基于TDLAS的增強(qiáng)型氣體檢測(cè)新技術(shù)

唐偉,馬云鸝,袁藝?yán)?張毅,古冉

(1．中國(guó)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(guó))安全設(shè)備有限公司,江蘇 蘇州 215000)

中國(guó)高含硫天然氣累計(jì)探明儲(chǔ)量約占國(guó)內(nèi)天然氣總儲(chǔ)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(qiáng)、毒性大等風(fēng)險(xiǎn),在開發(fā)過(guò)程中一旦發(fā)生泄漏事故,往往會(huì)造成災(zāi)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(cè)系統(tǒng),及時(shí)、準(zhǔn)確、有效發(fā)現(xiàn)泄漏險(xiǎn)情,以便能夠及時(shí)采取措施來(lái)避免泄漏的擴(kuò)大,減少造成更大事故的概率,提高氣體泄漏時(shí)的應(yīng)急響應(yīng)能力。目前天然氣田生產(chǎn)過(guò)程中的泄漏監(jiān)測(cè),主要是采用設(shè)置固定點(diǎn)式可燃、有毒氣體探測(cè)器的方式,對(duì)環(huán)境氣體中可燃、有毒氣體濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),達(dá)到盡可能及時(shí)、準(zhǔn)確地在泄漏發(fā)生時(shí)發(fā)出警報(bào)并具體提供泄漏相關(guān)信息的目的。

傳統(tǒng)的固定點(diǎn)式可燃、有毒氣體探測(cè)器的研究和應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史,為了滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景,開發(fā)出了多種基于不同原理傳感器的氣體探測(cè)器,其中應(yīng)用廣泛的有半導(dǎo)體式、催化燃燒式、電化學(xué)式、光離子化(PID)幾種類型。不同原理的氣體探測(cè)器各有特點(diǎn),以上幾種類型為代表的傳統(tǒng)氣體探測(cè)器均在不同程度上存在反應(yīng)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(wèn)題,在石油天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果并不理想[1]。

本文通過(guò)新舊激光吸收頻譜技術(shù)特點(diǎn)的對(duì)比分析[2],探索了先進(jìn)的激光氣體檢測(cè)技術(shù)在實(shí)時(shí)、精確檢測(cè)硫化氫氣體和酸性氣體方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用適應(yīng)性,結(jié)合已經(jīng)完成的項(xiàng)目實(shí)踐,闡述激光氣體檢測(cè)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(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)

1.1 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)原理

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)屬于光譜學(xué)領(lǐng)域中的吸收光譜學(xué),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(gè)或多個(gè)吸收帶,稱為選擇吸收光譜。所有物質(zhì)都有其獨(dú)特的吸收光譜,當(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的光通過(guò)物質(zhì)時(shí),光束中的某些成分便會(huì)有所減弱,當(dāng)被吸收的光束由光譜儀生成光譜時(shí),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(zhǎng)調(diào)制通過(guò)被測(cè)氣體的特征吸收區(qū),在二極管激光器與長(zhǎng)光程吸收池技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型氣體檢測(cè)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(yīng)的氣體檢測(cè)技術(shù)[3]。具體來(lái)說(shuō),半導(dǎo)體激光發(fā)射出特定波長(zhǎng)的激光束穿過(guò)被測(cè)氣體時(shí),被測(cè)氣體對(duì)激光束進(jìn)行吸收導(dǎo)致激光強(qiáng)度衰減,激光強(qiáng)度的衰減與被測(cè)氣體濃度成正比。因此,通過(guò)測(cè)量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分析獲得被測(cè)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(guò)待測(cè)氣體后,光強(qiáng)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)——?dú)怏w吸收前光的強(qiáng)度;σ(ν1)——?dú)怏w吸收截面,是吸收線強(qiáng)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(zhǎng)度;c——?dú)怏w濃度;S——分子的吸收線強(qiáng),與溫度有關(guān),與壓力無(wú)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(cè)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(shí)式(1)可以簡(jiǎn)化如式(3)所示:

I(ν1)=I0(ν1)[1-Sφ(ν1)cL]

(3)

在波長(zhǎng)調(diào)制光譜中,通常在激光器的輸入電流上疊加一個(gè)正弦分量以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輸出波長(zhǎng)的調(diào)制。設(shè)調(diào)制信號(hào)的頻率為ν2,則由激光輸出的瞬時(shí)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——?dú)怏w吸收線頻率的半高半寬;t——時(shí)間。

透射光強(qiáng)是周期性偶函數(shù),可以被展開成為傅里葉級(jí)數(shù)(余弦),同時(shí)忽略伴隨波長(zhǎng)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(jí)數(shù)的序列。

式(5)與式(6)表明,各個(gè)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(lái),與特定物質(zhì)的吸收光譜進(jìn)行比對(duì),不但可以精準(zhǔn)判斷氣體種類,還可以進(jìn)行濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)[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(yīng)的特性,但由于技術(shù)手段的限制,在使用過(guò)程中依然存在下列問(wèn)題:

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

2)TDLAS技術(shù)并沒(méi)有解決連續(xù)監(jiān)測(cè)中零點(diǎn)與量程漂移的問(wèn)題,依然需要定期對(duì)光學(xué)系統(tǒng)特別是光源器件進(jìn)行校準(zhǔn),保持其零點(diǎn)以及量程的絕對(duì)準(zhǔn)確度。

3)TDLAS技術(shù)僅使用單光束進(jìn)行一階傅里葉級(jí)數(shù)余弦展開,其諧波信號(hào)僅能夠分析光譜特性較為明顯的氣體,如甲烷(CH4),而對(duì)于石油天然氣行業(yè)中其他光譜特性較為復(fù)雜的氣體,典型如乙烯(C2H4)、硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)、氟化氫(HF)等,均無(wú)法檢測(cè)。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(duì)于國(guó)內(nèi)高含硫天然氣田的開采來(lái)說(shuō),危害極大,一旦產(chǎn)生泄漏,不但易燃易爆,而且快速達(dá)到立即致死濃度(IDLH),易造成重大安全事故。

2 增強(qiáng)型激光二極管吸收頻譜技術(shù)

增強(qiáng)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(zhǔn)技術(shù)以及增強(qiáng)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(yīng)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(gè)差異化的關(guān)鍵技術(shù): 智能自校準(zhǔn)技術(shù)與增強(qiáng)雙光束技術(shù)。

2.1 智能自校準(zhǔn)技術(shù)

智能自校準(zhǔn)技術(shù)采用內(nèi)置氣室以及檢測(cè)反饋控制回路,自動(dòng)完成零點(diǎn)及量程“標(biāo)定”,整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化,并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合。發(fā)射端內(nèi)置自校準(zhǔn)回路如圖1所示。

圖1 ELDS發(fā)射端內(nèi)置智能自校準(zhǔn)回路示意

智能自校準(zhǔn)技術(shù)具有如下特點(diǎn):

1)長(zhǎng)期運(yùn)行無(wú)漂移。通過(guò)智能自校準(zhǔn),檢測(cè)儀表的光源部件始終工作在設(shè)定參數(shù)以及預(yù)期狀態(tài),杜絕了零點(diǎn)與量程漂移,使得檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

2)自動(dòng)與手動(dòng)兩種模式。自動(dòng)模式每天自動(dòng)運(yùn)行一次,可確保檢測(cè)儀表長(zhǎng)期穩(wěn)定、無(wú)漂移;在任何時(shí)候均可在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)啟動(dòng)該過(guò)程,一般用于現(xiàn)場(chǎng)檢查、監(jiān)督或故障排除。

3)智能檢測(cè)與校準(zhǔn)過(guò)程全記錄。智能自校準(zhǔn)的過(guò)程(含自動(dòng)與手動(dòng))均以事件日志的方式進(jìn)行保持,并可通過(guò)藍(lán)牙上傳至電腦進(jìn)行歸檔和備案。

4)無(wú)需定期維護(hù)。標(biāo)定周期越短,意味著整體運(yùn)行維護(hù)成本會(huì)大幅增加,包括但不限于標(biāo)定活動(dòng)需要的標(biāo)定工具、氣瓶等備件的采購(gòu)、存放和報(bào)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(qiáng)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(qiáng)的雙檢測(cè)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(shè)計(jì),當(dāng)檢測(cè)路徑上遇到反射或散射時(shí),有可能產(chǎn)生干涉效應(yīng)或條紋效應(yīng),這將對(duì)吸收光譜的解析以及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)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(yīng)或條紋效應(yīng),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(qiáng),有效增強(qiáng)諧波信號(hào)強(qiáng)度,因此不但能夠檢測(cè)TDLAS技術(shù)所不能檢測(cè)的H2S,還可以精確檢測(cè)酸性氣體的濃度。

3 應(yīng)用實(shí)踐

ELDS 1000/2000系列對(duì)射氣體探測(cè)器是一種智能型開路式激光氣體檢測(cè)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(duì)可燃性碳?xì)漕惢衔锖驼魵?以及多種有毒有害氣體進(jìn)行非常精確的檢測(cè),檢測(cè)濃度達(dá)10-6級(jí)別,適用于安全完整性等級(jí)為SIL2的工況;響應(yīng)速度比點(diǎn)式檢測(cè)技術(shù)更快,能檢測(cè)出更大范圍內(nèi)、更低濃度的可燃?xì)怏w、有毒有害氣體的泄漏,從而保護(hù)工廠免于爆炸,保障人員生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。

作為一項(xiàng)逐漸成熟的創(chuàng)新技術(shù),該激光對(duì)射氣體探測(cè)器已在國(guó)際知名的大型綜合性油氣工程公司中獲得認(rèn)可,并得到廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)也開始逐步規(guī)模應(yīng)用于石油天然氣行業(yè),主要應(yīng)用于陸上、海上油氣開采,加工裝置及長(zhǎng)輸管線、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施等,也包括部分LDPE工藝設(shè)施和煤化工裝置,如: 中海油某海上采油平臺(tái)、中石油雪佛龍川東北天然氣項(xiàng)目,以及國(guó)家管網(wǎng)西南管線改造項(xiàng)目、冀東油田、長(zhǎng)治煤礦、中煤集團(tuán)等。

在國(guó)家管網(wǎng)西南管線改造項(xiàng)目中,共設(shè)計(jì)46套激光對(duì)射氣體探測(cè)器,用于檢測(cè)壓縮機(jī)廠房中可能出現(xiàn)的CH4泄漏。根據(jù)每個(gè)壓縮機(jī)廠房的平面布局,并考慮到有可能產(chǎn)生泄漏后的氣團(tuán)模型,共設(shè)計(jì)了31對(duì)中短距離(40 m)ELDS激光對(duì)射氣體探測(cè)器,以及15對(duì)長(zhǎng)距離(120 m)ELDS激光對(duì)射氣體探測(cè)器。壓縮機(jī)屬于非常重要的、需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)的大型動(dòng)設(shè)備,一旦出現(xiàn)可燃?xì)怏w泄漏,將產(chǎn)生不可估計(jì)的災(zāi)難性后果。該激光對(duì)射氣體探測(cè)器的低濃度、快速檢測(cè)和響應(yīng)能力能夠滿足該類工況應(yīng)用的需要;同時(shí),零漏報(bào)、零誤報(bào)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與目前油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)正在大力推進(jìn)的“智能化站場(chǎng)”“無(wú)人站場(chǎng)”的戰(zhàn)略方向相契合。

4 結(jié)束語(yǔ)

TDLAS技術(shù)由于其非接觸性、高靈敏度、高選擇性、在線響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),成為當(dāng)前氣體濃度在線檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,然而其固有的技術(shù)與設(shè)計(jì)缺陷如殘余光強(qiáng)調(diào)制帶來(lái)的誤差、無(wú)法檢測(cè)復(fù)雜氣體以及長(zhǎng)期運(yùn)行精度無(wú)法保證等,限制了其在石油化工天然氣等行業(yè)的應(yīng)用。

ELDS技術(shù)采用增強(qiáng)雙光束設(shè)計(jì)和高階傅里葉變換,以及基于內(nèi)置氣室的智能自校準(zhǔn)技術(shù),真正做到零誤報(bào)、零漏報(bào)、零維護(hù),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于可燃性碳?xì)漕惢衔锖驼魵?以及多種有毒有害氣體進(jìn)行非常精確地在線檢測(cè),并已經(jīng)成為高含硫天然氣開發(fā)中,H2S及酸性氣體實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首選的檢測(cè)技術(shù)和最強(qiáng)有力的安全保障。