基于激光吸收光譜的天然氣管道內(nèi)腐蝕多氣體分析儀

朱衛(wèi)東

中海石油（中國） 有限公司天津分公司，天津 300459

內(nèi)腐蝕一直是造成天然氣管道失效的重要原因，天然氣管道內(nèi)腐蝕是腐蝕性氣體（二氧化碳和硫化氫等） 和液態(tài)水引起的[1]。當(dāng)內(nèi)腐蝕嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道穿孔、破裂從而導(dǎo)致天然氣泄漏，不但會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)o人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的威脅。

為了保證天然氣生產(chǎn)和輸配系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)天然氣中的硫化氫、二氧化碳和水分含量給予嚴(yán)格控制；因此，采用有效準(zhǔn)確的測量技術(shù)至關(guān)重要。對(duì)于硫化氫和二氧化碳，通常采用手持儀器或檢測管法進(jìn)行現(xiàn)場檢測或采用氣相色譜分析儀等實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行取樣離線檢測?，F(xiàn)場檢測法準(zhǔn)確度差，實(shí)驗(yàn)室檢測準(zhǔn)確度高，但二者都無法持續(xù)測量數(shù)據(jù)[2-3]。正常工藝條件下需使水以氣態(tài)的方式存在，但是因?yàn)榄h(huán)境氣溫變化或者工藝導(dǎo)致溫度降低到露點(diǎn)以下就會(huì)凝析出液態(tài)水。一般都采用冷卻鏡面露點(diǎn)儀測量露點(diǎn)值，但這種方法存在檢測周期長、鏡面易污染等問題。

針對(duì)目前天然氣管道內(nèi)腐蝕氣體檢測技術(shù)的不足，研究可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化氫、二氧化碳和水蒸氣含量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的技術(shù)手段勢在必行[5-8]。本文基于激光光譜技術(shù)，研究了一種激光多氣體檢測分析設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣內(nèi)硫化氫、水蒸氣、二氧化碳和甲烷等多種氣體的在線檢測，為進(jìn)一步處理管道內(nèi)腐蝕提供有效的數(shù)據(jù)支撐，以保障天然氣管道的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 檢測原理及系統(tǒng)組成

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS） 技術(shù)是一種能實(shí)現(xiàn)高靈敏度、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)測量的痕量氣體檢測技術(shù)，利用激光二極管的波長掃描和電流調(diào)諧特性對(duì)氣體進(jìn)行測量。由于激光二極管的高單色性，可以對(duì)氣體分子的一條孤立的吸收譜線進(jìn)行測量，從而可方便地從混合成分中鑒別出不同的分子，避免其他光譜的干擾。調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)氣體濃度的在線實(shí)時(shí)檢測。

光譜吸收法所依據(jù)的原理就是朗姆伯特- 比爾（Lambert-Beer） 定律：

式中：I0（λ）為入射掃描激光束光強(qiáng)，I（λ）為出射掃描激光束光強(qiáng)，α（λ）取決于氣體紅外吸收的線強(qiáng)和線型，c 為氣體濃度值，L為吸收光程。光譜吸收法工作原理如圖1 所示。

圖1 光譜吸收法工作原理示意

具有一定能量的入射光通過待測氣體，光與氣體分子相互作用，使氣體分子吸收光束的部分能量。由于不同氣體其分子結(jié)構(gòu)不同，對(duì)不同波長的光吸收能力也不同，不同氣體的吸收峰波長見表1。通過獲取氣體特征吸收峰，可以有效鑒別氣體種類；根據(jù)氣體吸收峰的強(qiáng)度大小，可以有效實(shí)現(xiàn)氣體濃度的高靈敏度定量反演計(jì)算。

表1 不同氣體的吸收峰波長

檢測分析儀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 檢測分析儀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

以甲烷氣體測試為例，微處理器電路通過SPI接口連接到激光器驅(qū)動(dòng)電流模塊，通過激光器驅(qū)動(dòng)電流模塊中的DAC 芯片將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，進(jìn)而通過電壓轉(zhuǎn)電流電路產(chǎn)生30～60mA 激光器驅(qū)動(dòng)電流。通過激光器溫控模塊調(diào)節(jié)激光器溫度，使激光器輸出波長經(jīng)調(diào)制后，處于1650.9nm附近的吸收波長[9-13]。激光器輸出光經(jīng)耦合器分為兩束，一束不經(jīng)過吸收氣室，作為參考光束，用于消除光源波動(dòng)，另一束經(jīng)過20m的氣室，其輸出信號(hào)包含了甲烷氣體濃度信息。利用低噪聲光電探測器把光信號(hào)轉(zhuǎn)為電流信號(hào)，通過跨阻放大器轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，利用一個(gè)24 位高精度4 通道同步采集ADC 完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換采集，微處理器根據(jù)Lambert-Beer 定律計(jì)算甲烷氣體濃度。

最終組建了一套高靈敏度的激光多氣體檢測分析儀如圖3 所示。

圖3 激光多氣體檢測分析儀

實(shí)際測試時(shí)，天然氣管道氣體通過φ6mm管接入測試管路系統(tǒng)，經(jīng)過過濾罐消除液體和固體顆粒，通過調(diào)壓閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)后，最終進(jìn)入測試主機(jī)，同時(shí)進(jìn)行四種氣體組分濃度的測試。

2 測試實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用不同濃度的甲烷、二氧化碳、水蒸氣、硫化氫標(biāo)樣氣體對(duì)研制的多氣體檢測分析儀進(jìn)行了檢測，為進(jìn)一步進(jìn)行天然氣管道內(nèi)氣體的實(shí)際測試奠定基礎(chǔ)。

2.1 甲烷氣體標(biāo)定測試

采用11 種不同甲烷含量的標(biāo)樣氣體進(jìn)行標(biāo)定測試，對(duì)儀器測試結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。測試結(jié)果表明，甲烷檢測量程為0 ～100%（體積分?jǐn)?shù)），精度在2%以內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場甲烷濃度檢測的要求。

為了驗(yàn)證檢測儀的性能，依次通入甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為0.49%、3.51%、20%、99.9%的氣體，檢測結(jié)果如圖4 所示，從圖4 可以看出在高低濃度下檢測分析儀均保持了較高的精度和穩(wěn)定性。

圖4 不同濃度甲烷標(biāo)樣氣體的測試數(shù)據(jù)

2.2 二氧化碳?xì)怏w標(biāo)定測試

分別采用9 種不同濃度的二氧化碳標(biāo)樣氣體進(jìn)行了標(biāo)定測試。測試結(jié)果顯示二氧化碳檢測量程為0 ～100%（體積分?jǐn)?shù)），精度達(dá)到2%以內(nèi)，基本上能夠滿足現(xiàn)場二氧化碳濃度檢測的要求。

采用二氧化碳體積分?jǐn)?shù)分別為0.1%、2.03%、10%、30%的氣體進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

圖5 不同濃度二氧化碳標(biāo)樣氣體的測試數(shù)據(jù)

2.3 水蒸氣標(biāo)定測試

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)理論計(jì)算水蒸氣的測試可以達(dá)到體積分?jǐn)?shù)為ppb（1 ppb =10-9） 級(jí)的檢測，但是由于空氣中含有大量的水蒸氣，在標(biāo)定測試中無法采用準(zhǔn)確的樣氣進(jìn)行標(biāo)定，只能采用高濃度氮?dú)夂娓傻姆椒ǐ@取穩(wěn)定水蒸氣濃度的標(biāo)樣氣體，檢測量程為0 ～100ppm（體積分?jǐn)?shù)，1ppm=10-6），精度在2%以內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場水蒸氣濃度測試的要求。

通過長時(shí)間對(duì)氣室進(jìn)行吹掃，最大限度地減小外界空氣中水蒸氣的干擾。在長時(shí)間通入99.999%的高純氮?dú)夂?，氣室中水蒸氣濃度逐漸下降，可以達(dá)到10ppm 以下。測試數(shù)據(jù)如圖6 所示，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好。

圖6 長時(shí)間通入高純氮?dú)夂笏魵鉂舛葴y試數(shù)據(jù)

2.4 硫化氫氣體標(biāo)定測試

將設(shè)備放入通風(fēng)櫥，然后通入標(biāo)樣氣體進(jìn)行測試。采用了5 種不同濃度硫化氫標(biāo)樣氣體進(jìn)行標(biāo)定測試，測試數(shù)據(jù)運(yùn)行穩(wěn)定，誤差較小。在0～1000ppm（體積分?jǐn)?shù)） 范圍內(nèi)，可以達(dá)到2%以內(nèi)的檢測精度，能夠滿足管道檢測的需求。

為了測試高、低濃度的效果，分別通入體積分?jǐn)?shù)為20.5ppm和520ppm的硫化氫進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7 所示，可以看出檢測結(jié)果準(zhǔn)確且穩(wěn)定。

圖7 不同濃度硫化氫標(biāo)樣氣體測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

基于激光吸收光譜技術(shù)研發(fā)了一套可對(duì)四種氣體同時(shí)檢測的高精度氣體檢測分析儀，實(shí)現(xiàn)了天然氣中主要組分的在線檢測，研制了系統(tǒng)樣機(jī)，進(jìn)行了系統(tǒng)的測試驗(yàn)證，基本指標(biāo)滿足現(xiàn)場測試需求。