紅外氣體檢紅外氣體檢測技術應用前景分析（xī）

2015-02-11 19:11:30 admin

紅外氣體檢紅外氣體（tǐ）檢測技術應（yīng）用前景分析

紅外氣體檢紅外氣體檢測（cè）技術具有（yǒu）極高的準確性和靈敏（mǐn）度。同時具有動（dòng）態測範圍（wéi）大、響應時間快、不易受其他氣體幹擾等優點。因此使用高精度（dù）、高靈敏度、穩定耐用的在線（xiàn）或遠程紅外氣體檢測儀.對保證天然氣安全生產具有重要意（yì）義。為此（cǐ），針對現行檢測方法存在精度不足等問題，采（cǎi）用（yòng）紅外氣體紅外氣體傳感技術結合可調諧激光（guāng）光譜與波長調製技（jì）術，對天然氣管道傳輸中的甲烷（wán）氣體泄漏進行遠距離檢測（cè），提高了測量（liàng）精度；采用譜線分析法實時監測（cè）含硫天然氣井噴或（huò）泄漏（lòu），在空氣中水蒸氣和甲烷氣（qì）體的幹擾下，根據譜線交疊情況建立起二元一次方程組，能夠在不同濃度甲（jiǎ）烷氣體幹擾（rǎo）下同時計算出甲烷和硫化氫（qīng）的濃度，在71.4mg/m3的甲烷幹擾氣體存在時，可以獲得的最低可（kě）探測硫化氫（qīng）濃度為15.2mg/m3，達到了安全生（shēng）產的要求。研究結果證明，紅外氣體檢測技術在天然氣（qì）安全（quán）生產中有著廣泛的應用前（qián）景（jǐng）。

      近年來紅外（wài）氣體紅外氣體檢測技術已經（jīng）可以應用在天然氣。儲運、中轉及加（jiā）工過程中，用來檢測甲烷的泄漏情況。它具有極高的準確性和靈敏度（dù），同（tóng）時具有動態測量範圍大、響應時間快、不易受其他氣體幹擾等優點。因此使用高精度、高靈敏度、穩定耐用的在線或遠程紅外氣體檢測儀（yí），對保證石油天然氣企業的安全生產具有重（chóng）要意義。本文分析了紅外氣體檢測技術的原理（lǐ），介紹了目前紅外氣體（tǐ）檢測中常用的檢測技術。洋細描述了（le）目前能夠應用於複雜（zá）測量環境中的紅外（wài）光譜測量技術，並以甲烷和硫化氫氣（qì）體為例，分析了紅外檢測方法在（zài）天然氣安全生產中的應用。

      1紅外氣體紅外氣（qì）體檢測原（yuán）理

      多數雙（shuāng）原子分子和多原子分子在紅外（wài）光（guāng）譜範圍裏有其分子結構所決定（dìng）的特（tè）征吸收（shōu）譜，因此可以（yǐ）根據氣體紅外吸收光譜的特點來獲得氣體的種（zhǒng）類、濃度等信息（xī）。以甲烷氣體為例，在（zài）中紅外（wài）3.3μm和7.65μm附（fù）近存（cún）在（zài）兩個基本吸收光譜（pǔ），在近紅外1.33μm和1.66μm分別存在組合頻帶和泛頻帶[1]。紅外甲烷檢測基於（yú）甲烷氣體對紅外（wài）光吸收的原（yuán）理，當一（yī）定波長的（de）紅外光通過被測氣體，氣體（tǐ）在其吸收譜線處吸收（shōu）紅外光（guāng），在紅外探（tàn）測器上便可以檢測出光強度的變化（huà）。根據Lambert-Beer定律可以得到氣體的吸收情況[2]:

      式中I0是（shì）入射光強（qiáng）度；I（v）是氣（qì）體吸收之後的光強度；L是氣體的吸收長度；C是氣（qì）體濃度，mg/m3；α（v）是在頻率v處的吸收係（xì）數，cm-1。

      紅外氣體檢測技術包括直接吸收、光聲光譜、光纖傳感、可（kě）調諧激光二極管光譜（（TDLS）、波（bō）長/頻率（lǜ）調製光譜（WMS/FMS）等，這幾種方法可以單獨（dú）采用，也可以結合（hé）起來取長補短，以獲得更好的（de）檢測結果。其中:1直接吸收光譜技（jì）術是最早采用（yòng）的一種檢測方法。根據（jù）Lambert-Beer定律，氣體對光的吸收（shōu）與氣體吸收長度成正比，光程越長，氣體的吸收越多，得到的檢測靈敏度和（hé）準確性越好；2光（guāng）纖傳（chuán）感技術利用氣體在近紅外區的泛頻帶或合頻（pín）帶，以近紅外激光二極管（LD）為光源，利用（yòng）光纖進行光傳輸，易於實現長距離分布式傳感，同時不會受到電磁輻射的（de）幹擾。此外光纖傳感器係統在易燃易爆氣體環境（jìng）下工作是本質安全（quán）的；3光聲光（guāng）譜技術（PAS，photoacousticspectroscopy）基於光聲效應，同其他紅（hóng）外（wài）吸收技（jì）術相（xiàng）比，PAS是（shì）間接的測量技術。氣體（tǐ）分子對光的吸收通過非（fēi）輻射躍遷過程（chéng），在氣體中（zhōng）產生瞬態溫度變化，然後轉化為壓（yā）力變化，用電介質微音器或基於微機電係統（MEMS）的壓力傳感（gǎn）器來探測聲波，從而獲得氣體的吸收（shōu）情（qíng）況。

      對於複雜環境下的高精度測量，氣體（tǐ）分（fèn）子吸收光譜在壓（yā）力或溫度變化時存在展寬或譜線強度的改變。為了獲得被測分子譜（pǔ）線的信息以及（jí）其他相（xiàng）關測量結果，例如氣體（tǐ）濃（nóng）度、壓力、溫度等，最（zuì）近有人提出了一種新的基於TDLS和WMS的精確測量氣體分子吸收譜線的（de）方法[3]。基於TDLS-WMS的氣（qì）體檢測（cè）係統不需（xū）要附加其他的溫度、壓（yā）力（lì）傳（chuán）感器，是一（yī）種（zhǒng）不需要（yào）校準的技術，其係統框圖見圖1。圖1中采用加法器將高頻正弦調製信號同低頻調諧信號結合起來，作為激光器的馭動電流（liú），在光電探（tàn）測器（qì）將氣體吸收之後（hòu）的光信號轉變為電信號輸出並用鎖相放大（dà）器進行相敏（mǐn）檢波，從而獲得被測氣體吸收譜線的（de）諧波分量。圖2為氣體分子吸收譜線及其一次、二次波長調製諧（xié）波分量的示意圖。

      2紅外檢測技術在天然氣行（háng）業中的（de）應用

      2.1監測天然氣輸送儲運過程甲烷的泄漏

      無論是長距離天然氣輸（shū）送（sòng）管（guǎn）道，還（hái）是壓縮天然氣（CNG）儲運，對甲烷氣體的泄漏監測都非常重要（yào）。其（qí）中對於天然氣管道泄漏的（de）遠距離安全（quán）巡檢是一個亟待解決的難題。在野外或城鎮環境下，受到地表樹木（mù）、土壤、岩石以及建築物的影響，探測無法直接進行。根據甲烷氣體分子（zǐ）質量比空氣的平均分子質量小的原理，天然氣管道中泄漏出的甲烷氣體（tǐ）向上漂（piāo）浮在空氣中，並同空氣混合形成濃度較低的甲烷氣團

      紅外氣體檢測是目前（qián）天然（rán）氣管道泄（xiè）漏檢測非常有效（xiào）的方法。基於甲烷氣體紅外吸（xī）收原理的遠距離遙感探測方法，可以在高空或近地表處實現（xiàn）對泄漏區域附近的甲（jiǎ）烷（wán）探測，從而確定（dìng）泄漏位置，為搶修提供最及時的幫助。采用TDLS和高頻WMS技術能夠克服空氣湍流對測量的影響，同（tóng）時結合諧波檢測方法可以實現對低濃度甲烷氣體的實時（shí）探測（cè）。

      基於光纖拉曼放大技術的近紅外甲烷傳感係統（tǒng）結合TDLS和WMS[5]，對甲烷吸收譜線進行掃描並采用諧波技術進行檢測。通（tōng）過同（tóng）時掃描甲烷（wán）吸收譜線和譜線之間的空自區，並對空自區的噪聲以（yǐ）及光強度衰減（jiǎn）情況進行分（fèn）析，能夠克服遠（yuǎn）距離測量中激光照射到地表物（wù）體後存在的嚴重光散射和光吸（xī）收等問題。由此提（tí）高了係統的測量精度，其原理如圖3所示。其中半（bàn）導體激光器（qì）的馭動和探測器的（de）後端處理部分同圖（tú）1。

      激光器（qì）輸出的1650nm的（de）激光（guāng）（甲烷氣體在1650nm附近存在強（qiáng）吸收譜線）經（jīng）過放（fàng）大功率為1w的拉曼放大器放大後，照（zhào）射在地表上，地表附近泄漏出的（de）甲烷氣團對激光吸收後，剩（shèng）餘的（de）激光（guāng）照射在陸地表麵（miàn），經反射、散射（shè）之後的（de）激（jī）光再次通過甲烷氣團，然後通過（guò）一個大的菲涅（niè）爾透鏡會聚到光電探測器上。該係（xì）統在100~150m的探測範圍內可以（yǐ）獲得71.4mg/m3的探測靈敏度，係統信噪比大（dà）於3[5]。能夠實現複雜環境下天然氣輸送管道泄漏的高靈（líng）敏度檢測。英國蘇格蘭天然氣管道（dào）係統采用上述方法進行天然氣泄漏檢測（cè），但是此項技（jì）術目前在（zài）我（wǒ）國（guó）還沒有正式的應用。

      2.2監測含硫化氫天然氣的泄漏

      現有的硫化氫檢測多采用化學方法，需要將儀器放在（zài）硫化氫氣體中或者對環（huán）境中的氣體進行采樣（yàng）來分（fèn）析其濃度，既無法保證實（shí）時（shí）監測，同時威脅到檢測人員的安全。而遠（yuǎn）距離紅外（wài）甲烷（wán）檢測技術同樣可以（yǐ）用在對硫化氫（qīng）的遠距離實（shí）時（shí）探測上。從HITRAN2008[1]氣體分子紅外吸（xī）收光譜數（shù）據庫可（kě）以知（zhī）道，硫化（huà）氫在2.6μm和（hé）7.7μm附近有較強的吸（xī）收帶，在4μm處有（yǒu）相對較弱的吸收譜（圖4）。在空氣中檢測隨天然氣泄漏的硫化氫氣體，首（shǒu）先要克服空（kōng）氣中的水蒸氣和殘餘的甲烷氣體的幹擾。水蒸氣在（zài）2.6μm處存在強吸收（shōu）譜，同時甲烷在7.65μm也存在（zài）比硫化氫吸上吹（chuī）強度大幾十倍的吸收譜線（xiàn）。

      對泄漏在空氣中的硫化氫氣體進行遠距離檢測，空氣中殘留的甲烷、水蒸氣（qì）的幹擾不可忽略。紅外光譜是分子振動一轉動的特征譜線，不同分子因為化（huà）學鍵的不同，具有不（bú）同（tóng）波長的吸收譜。同時氣體分子的吸收光譜並不是連續分布的，而是在一個波長範圍裏離散的存（cún）在。譜線的寬（kuān）度受到壓力的影響而有（yǒu）不同（tóng）程度的（de）展寬，在（zài）不同的壓力下（xià）具有高（gāo）斯、Voigt，或者洛倫茲分布（bù）。氣體分子的吸收譜線之間可（kě）以因為相近而存在交疊，或者由（yóu）於分布較遠而留有空自區。因此，通過洋細分析水蒸氣、甲（jiǎ）烷、硫化氫氣（qì）體在不同波長下吸收譜線之間的交疊情況，來選擇不受或者受水蒸氣、甲烷吸收譜線影響較小的硫化氫吸收譜線，並以此來進行檢測，從而確定出（chū）所（suǒ）要采用的光源波長、類型以及檢測方法等。圖5給出了根據HITRAN2008分子光譜數據庫對硫化氫、水蒸氣和甲烷分子吸收譜線進行分析之後選定的硫化氫吸收譜線，圈中的譜（pǔ）線為硫化氫吸收譜線附近的弱吸收強度（dù）的水蒸氣或甲（jiǎ）烷吸收譜線。從圖5可以以看出，硫化氫在2.64μm（圖5-a）和7.46μm（圖5-b）附近能夠得到（dào）不受水蒸氣或甲烷明顯幹擾的吸（xī）收譜線，用來實現紅外硫（liú）化氫檢（jiǎn）測。

      天然氣泄漏後，因為分子質量的不同，甲烷向上漂浮，而硫化氫則向地表沉積。

      由於氣體分子的（de）擴散、對流，使得地麵附近（jìn）的（de）硫化氫氣團中混合有少量的甲烷氣體。即使通過分析HITRAN分子光譜（pǔ）數據庫，選擇了低強度甲烷吸收譜線附近的硫（liú）化氫紅外吸收譜（pǔ），但是當較高濃度甲烷同低濃（nóng）度硫化氫同時存在時，在7460.5nm附近的硫化（huà）氫的吸收依然會被甲烷的吸收信號所淹沒，因此本文提出了一（yī）種新的數值分析方法，用來在甲烷幹擾下提取（qǔ）出硫（liú）化（huà）氫的吸收情況。圖6給出（chū）了不同濃度（dù）甲（jiǎ）烷和（hé）151.8mg/m3硫（liú）化氫共同存（cún）在時的吸收情況（紅色曲線表示（shì）甲烷的吸收，藍色曲線（xiàn）表示硫化（huà）氫的（de）吸收，綠色曲線表示（shì）實際測量中（zhōng）測得的兩（liǎng）種氣體的總吸收），圖中標出的點表示選取的特征點（diǎn），用來計算兩種氣體的濃度。

      從圖可以看出，兩種氣體吸收譜線相互交疊，實際（jì）測得的吸收是兩種氣體共同的吸收結果。根據數據庫給出的譜（pǔ）線信息和實際測量結果，選取3個特（tè）征點，通常選擇總吸收的峰值和穀底（dǐ）數值。根據它們之間的（de）相互（hù）關係建（jiàn）立起一（yī）個二元一次方程組，來計算甲烷和硫化氫的濃度，同時能夠消除掉測量過程中環境或其他因索所引起的誤差:

      式中（zhōng）Ap1，Ap2和Av分別為總吸收曲線上兩個吸收峰頂點（從左至右依次為頂點1和頂點2）以及兩（liǎng）峰中間穀底拐點的吸收率（lǜ），CC和（hé）CH。

      分別（bié）為甲烷和硫化氫的濃度，α為對應於總吸收曲線（xiàn）上不同特征（zhēng）點的吸收係數，這些特征點的吸收係數（shù）可以根據HITRAN數據庫（kù）和相應（yīng）的理論計算獲得（dé）。在測量（liàng）結果中選擇特（tè）征點並代入到公式（2）中，可以很容易的同時計算出硫化氫和甲烷的濃度。即使對於圖6（d）所示的甲烷濃度比硫化氫濃度高出10餘倍的情況，也能夠很好地根據公式（2）計算出甲烷吸收所淹沒的硫化氫濃（nóng）度。

      根（gēn）據公式（2）計算，對151.8mg/m3硫化氫氣體在71.4mg/m3~857.1mg/m3甲烷氣體幹擾下，進行了實驗測量。甲烷濃度越大時，測量結果的誤差越大，對硫化氫（qīng）的幹擾越嚴重。但是誤差能夠控製在10%以下，依然可以獲得較好的測量結果。在71.4mg/m3的甲烷幹擾氣體存在時，可以獲得的最低可探測硫化氫濃度為15.2mg/m3，能夠滿足天然（rán）氣工業中對於高含硫天然氣開采、運輸、加工等過程中的安全監測（cè），保障工（gōng）作人員和附近（jìn）居民的健康安全。