紅外氣體檢紅外氣體檢測(cè)技術(shù)分析理解

2015-02-04 13:13:05 admin

紅外氣體檢紅外氣體檢測(cè)技術(shù)分析理解

紅外氣體檢紅外氣體檢測(cè)技術(shù)具有極高的準(zhǔn)確性和靈敏度。同時(shí)具有動(dòng)態(tài)測(cè)范圍大、響應(yīng)時(shí)間快、不易受其他氣體干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此使用高精度、高靈敏度、穩(wěn)定耐用的在線或遠(yuǎn)程紅外氣體檢測(cè)儀.對(duì)保證天然氣安全生產(chǎn)具有重要意義。為此，針對(duì)現(xiàn)行檢測(cè)方法存在精度不足等問題，采用紅外氣體紅外氣體傳感技術(shù)結(jié)合可調(diào)諧激光光譜與波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，對(duì)天然氣管道傳輸中的甲烷氣體泄漏進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)，提高了測(cè)量精度；采用譜線分析法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)含硫天然氣井噴或泄漏，在空氣中水蒸氣和甲烷氣體的干擾下，根據(jù)譜線交疊情況建立起二元一次方程組，能夠在不同濃度甲烷氣體干擾下同時(shí)計(jì)算出甲烷和硫化氫的濃度，在71.4mg/m3的甲烷干擾氣體存在時(shí)，可以獲得的最低可探測(cè)硫化氫濃度為15.2mg/m3，達(dá)到了安全生產(chǎn)的要求。研究結(jié)果證明，紅外氣體檢測(cè)技術(shù)在天然氣安全生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

      近年來紅外氣體紅外氣體檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用在天然氣。儲(chǔ)運(yùn)、中轉(zhuǎn)及加工過程中，用來檢測(cè)甲烷的泄漏情況。它具有極高的準(zhǔn)確性和靈敏度，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、響應(yīng)時(shí)間快、不易受其他氣體干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此使用高精度、高靈敏度、穩(wěn)定耐用的在線或遠(yuǎn)程紅外氣體檢測(cè)儀，對(duì)保證石油天然氣企業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要意義。本文分析了紅外氣體檢測(cè)技術(shù)的原理，介紹了目前紅外氣體檢測(cè)中常用的檢測(cè)技術(shù)。洋細(xì)描述了目前能夠應(yīng)用于復(fù)雜測(cè)量環(huán)境中的紅外光譜測(cè)量技術(shù)，并以甲烷和硫化氫氣體為例，分析了紅外檢測(cè)方法在天然氣安全生產(chǎn)中的應(yīng)用。

      1紅外氣體紅外氣體檢測(cè)原理

      多數(shù)雙原子分子和多原子分子在紅外光譜范圍里有其分子結(jié)構(gòu)所決定的特征吸收譜，因此可以根據(jù)氣體紅外吸收光譜的特點(diǎn)來獲得氣體的種類、濃度等信息。以甲烷氣體為例，在中紅外3.3μm和7.65μm附近存在兩個(gè)基本吸收光譜，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(cè)基于甲烷氣體對(duì)紅外光吸收的原理，當(dāng)一定波長(zhǎng)的紅外光通過被測(cè)氣體，氣體在其吸收譜線處吸收紅外光，在紅外探測(cè)器上便可以檢測(cè)出光強(qiáng)度的變化。根據(jù)Lambert-Beer定律可以得到氣體的吸收情況[2]:

      式中I0是入射光強(qiáng)度；I（v）是氣體吸收之后的光強(qiáng)度；L是氣體的吸收長(zhǎng)度；C是氣體濃度，mg/m3；α（v）是在頻率v處的吸收系數(shù)，cm-1。

      紅外氣體檢測(cè)技術(shù)包括直接吸收、光聲光譜、光纖傳感、可調(diào)諧激光二極管光譜（（TDLS）、波長(zhǎng)/頻率調(diào)制光譜（WMS/FMS）等，這幾種方法可以單獨(dú)采用，也可以結(jié)合起來取長(zhǎng)補(bǔ)短，以獲得更好的檢測(cè)結(jié)果。其中:1直接吸收光譜技術(shù)是最早采用的一種檢測(cè)方法。根據(jù)Lambert-Beer定律，氣體對(duì)光的吸收與氣體吸收長(zhǎng)度成正比，光程越長(zhǎng)，氣體的吸收越多，得到的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性越好；2光纖傳感技術(shù)利用氣體在近紅外區(qū)的泛頻帶或合頻帶，以近紅外激光二極管（LD）為光源，利用光纖進(jìn)行光傳輸，易于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式傳感，同時(shí)不會(huì)受到電磁輻射的干擾。此外光纖傳感器系統(tǒng)在易燃易爆氣體環(huán)境下工作是本質(zhì)安全的；3光聲光譜技術(shù)（PAS，photoacousticspectroscopy）基于光聲效應(yīng)，同其他紅外吸收技術(shù)相比，PAS是間接的測(cè)量技術(shù)。氣體分子對(duì)光的吸收通過非輻射躍遷過程，在氣體中產(chǎn)生瞬態(tài)溫度變化，然后轉(zhuǎn)化為壓力變化，用電介質(zhì)微音器或基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的壓力傳感器來探測(cè)聲波，從而獲得氣體的吸收情況。

      對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的高精度測(cè)量，氣體分子吸收光譜在壓力或溫度變化時(shí)存在展寬或譜線強(qiáng)度的改變。為了獲得被測(cè)分子譜線的信息以及其他相關(guān)測(cè)量結(jié)果，例如氣體濃度、壓力、溫度等，最近有人提出了一種新的基于TDLS和WMS的精確測(cè)量氣體分子吸收譜線的方法[3]。基于TDLS-WMS的氣體檢測(cè)系統(tǒng)不需要附加其他的溫度、壓力傳感器，是一種不需要校準(zhǔn)的技術(shù)，其系統(tǒng)框圖見圖1。圖1中采用加法器將高頻正弦調(diào)制信號(hào)同低頻調(diào)諧信號(hào)結(jié)合起來，作為激光器的馭動(dòng)電流，在光電探測(cè)器將氣體吸收之后的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出并用鎖相放大器進(jìn)行相敏檢波，從而獲得被測(cè)氣體吸收譜線的諧波分量。圖2為氣體分子吸收譜線及其一次、二次波長(zhǎng)調(diào)制諧波分量的示意圖。

      2紅外檢測(cè)技術(shù)在天然氣行業(yè)中的應(yīng)用

      2.1監(jiān)測(cè)天然氣輸送儲(chǔ)運(yùn)過程甲烷的泄漏

      無論是長(zhǎng)距離天然氣輸送管道，還是壓縮天然氣（CNG）儲(chǔ)運(yùn)，對(duì)甲烷氣體的泄漏監(jiān)測(cè)都非常重要。其中對(duì)于天然氣管道泄漏的遠(yuǎn)距離安全巡檢是一個(gè)亟待解決的難題。在野外或城鎮(zhèn)環(huán)境下，受到地表樹木、土壤、巖石以及建筑物的影響，探測(cè)無法直接進(jìn)行。根據(jù)甲烷氣體分子質(zhì)量比空氣的平均分子質(zhì)量小的原理，天然氣管道中泄漏出的甲烷氣體向上漂浮在空氣中，并同空氣混合形成濃度較低的甲烷氣團(tuán)

      紅外氣體檢測(cè)是目前天然氣管道泄漏檢測(cè)非常有效的方法?；诩淄闅怏w紅外吸收原理的遠(yuǎn)距離遙感探測(cè)方法，可以在高空或近地表處實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏區(qū)域附近的甲烷探測(cè)，從而確定泄漏位置，為搶修提供最及時(shí)的幫助。采用TDLS和高頻WMS技術(shù)能夠克服空氣湍流對(duì)測(cè)量的影響，同時(shí)結(jié)合諧波檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度甲烷氣體的實(shí)時(shí)探測(cè)。

      基于光纖拉曼放大技術(shù)的近紅外甲烷傳感系統(tǒng)結(jié)合TDLS和WMS[5]，對(duì)甲烷吸收譜線進(jìn)行掃描并采用諧波技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。通過同時(shí)掃描甲烷吸收譜線和譜線之間的空自區(qū)，并對(duì)空自區(qū)的噪聲以及光強(qiáng)度衰減情況進(jìn)行分析，能夠克服遠(yuǎn)距離測(cè)量中激光照射到地表物體后存在的嚴(yán)重光散射和光吸收等問題。由此提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，其原理如圖3所示。其中半導(dǎo)體激光器的馭動(dòng)和探測(cè)器的后端處理部分同圖1。

      激光器輸出的1650nm的激光（甲烷氣體在1650nm附近存在強(qiáng)吸收譜線）經(jīng)過放大功率為1w的拉曼放大器放大后，照射在地表上，地表附近泄漏出的甲烷氣團(tuán)對(duì)激光吸收后，剩余的激光照射在陸地表面，經(jīng)反射、散射之后的激光再次通過甲烷氣團(tuán)，然后通過一個(gè)大的菲涅爾透鏡會(huì)聚到光電探測(cè)器上。該系統(tǒng)在100~150m的探測(cè)范圍內(nèi)可以獲得71.4mg/m3的探測(cè)靈敏度，系統(tǒng)信噪比大于3[5]。能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下天然氣輸送管道泄漏的高靈敏度檢測(cè)。英國(guó)蘇格蘭天然氣管道系統(tǒng)采用上述方法進(jìn)行天然氣泄漏檢測(cè)，但是此項(xiàng)技術(shù)目前在我國(guó)還沒有正式的應(yīng)用。

      2.2監(jiān)測(cè)含硫化氫天然氣的泄漏

      現(xiàn)有的硫化氫檢測(cè)多采用化學(xué)方法，需要將儀器放在硫化氫氣體中或者對(duì)環(huán)境中的氣體進(jìn)行采樣來分析其濃度，既無法保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)威脅到檢測(cè)人員的安全。而遠(yuǎn)距離紅外甲烷檢測(cè)技術(shù)同樣可以用在對(duì)硫化氫的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)探測(cè)上。從HITRAN2008[1]氣體分子紅外吸收光譜數(shù)據(jù)庫(kù)可以知道，硫化氫在2.6μm和7.7μm附近有較強(qiáng)的吸收帶，在4μm處有相對(duì)較弱的吸收譜（圖4）。在空氣中檢測(cè)隨天然氣泄漏的硫化氫氣體，首先要克服空氣中的水蒸氣和殘余的甲烷氣體的干擾。水蒸氣在2.6μm處存在強(qiáng)吸收譜，同時(shí)甲烷在7.65μm也存在比硫化氫吸上吹強(qiáng)度大幾十倍的吸收譜線。

      對(duì)泄漏在空氣中的硫化氫氣體進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)，空氣中殘留的甲烷、水蒸氣的干擾不可忽略。紅外光譜是分子振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)的特征譜線，不同分子因?yàn)榛瘜W(xué)鍵的不同，具有不同波長(zhǎng)的吸收譜。同時(shí)氣體分子的吸收光譜并不是連續(xù)分布的，而是在一個(gè)波長(zhǎng)范圍里離散的存在。譜線的寬度受到壓力的影響而有不同程度的展寬，在不同的壓力下具有高斯、Voigt，或者洛倫茲分布。氣體分子的吸收譜線之間可以因?yàn)橄嘟嬖诮化B，或者由于分布較遠(yuǎn)而留有空自區(qū)。因此，通過洋細(xì)分析水蒸氣、甲烷、硫化氫氣體在不同波長(zhǎng)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，并以此來進(jìn)行檢測(cè)，從而確定出所要采用的光源波長(zhǎng)、類型以及檢測(cè)方法等。圖5給出了根據(jù)HITRAN2008分子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)硫化氫、水蒸氣和甲烷分子吸收譜線進(jìn)行分析之后選定的硫化氫吸收譜線，圈中的譜線為硫化氫吸收譜線附近的弱吸收強(qiáng)度的水蒸氣或甲烷吸收譜線。從圖5可以以看出，硫化氫在2.64μm（圖5-a）和7.46μm（圖5-b）附近能夠得到不受水蒸氣或甲烷明顯干擾的吸收譜線，用來實(shí)現(xiàn)紅外硫化氫檢測(cè)。

      天然氣泄漏后，因?yàn)榉肿淤|(zhì)量的不同，甲烷向上漂浮，而硫化氫則向地表沉積。

      由于氣體分子的擴(kuò)散、對(duì)流，使得地面附近的硫化氫氣團(tuán)中混合有少量的甲烷氣體。即使通過分析HITRAN分子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇了低強(qiáng)度甲烷吸收譜線附近的硫化氫紅外吸收譜，但是當(dāng)較高濃度甲烷同低濃度硫化氫同時(shí)存在時(shí)，在7460.5nm附近的硫化氫的吸收依然會(huì)被甲烷的吸收信號(hào)所淹沒，因此本文提出了一種新的數(shù)值分析方法，用來在甲烷干擾下提取出硫化氫的吸收情況。圖6給出了不同濃度甲烷和151.8mg/m3硫化氫共同存在時(shí)的吸收情況（紅色曲線表示甲烷的吸收，藍(lán)色曲線表示硫化氫的吸收，綠色曲線表示實(shí)際測(cè)量中測(cè)得的兩種氣體的總吸收），圖中標(biāo)出的點(diǎn)表示選取的特征點(diǎn)，用來計(jì)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(shí)際測(cè)得的吸收是兩種氣體共同的吸收結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)給出的譜線信息和實(shí)際測(cè)量結(jié)果，選取3個(gè)特征點(diǎn)，通常選擇總吸收的峰值和谷底數(shù)值。根據(jù)它們之間的相互關(guān)系建立起一個(gè)二元一次方程組，來計(jì)算甲烷和硫化氫的濃度，同時(shí)能夠消除掉測(cè)量過程中環(huán)境或其他因索所引起的誤差:

      式中Ap1，Ap2和Av分別為總吸收曲線上兩個(gè)吸收峰頂點(diǎn)（從左至右依次為頂點(diǎn)1和頂點(diǎn)2）以及兩峰中間谷底拐點(diǎn)的吸收率，CC和CH。

      分別為甲烷和硫化氫的濃度，α為對(duì)應(yīng)于總吸收曲線上不同特征點(diǎn)的吸收系數(shù)，這些特征點(diǎn)的吸收系數(shù)可以根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)和相應(yīng)的理論計(jì)算獲得。在測(cè)量結(jié)果中選擇特征點(diǎn)并代入到公式（2）中，可以很容易的同時(shí)計(jì)算出硫化氫和甲烷的濃度。即使對(duì)于圖6（d）所示的甲烷濃度比硫化氫濃度高出10余倍的情況，也能夠很好地根據(jù)公式（2）計(jì)算出甲烷吸收所淹沒的硫化氫濃度。

      根據(jù)公式（2）計(jì)算，對(duì)151.8mg/m3硫化氫氣體在71.4mg/m3~857.1mg/m3甲烷氣體干擾下，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。甲烷濃度越大時(shí)，測(cè)量結(jié)果的誤差越大，對(duì)硫化氫的干擾越嚴(yán)重。但是誤差能夠控制在10%以下，依然可以獲得較好的測(cè)量結(jié)果。在71.4mg/m3的甲烷干擾氣體存在時(shí)，可以獲得的最低可探測(cè)硫化氫濃度為15.2mg/m3，能夠滿足天然氣工業(yè)中對(duì)于高含硫天然氣開采、運(yùn)輸、加工等過程中的安全監(jiān)測(cè)，保障工作人員和附近居民的健康安全。