(shù)研究始于日絲紀(jì)八十年代，1999年國內(nèi)第一臺紅外差分激光吸收雷達(dá)由中科院安徽光機(jī)所研制成功，在之后的時(shí)間里該技術(shù)在國內(nèi)取得了較快發(fā)展。2018年Yin 基于TDLAS檢測原理設(shè)計(jì)出一套符合石油工業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求測量丙烷和丁烷含量的傳感器系統(tǒng)，計(jì)算出的丙烷和丁烷濃度（在氣體混合物樣品中）的所有爆炸下限相對誤差低于3%。

二、TDLAS技術(shù)原理

直接吸收法是通過檢測氣體透射光強(qiáng)或者反射光強(qiáng)的變化強(qiáng)弱達(dá)到檢測氣體濃度的目的，每個(gè)氣體分子都有自己的吸收譜即對特定頻率的激光進(jìn)行選頻吸收，當(dāng)光源的發(fā)射波長和氣體的吸收波長重合時(shí)，光強(qiáng)會被部分吸收，根據(jù)這一點(diǎn)，利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器波長可調(diào)諧的特點(diǎn)，使激光器的輸出波長能在被測氣體分子的吸收峰附近掃描，得到待測氣體分子的吸收譜線，進(jìn)行濃度分析。

諧波檢測法技術(shù)，波長調(diào)制技術(shù)（諧波檢測法）可以通過一個(gè)掃描信號和正弦信號的疊加信號改變半導(dǎo)體激光器的波長。當(dāng)被測氣體的最強(qiáng)吸收峰所在波長的位置與激光器輸出波長重合的時(shí)候，可以得到所需吸收光譜，這種方法相比與直接吸收法具有更高的靈敏度。其檢測過程為，在掃描信號上疊加高頻正弦信號，通常還需要添加直流信號，（偏置電壓），加載到半導(dǎo)體激光器上，掃描信號的作用為改變半導(dǎo)體激光器溫度和電流進(jìn)而改變激光器的輸出波長和輸出功率，利用該辦法進(jìn)行波長改變和連續(xù)掃描，確保激光的輸出波長在掃描過程中總能夠在某個(gè)工作點(diǎn)與氣體吸收峰重合。正弦信號作為調(diào)制信號主要起信號檢測的作用，經(jīng)過氣體吸收產(chǎn)生包含了被測氣體濃度信息的高次諧波信號，通過對高次諧波信號分析獲取被測氣體的濃度。高次諧波信號的提取主要有三種不同方式，一種是通過鎖相放大器的方式，將與頻率為調(diào)制信號整數(shù)倍的正弦信號或者方波信號作為參考信號，將經(jīng)過氣體吸收的光信號轉(zhuǎn)化成的電信號作為被檢測信號，利用鎖相放大器提取出所需各次諧波信號。

二次諧波反演氣體濃度，二次諧波的幅值正比于待測氣體濃度乘以有效光程，因此在有效光程不變情況下可以直接利用處理后的二次諧波信號幅值用來反演待測氣體的濃度，需要注意的是，在反演前，我們需要找到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，提取己知的氣體二次諧波幅值，通過標(biāo)準(zhǔn)氣體的二次諧波信號與標(biāo)準(zhǔn)濃度值來進(jìn)行最小二乘法直線擬合，獲得擬合直線和擬合度，之后我們通過這個(gè)擬合方程結(jié)合被測氣體二次諧波幅值即可推斷待測氣體的濃度。TDLAS檢測檢測平臺的性能是需要通過擬合度來判斷的，當(dāng)激光器輸出波長等于在甲烷吸收峰對應(yīng)波長處二次諧波幅值甲烷濃度成正比，即完全線性即擬合度為1，但實(shí)際系統(tǒng)中，受到各種條件的限制，擬合度不可能完全等于1。

基于TDLAS檢測的基本原理，本系統(tǒng)將分不同的功能模塊，每一個(gè)模塊應(yīng)一種或若干種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同一模塊在功能相同的情況下可以根據(jù)測量精度及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，選用不同的設(shè)備。TDLAS系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分包括：信號發(fā)生模塊，光源模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊，氣體吸收池模塊，二次諧波提取模塊。其中信號發(fā)生模塊負(fù)責(zé)提供激光器的調(diào)制電壓，調(diào)制信號和掃描信號，在直接測量法中，可以直接將掃描信號輸入激光器中，在示波器下直接觀察經(jīng)過光電探測器接收的吸收信號。在諧波檢測法中，需要將調(diào)制信號疊加在掃描信號上作為輸入信號接入到激光器中。光源模塊負(fù)責(zé)輸出可調(diào)諧的激光，氣體吸收模塊的作用是讓光信號經(jīng)過氣體充分吸收。光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號再轉(zhuǎn)換成電信號，之后再利用二次諧波提取模塊從電信號中解調(diào)出二次諧波分量。通過在CCS7.0平臺下利用C語言編寫相應(yīng)DSP算法，利用DSP開發(fā)板完成將獲取到二次諧波信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的濃度且進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示功能。

基于本系統(tǒng)下諧波檢測法，具體檢測過程為利用函數(shù)信號發(fā)生器輸出一個(gè)低頻掃描信號和一個(gè)高頻的調(diào)制信號，利用加法器進(jìn)行疊加作為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器輸入信號，使得激光器輸出激光的頻率和光強(qiáng)同時(shí)受到輸入電壓的調(diào)制，輸出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡進(jìn)行準(zhǔn)直再通過裝有甲烷氣體吸收池，經(jīng)過光電探測器接收的信號中包含有氣體濃度的二次諧波信號，而諧波檢測法的關(guān)鍵在于解調(diào)二次諧波信號。

三、dTDLAS技術(shù)在嘉華電廠的具體應(yīng)用

1.項(xiàng)目概況

本次測量系統(tǒng)安裝在浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司7號鍋爐（1000MW）C和D兩個(gè)管式GGH煙道出口處，每個(gè)煙道安裝兩套設(shè)備，共四套，安裝采用對穿式，發(fā)射端和接收端安裝在煙道兩側(cè)同一中心線上。

2.測量流程

TDLSA技術(shù)采用可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)，因此譜線的選擇至關(guān)重要。譜線選擇的原則包括：選擇測量的吸收譜線既需要適合用于TDL的中心波長，還應(yīng)該在吸收區(qū)域與其他氣體分子不存在交叉吸收現(xiàn)象，這樣能夠排除其他氣體分子對測量結(jié)果的影響;譜線不能位于多種氣體吸收的交叉譜帶，這樣會導(dǎo)致其他氣體分子干擾測量精度;譜線中心波長必須和光探測器的響應(yīng)波長、TDL中心波長相適應(yīng)。

激光由TDLAS控制箱發(fā)出，每個(gè)控制箱發(fā)出兩道激光，四道激光對應(yīng)四個(gè)發(fā)射端，激光發(fā)出由光纖傳輸?shù)浇邮斩?，?jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后通過光學(xué)楔片被安裝在煙道對面的接收端接收（激光經(jīng)非球面透鏡聚焦后被光電探測器接收），接收端接收到激光信號后經(jīng)同軸電纜將信號傳回TDLAS控制箱中，控制箱接收到信號后通過板卡線將信號傳輸?shù)焦た貦C(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，最終把光強(qiáng)曲線和水蒸氣濃度曲線在顯示器上顯示出來?？照{(diào)可保證設(shè)備在惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，UPS保證設(shè)備在斷電的情況下持續(xù)運(yùn)行，不間斷監(jiān)測泄漏情況。

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（作者單位：浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司）