唐偉,馬云鸝,袁藝朗,張毅,古冉

(1．中國石油西南油氣田分公司 安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院,四川 成都 610000;2. 梅思安(中國)安全設備有限公司,江蘇 蘇州 215000)

中國高含硫天然氣累計探明儲量約占國內(nèi)天然氣總儲量的17%,其中90%都集中在四川盆地。高含硫天然氣開發(fā)面臨腐蝕性強、毒性大等風險,在開發(fā)過程中一旦發(fā)生泄漏事故,往往會造成災難性的后果。因此,需要建立可靠、高效、全面的天然氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng),及時、準確、有效發(fā)現(xiàn)泄漏險情,以便能夠及時采取措施來避免泄漏的擴大,減少造成更大事故的概率,提高氣體泄漏時的應急響應能力。目前天然氣田生產(chǎn)過程中的泄漏監(jiān)測,主要是采用設置固定點式可燃、有毒氣體探測器的方式,對環(huán)境氣體中可燃、有毒氣體濃度進行連續(xù)監(jiān)測,達到盡可能及時、準確地在泄漏發(fā)生時發(fā)出警報并具體提供泄漏相關(guān)信息的目的。

傳統(tǒng)的固定點式可燃、有毒氣體探測器的研究和應用已經(jīng)有幾十年的歷史,為了滿足不同的應用場景,開發(fā)出了多種基于不同原理傳感器的氣體探測器,其中應用廣泛的有半導體式、催化燃燒式、電化學式、光離子化(PID)幾種類型。不同原理的氣體探測器各有特點,以上幾種類型為代表的傳統(tǒng)氣體探測器均在不同程度上存在反應速度慢(60 s以內(nèi))、泄漏首次檢出率低(低于50%)、使用壽命短(普遍在1～3 a)等問題,在石油天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場的應用效果并不理想[1]。

本文通過新舊激光吸收頻譜技術(shù)特點的對比分析[2],探索了先進的激光氣體檢測技術(shù)在實時、精確檢測硫化氫氣體和酸性氣體方面的技術(shù)優(yōu)勢和應用適應性,結(jié)合已經(jīng)完成的項目實踐,闡述激光氣體檢測技術(shù)如何能夠有效支撐、保障含硫天然氣的開發(fā)。

1 可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)

1.1 可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)原理

可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)屬于光譜學領(lǐng)域中的吸收光譜學,專門研究各類物質(zhì)的吸收光譜的產(chǎn)生以及它們之間的相互作用。吸收光譜的范圍很廣: 10 nm～1 000 μm,有的呈現(xiàn)為連續(xù)吸收態(tài),稱為一般吸收光譜;有的則顯示出一個或多個吸收帶,稱為選擇吸收光譜。所有物質(zhì)都有其獨特的吸收光譜,當一束具有連續(xù)波長的光通過物質(zhì)時,光束中的某些成分便會有所減弱,當被吸收的光束由光譜儀生成光譜時,就可以得到該物質(zhì)的吸收光譜[2]。

TDLAS是一種利用激光器波長調(diào)制通過被測氣體的特征吸收區(qū),在二極管激光器與長光程吸收池技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型氣體檢測方法。它已經(jīng)發(fā)展成為一種高靈敏度、高分辨率、高選擇性以及快速響應的氣體檢測技術(shù)[3]。具體來說,半導體激光發(fā)射出特定波長的激光束穿過被測氣體時,被測氣體對激光束進行吸收導致激光強度衰減,激光強度的衰減與被測氣體濃度成正比。因此,通過測量激光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度[4]。

根據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律,單一頻率的輻射光通過待測氣體后,光強度I(ν1)如式(1)所示:

I(ν1)=I0(ν1)exp[-σ(ν1)cL]

(1)

σ(ν1)=Sφ(ν1)

(2)

式中:I0(ν1)——氣體吸收前光的強度;σ(ν1)——氣體吸收截面,是吸收線強與線型函數(shù)的積,表示氣體在輻射光單一頻率ν1處的吸收線型;L——吸收路徑的長度;c——氣體濃度;S——分子的吸收線強,與溫度有關(guān),與壓力無關(guān);φ(ν1)——吸收線性函數(shù)。

吸收截面、線型和線寬都依賴于壓力和待測氣體的濃度。在大氣壓力下,分子譜線的加寬以壓力展寬為主,可用洛倫茲線型近似表示[3]。

由于在近紅外波段,氣體的吸收系數(shù)很小,滿足σ(ν1)cL?1,此時式(1)可以簡化如式(3)所示:

I(ν1)=I0(ν1)[1-Sφ(ν1)cL]

(3)

在波長調(diào)制光譜中,通常在激光器的輸入電流上疊加一個正弦分量以實現(xiàn)對激光輸出波長的調(diào)制。設調(diào)制信號的頻率為ν2,則由激光輸出的瞬時頻率如式(4)所示:

ν1=νc+mδνcos(ν2t)

(4)

式中:νc——調(diào)制的中心頻率;m——調(diào)制系數(shù);δν——氣體吸收線頻率的半高半寬;t——時間。

透射光強是周期性偶函數(shù),可以被展開成為傅里葉級數(shù)(余弦),同時忽略伴隨波長調(diào)制所產(chǎn)生的殘余幅度調(diào)制(RAM),則

(5)

(6)

式中:n——傅里葉級數(shù)的序列。

式(5)與式(6)表明,各個諧波分量直接與氣體濃度c成正比,所以可利用鎖相放大器將各次諧波分量分離出來,與特定物質(zhì)的吸收光譜進行比對,不但可以精準判斷氣體種類,還可以進行濃度的實時檢測[5]。

1.2 TDLAS技術(shù)的缺陷

雖然TDLAS具有高靈敏度、高分辨率、高選擇性以及快速響應的特性,但由于技術(shù)手段的限制,在使用過程中依然存在下列問題:

1)電流變化引起激光輸出光功率的變化,殘余光強調(diào)制對于檢測信號精度有較大影響。大多數(shù)情況下,可認為在波長調(diào)制工作區(qū)域引起的幅度調(diào)制相對于輸入電流是線性的,對于常見的DFB激光器(首選)、外腔半導體激光器ECDL以及VCSEL激光器,激光器驅(qū)動電流的余弦變化會產(chǎn)生殘余光強調(diào)制,而殘余光強調(diào)制增加了探測的奇次諧波分量,使檢測信號不對稱,造成誤差;吸收信號微弱,不易檢測[6]。

2)TDLAS技術(shù)并沒有解決連續(xù)監(jiān)測中零點與量程漂移的問題,依然需要定期對光學系統(tǒng)特別是光源器件進行校準,保持其零點以及量程的絕對準確度。

3)TDLAS技術(shù)僅使用單光束進行一階傅里葉級數(shù)余弦展開,其諧波信號僅能夠分析光譜特性較為明顯的氣體,如甲烷(CH4),而對于石油天然氣行業(yè)中其他光譜特性較為復雜的氣體,典型如乙烯(C2H4)、硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)、氟化氫(HF)等,均無法檢測。需要特別指出的是,CH4和H2S的混合氣體,即所謂的酸性氣體,對于國內(nèi)高含硫天然氣田的開采來說,危害極大,一旦產(chǎn)生泄漏,不但易燃易爆,而且快速達到立即致死濃度(IDLH),易造成重大安全事故。

2 增強型激光二極管吸收頻譜技術(shù)

增強型激光二極管吸收頻譜技術(shù)(ELDS)基于TDLAS,采用創(chuàng)新的智能自校準技術(shù)以及增強雙激光二極管,在保證高靈敏度、高分辨率、高選擇性以及快速響應的基礎(chǔ)上,克服了TDLAS技術(shù)中的技術(shù)限制。相比較于TDLAS技術(shù),ELDS有兩個差異化的關(guān)鍵技術(shù): 智能自校準技術(shù)與增強雙光束技術(shù)。

2.1 智能自校準技術(shù)

智能自校準技術(shù)采用內(nèi)置氣室以及檢測反饋控制回路,自動完成零點及量程“標定”,整個過程實現(xiàn)全自動化,并可實現(xiàn)自動與手動相結(jié)合。發(fā)射端內(nèi)置自校準回路如圖1所示。

圖1 ELDS發(fā)射端內(nèi)置智能自校準回路示意

智能自校準技術(shù)具有如下特點:

1)長期運行無漂移。通過智能自校準,檢測儀表的光源部件始終工作在設定參數(shù)以及預期狀態(tài),杜絕了零點與量程漂移,使得檢測結(jié)果更加準確、可靠。

2)自動與手動兩種模式。自動模式每天自動運行一次,可確保檢測儀表長期穩(wěn)定、無漂移;在任何時候均可在現(xiàn)場手動啟動該過程,一般用于現(xiàn)場檢查、監(jiān)督或故障排除。

3)智能檢測與校準過程全記錄。智能自校準的過程(含自動與手動)均以事件日志的方式進行保持,并可通過藍牙上傳至電腦進行歸檔和備案。

4)無需定期維護。標定周期越短,意味著整體運行維護成本會大幅增加,包括但不限于標定活動需要的標定工具、氣瓶等備件的采購、存放和報廢處置成本,以及相關(guān)的資質(zhì)要求、人員安排等。

2.2 增強雙光束技術(shù)

ELDS雙激光二極管的工作原理如圖2所示,其中雙激光二極管形成了增強的雙檢測光束。

圖2 ELDS雙激光二極管工作原理示意

TDLAS技術(shù)采用單光束設計,當檢測路徑上遇到反射或散射時,有可能產(chǎn)生干涉效應或條紋效應,這將對吸收光譜的解析以及檢測結(jié)果的準確性產(chǎn)生不利影響。而ELDS技術(shù)采用雙激光二極管,可大幅減少由于反射或散射造成的干涉效應或條紋效應,改善系統(tǒng)信噪比和靈敏度;能夠有效抑制殘余調(diào)制光強,有效增強諧波信號強度,因此不但能夠檢測TDLAS技術(shù)所不能檢測的H2S,還可以精確檢測酸性氣體的濃度。

3 應用實踐

ELDS 1000/2000系列對射氣體探測器是一種智能型開路式激光氣體檢測儀,采用業(yè)界技術(shù)領(lǐng)先的雙激光二極管指紋諧波技術(shù),可針對可燃性碳氫類化合物和蒸氣,以及多種有毒有害氣體進行非常精確的檢測,檢測濃度達10-6級別,適用于安全完整性等級為SIL2的工況;響應速度比點式檢測技術(shù)更快,能檢測出更大范圍內(nèi)、更低濃度的可燃氣體、有毒有害氣體的泄漏,從而保護工廠免于爆炸,保障人員生命安全和財產(chǎn)安全。

作為一項逐漸成熟的創(chuàng)新技術(shù),該激光對射氣體探測器已在國際知名的大型綜合性油氣工程公司中獲得認可,并得到廣泛的應用。在國內(nèi)也開始逐步規(guī)模應用于石油天然氣行業(yè),主要應用于陸上、海上油氣開采,加工裝置及長輸管線、儲運設施等,也包括部分LDPE工藝設施和煤化工裝置,如: 中海油某海上采油平臺、中石油雪佛龍川東北天然氣項目,以及國家管網(wǎng)西南管線改造項目、冀東油田、長治煤礦、中煤集團等。

在國家管網(wǎng)西南管線改造項目中,共設計46套激光對射氣體探測器,用于檢測壓縮機廠房中可能出現(xiàn)的CH4泄漏。根據(jù)每個壓縮機廠房的平面布局,并考慮到有可能產(chǎn)生泄漏后的氣團模型,共設計了31對中短距離(40 m)ELDS激光對射氣體探測器,以及15對長距離(120 m)ELDS激光對射氣體探測器。壓縮機屬于非常重要的、需要長時間連續(xù)作業(yè)的大型動設備,一旦出現(xiàn)可燃氣體泄漏,將產(chǎn)生不可估計的災難性后果。該激光對射氣體探測器的低濃度、快速檢測和響應能力能夠滿足該類工況應用的需要;同時,零漏報、零誤報的技術(shù)優(yōu)勢與目前油氣儲運行業(yè)正在大力推進的“智能化站場”“無人站場”的戰(zhàn)略方向相契合。

4 結(jié)束語

TDLAS技術(shù)由于其非接觸性、高靈敏度、高選擇性、在線響應速度快等優(yōu)點,成為當前氣體濃度在線檢測技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,然而其固有的技術(shù)與設計缺陷如殘余光強調(diào)制帶來的誤差、無法檢測復雜氣體以及長期運行精度無法保證等,限制了其在石油化工天然氣等行業(yè)的應用。

ELDS技術(shù)采用增強雙光束設計和高階傅里葉變換,以及基于內(nèi)置氣室的智能自校準技術(shù),真正做到零誤報、零漏報、零維護,能夠?qū)崿F(xiàn)對于可燃性碳氫類化合物和蒸氣,以及多種有毒有害氣體進行非常精確地在線檢測,并已經(jīng)成為高含硫天然氣開發(fā)中,H2S及酸性氣體實時泄漏監(jiān)測系統(tǒng)首選的檢測技術(shù)和最強有力的安全保障。