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(cè)過(guò)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(lái)越重要，而高效迅速的天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)是管道安全運(yùn)行的重要保障。TDLAS檢測(cè)技術(shù)是利用氣體分子吸收光譜的原理來(lái)進(jìn)行天然氣泄漏檢測(cè)的。本文將系統(tǒng)詳細(xì)的介紹TDLAS技術(shù)的研究進(jìn)展和原理方法，而且設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)室的TDLAS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，最后指出了現(xiàn)在仍存在的一些問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展。

TDLAS技術(shù)；天然氣；泄漏檢測(cè)；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(guó)的天然氣資源十分短缺，嚴(yán)重依賴進(jìn)口，而且分布嚴(yán)重不均，想要解決這些問(wèn)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(yùn)輸由于人為和自然腐蝕等原因一直存在泄露問(wèn)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(huì)對(duì)人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的威脅，同時(shí)也會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。所以當(dāng)天然氣發(fā)生泄漏時(shí)，對(duì)泄漏的甲烷氣體濃度進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)，并發(fā)現(xiàn)泄漏源，對(duì)于保護(hù)生產(chǎn)生活安全具有十分重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)的天然氣泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是化學(xué)方法和半導(dǎo)體傳感器檢測(cè)法。但這些檢測(cè)方法存在靈敏度不高、響應(yīng)速度慢、不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)等弊端[2]，傳統(tǒng)的檢測(cè)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(guó)外已被廣泛應(yīng)用，具有靈敏度高、精度高、實(shí)時(shí)性、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)的檢測(cè)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(jiǎn)稱，其本質(zhì)上是一種吸收光譜技術(shù)，是利用激光能量對(duì)待測(cè)氣體的選頻吸收特性，形成對(duì)應(yīng)的吸收光譜原理來(lái)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(zhǎng)可在小范圍內(nèi)調(diào)諧，可使測(cè)量氣體組分的精度達(dá)到10-9，特別適合低濃度氣體的快速檢測(cè)。

TDLAS技術(shù)具有檢測(cè)靈敏度高、精度高、實(shí)時(shí)性、選擇性好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、不需對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行預(yù)先處理等優(yōu)點(diǎn)，使得該氣體檢測(cè)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(cè)、氣體管道泄漏等領(lǐng)域[4]。

TDLAS技術(shù)是近年來(lái)的熱門研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些成果[5]。韓小磊[6]針對(duì)含硫天然氣，基于TDLAS對(duì)不同濃度的CH4和H2S進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試，結(jié)合天然氣集輸站場(chǎng)、集輸管線和隧道的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套開放空間的天然氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在勝利油田證明可行。高強(qiáng)[7]建立了以TDLAS為基礎(chǔ)的氣體檢測(cè)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(cè)量材料漫反射率的高精度方法，極大的提高了TDLAS的測(cè)量精度和靈敏度。

2 TDLAS技術(shù)檢測(cè)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(guò)待測(cè)氣體后出射光強(qiáng)與初始光強(qiáng)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(guò)氣體時(shí)，部分光強(qiáng)會(huì)被氣體吸收，射出光的光強(qiáng)會(huì)發(fā)生衰減，通過(guò)光衰減程度的量化進(jìn)而計(jì)算各種氣體濃度。

如圖1所示，當(dāng)一束頻率ν、光強(qiáng)為I0的探測(cè)激光，穿過(guò)目標(biāo)氣體時(shí)，如果激光光譜與目標(biāo)氣體的吸收光譜相重疊時(shí)，光強(qiáng)會(huì)因被目標(biāo)氣體吸收而減弱，這時(shí)入射光強(qiáng)I0與射出光強(qiáng)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(guò)待測(cè)氣體的距離； C為待測(cè)氣體的體積濃度； a(v)為氣體在波長(zhǎng)為λ處的吸收系數(shù)。

通過(guò)(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(shí)，通過(guò)測(cè)量得知被氣體吸收前后的光強(qiáng)，便可計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度，再與正常時(shí)空氣中的甲烷濃度進(jìn)行對(duì)比，就可以判斷天然氣是否發(fā)生泄漏。

2.2 波長(zhǎng)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(zhǎng)調(diào)制光譜和頻率調(diào)制光譜。其中波長(zhǎng)調(diào)制光譜由于檢測(cè)精度高且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，得到廣泛運(yùn)用。

通過(guò)波長(zhǎng)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(cè)的靈敏度。波長(zhǎng)調(diào)制光譜的基本特點(diǎn)是調(diào)制頻率相對(duì)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(cè)線譜的線寬)[9]。由此它就可以生比較大的信號(hào)波，用大的信號(hào)波測(cè)量小的變化，這樣既增加了穩(wěn)定性又提高了檢測(cè)靈敏度。

波長(zhǎng)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(hào)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(hào)比較弱,因此利用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)對(duì)輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制，用鎖相放大器對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行解調(diào)，得到吸收信號(hào)的一次諧波、二次諧波信號(hào)。利用二次諧波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于TDLAS天然氣泄漏檢測(cè)。

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(duì)應(yīng)著其相應(yīng)的光譜吸收波長(zhǎng)，氣體對(duì)該波長(zhǎng)處的光具有明顯的吸收，對(duì)其他波段的光沒有吸收。因?yàn)樘烊粴獾闹饕煞质羌淄?，利用上述特性，檢測(cè)天然氣泄漏時(shí)只需調(diào)制CH4的光譜吸收波長(zhǎng)即可。

通過(guò)查閱HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)，可知CH4氣體分子有上萬(wàn)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(cè)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(qiáng)的吸收光譜曲線，這樣在氣體濃度較低時(shí)可以提高檢測(cè)靈敏度；如氣體濃度較高，則反之；

(2)選擇待測(cè)氣體分子的吸收線時(shí)，要與其他可能對(duì)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(zhǎng)的范圍之內(nèi)，便于現(xiàn)實(shí)操作；

HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)(高分辨率分子透射吸收數(shù)據(jù)庫(kù))在大氣微量氣體弱吸收研究, 氣體遙感測(cè)量,激光傳輸研究,雷達(dá)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(kù)，其中就有甲烷氣體的吸收譜線。從 HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)的吸收譜線[10]。

3 TDLAS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

構(gòu)建TDLAS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖2)，該平臺(tái)由激光器、實(shí)驗(yàn)室模擬管道、光接收器、鎖相放大器及計(jì)算機(jī)五部分組成。

圖2 TDLAS系統(tǒng)總框圖

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建好后，首先檢查實(shí)驗(yàn)管道氣密性，若管道氣密性良好，則接著進(jìn)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(zhǎng)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(jì)在管道上的閥門打開，模擬天然氣泄漏。經(jīng)過(guò)調(diào)試的激光穿過(guò)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(qiáng)信息后，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，通過(guò)鎖相放大器輸出二次諧波信號(hào)，數(shù)據(jù)接口連接計(jì)算機(jī)，將數(shù)據(jù)保存在電腦中。

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

4 問(wèn)題與展望

TDLAS技術(shù)對(duì)天然氣泄漏檢測(cè)具有十分重要的意義。盡管這些年對(duì)TDLAS技術(shù)進(jìn)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(wèn)題有待解決：

1)檢測(cè)靈敏度的問(wèn)題。波長(zhǎng)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(cè)靈敏度。

2)氣體交叉干擾的問(wèn)題。有時(shí)為了更準(zhǔn)確的檢測(cè)，需要對(duì)兩種或兩種以上氣體同時(shí)測(cè)量(如天然氣中的CH4和H2S)，這就要求在檢測(cè)的時(shí)候，對(duì)各自的結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生相互干擾，以確保多組分氣體測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3)檢測(cè)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(huì)揮發(fā)少量的CH4，濃度會(huì)升高一點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生泄漏且剛開始泄漏量不多時(shí)，CH4氣體的濃度變化不大，這時(shí)運(yùn)用TDLAS檢測(cè)，就要確保其靈敏度夠高，可以快速精準(zhǔn)的發(fā)出警報(bào)，而不是反應(yīng)速度慢或發(fā)生誤報(bào)。

雖然TDLAS技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到天然氣泄漏檢測(cè)中，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但隨著傳感器、計(jì)算機(jī)軟件、信號(hào)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?xì)夤艿佬孤┝坑?jì)算及擴(kuò)散規(guī)律研究[D].重慶大學(xué),2014.

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

[3] 竇賀鑫.基于TDLAS的氣體在線檢測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].中國(guó)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(cè)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009(4):429-434.

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

[7] 高強(qiáng).TDLAS氣體檢測(cè)靈敏度增強(qiáng)方法及其在漫反射率測(cè)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(cè)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(cè)試驗(yàn)[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(1):129-133.

[10] 徐敏. 基于TDLAS氣體檢測(cè)系統(tǒng)中非標(biāo)定波長(zhǎng)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(fèi)資助項(xiàng)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