基于TDLAS的扫描式激光甲烷检测技术在天然气站场的实践运用Word格式文档下载.docx

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非色散红外检测型：

非色散红外气体传感器是用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，因为并没有对光进行分光处理，故称为非色散红外。

红外检测技术和光谱吸收检测技术基本原理是一样的，都是通过不同气体分子对近红外光色谱选择吸收特性来进行检测。

相比激光式传感器，红外传感器的分辨率相当低，其光谱分辨率大概比可调二极管激光光谱中的激光分辨率弱一千倍。

且红外检测技术易受干扰，例如水汽吸收带来的重叠气体吸收色谱问题就会严重干扰检测结果，激光式传感器就不存在这个问题。

且红外传感器相较与激光式传感器需要相对频繁的校准。

表1将光谱吸收技术与上述多种甲烷检测技术在实际监测中的多项主要性能指标进行了比较，可以看出，光谱吸收技术远优于传统检测方法。

表1光谱吸收技术与其它甲烷检测技术的比较

检测

方式

灵敏度

可靠性

气体

选择性

响应速度

稳定性

使用

寿命

量程范围

维护

保养

催化

燃烧式

一般

≤30s

1-2年内

视环境

小

易漂移，需经常性标定

电化

学式

1-2年

易漂移，6-12个月标定一次

红外式

高

（易受水汽干扰）

≤10s

好

3-5年

较大

每年标定

光谱吸收式

最高

最好

（无干扰）

≤1s

5-10年

大

无漂移

免维护

2.2光谱吸收检测技术的种类

目前，光谱吸收气体检测技术主要包括差分吸收光谱DOAS技术、傅立叶变换红外吸收光谱FTIR技术、可调谐二极管激光吸收光谱TDLAS技术。

差分吸收光谱DOAS技术的基本原理就是利用气体的窄带吸收特性来辨别气体组分，并根据窄带吸收强度来推得气体浓度。

该技术检测过程中易受气溶胶和水汽影响，检测结果可靠性较低。

傅里叶变换红外吸收光谱技术是利用气体吸收激光后产生的干涉图样，通过傅里叶变化把干涉图转换到频谱上，实现对气体浓度的检测。

该技术在长光程条件下检测时，精度可以更高，达到ppb数量级。

但该技术也易受其他气体和水蒸气的干扰，而且相较别的光谱吸收气体检测技术，其体积更大，检测速度更慢。

可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）是利用气体分子对红外激光的选择性吸收，生成特定光谱的原理来检测出气体的组类和浓度大小。

该技术对天然气泄漏检测技术的提升非常大，具有不受其它气体干扰的特性，还有效克服了水蒸气、粉尘等因素的干扰。

相较与其它气体检测技术，TDLAS技术具有高选择性、灵敏实时、稳定性高、实用性强等优点。

表2对三类光谱吸收检测技术的性能指标做了综合对比。

表2DOAS、FTIR和TDLAS性能对比

检测方式

精度

气体选择性

实时性

响应时间

DOAS

有，易受水汽干扰

是

<

1s

FTIR

无，易受水汽、气体干扰

否

TDLAS

有

2.3激光甲烷检测仪的种类

基于TDLAS的激光甲烷检测仪技术产品已多种多样，分类主要有光纤分布式、反射式和扫描式等，其检测原理相同，但检测方式和适用场所有所差异。

光纤分布式特点是可以实现无源气体泄漏检测，其防爆性能优越，但由于其检测方式为点式，故监测效率低。

反射式检测方式是线性检测，扫描式可实现“三维”立体检测，监测效率更高。

2.4TDLAS技术原理

TDLAS技术主要是利用不同气体分子具有不同的光谱吸收特征，光源的发射谱和气体的吸收谱重合的部分才能被吸收，被吸收后的激光光强发生变化，激光强度衰减和待测气体浓度有关，通过测量吸收光强度再分析即可得出待测气体浓度。

基本原理：

Lambert-Beer定律。

单一频率的辐射光通过待测气体后，其强度会因分子吸收而衰减：

（1）

其中，

是探测器测得的被待测气体吸收后激光的强度，

是光源发出激光的强度，

是待测气体的浓度，

是总的气体吸收光程；

是分子的吸收截面，系数大小与压力和温度有关，可以展开为：

（2）

式中

是吸收线强，

是吸收谱线线型函数。

由公式

（1）

（2）可推的气体浓度为：

（3）

其原理图如下：

图1TDLAS技术原理图

在具体应用中，TDLAS技术检测甲烷气体浓度主要通过利用调节可调谐半导体激光器的注入电流，使光源发出一定波长的激光穿过被检测气体，射到终端后被某物（如墙体、管道或栏杆等）部分反射回探测器被检测到，再通过波长调制光谱技术，可极大程度上降低甚至消除气溶胶、噪声等环境因素的干扰，使该检测技术实现抗干扰能力强、灵敏、稳定、实时准确等优点。

TDLAS技术在气体检测方面，对比传统气体检测技术性能突出。

基于TDLAS技术的气体检测仪不存在零点漂移、量程漂移以及中毒失效等问题，维护成本低寿命更长。

其在气体类管道泄漏、环境监测等方面已逐渐成为首选技术。

3扫描式激光甲烷检测技术在天然气站场的实际应用

某天然气分输站工艺区泄漏检测和监测以往都是以固定式和便携式设备为主备。

便携式泄漏检测设备主要应用于工人巡检过程中对设备“跑、冒、滴、漏”的检查，固定式泄漏检测设备主要应用于大场景下危险介质泄漏的预警。

而站场点式、线式等固定式检测设备存在泄漏检测反应滞后、泄漏点定位困难等缺点，便携式检测设备人工巡检工作量大。

这种传统模式下的检测和监测方式，难以满足我们对智能化站场的需求。

在该天然气分输站站安装一套云台扫描式激光甲烷遥测仪，用来对站内可燃气体泄漏进行实时的在线监测，增强该站的安全监控能力。

表3激光云台和点式、线式可燃气体检测仪性能比较

检测产品

灵敏性

使用寿命

测量区域

维护保养

点式可燃气体探测器

易受干扰（其他气体、水汽等）

%LEL量级

1-2年（视环境）

单点

易漂移，需经常标定

对射式可燃气体探测器

0.1s

易受干扰（水汽干扰）

ppm量级

满量程

一条线

易发生光束偏移

激光云台

指纹特性（无干扰）

整个面

无漂移，免标定

3.1性能参数

该云台扫描式激光甲烷遥测仪是基于可调谐激光光谱吸收（TDLAS）原理而研发的一款新型气体探测器，以固定安装、自动扫描的方式，对作业场所内多个预设位置的天然气浓度进行非接触式测量，结合实时视频图像，可以全方位监测气体泄漏，定位泄漏的大体位置。

通过后台软件可以实时监测相关数据及视频图像，后台软件可将浓度信息、报警信息、方位等信息通过数据接口服务传输给站控系统SCADA系统。

表3为该型号基于TDLAS的扫描式激光甲烷遥测仪的主要性能参数。

表4某云台扫描式激光甲烷遥测仪主要性能参数

功能项

技术指标

测量范围

0~99999ppm·

m

扫描半径

（0~80m）

分辨率

2ppm·

扫描角度

水平：

360°

俯仰：

±

90°

转动速度

0.1°

~60°

/s；

垂直：

~30°

/s

3.2可燃气体检测报警布置方案

该输气站属于狭长分布，长度约80米，为保证良好的检测范围覆盖，激光检测仪应设置在尽量居中位置。

根据现场勘测和可行性分析，激光检测仪宜设置在站场办公室门口右侧的草地中，与高杆灯的固定位置平行。

安装位置及布线示意图见下图：

图2云台扫描式激光甲烷遥测仪布置图

3.3实际运行效果分析

该站曾装设过5组对射式可燃气体探测器和1台点式可燃气体探测器，对射式可燃气体探测器运行期间多次发生因地质沉降等原因导致发射机、接收机安装位置变化，光道发生偏移，导致信号强度变低，数据远传错误；

如果发射机和接收机之间光道被栏杆、脚手架挡住，信号被遮挡也会出现数据远传错误。

点式可燃气体检测器性能较好，但易受干扰，零漂现象多，运行期间多次发生过滤网脏，无法过滤微小颗粒进而影响监测结果发生误报的情况。

在该输气站同时安装了一台激光云台和1台点式可燃气体探测器和一组对射式可燃气体探测器，两个月期间激光云台共测出2处微量泄漏点，分别为2200ppm·

m、1100ppm·

m（期间每次运行至微源均能测到连续数值），2处都为新发现位置。

输气站后期均进行了维修作业，排除了隐患，在此期间点式、对射式设备均未触发报警；

分析原因是因为点式、对射式可燃气体探测器监测区域在工艺区上方，微量天然气泄漏飘散至监测区域后，由于浓度低因此点式和对射式可燃气体探测器未检测到，从而未发出报警。

点式、线式固定可燃气体检测设备一般都是采用电化学原理，利用气体扩散特性进行检测的，当待测气体扩散到设备感应单元发生化学反应后才会发生报警。

基于基本原理的原因，该类技术设备存在相应缺陷，例如在使用期间，现场点式固定可燃气体检测设备多次发出及时报警，发现工艺区设备微泄漏问题，但该设备难以确定泄漏位置，报警后常常只能依靠输气工使用便携式泄漏检测仪确定泄漏位置。

扫描式激光甲烷检测仪探测到的甲烷浓度值超报警阈值时，测量模块会指向报警点位置并持续监测30秒（可修改），帮助确认泄漏位置，迅速投入后续应急处置。

图3激光甲烷泄漏监测系统效果图

扫描式激光甲烷检测仪的后台软件具有历史警情功能，会保存相应有效警情记录，并显示报警点图，回放报警时刻前后30秒的监控录像。

该功能的合理应用帮助解决了过去工艺区输气设备泄漏点难以量化监测，排查泄漏点隐患问题。

图4激光甲烷泄漏监测系统历史警情

比较过去以固定式和便携式可燃设备混合使用，该云台扫描式激光甲烷遥测仪稳定可靠，使用寿命长，精度高、免标定、不受环境影响等特征带来的实用效果更加显著。

基于TDLAS的扫描式激光甲烷遥测仪和后台系统监测终端组成了一个有效整体，极大地提高集中监视的效率，为站场设备的稳定可靠运行提供重要保障，更能满足我们对站场安全监控的需要。

表4与过去传统模式的综合比较

检测和监测方式

传统模式（固定式和便携式设备结合使用）

基于扫描式激光甲烷检测仪的天然气泄漏监测系统

性能对比

各项性能指标对比一般；

使用过程需要一定人力介入，效率低；

误报率高

各项性能指标较好；

可实现全天候、自动化检测

管理成本

流程复杂，设备种类多

设备单一，自动化、信息化程度高，

维护成本

可靠性一般，故障率较高，维护成本高

可靠性高，故障率低，维护成本低

3.3.1实现了超前预警，提高了天然气泄漏监测效率

扫描式激光甲烷检测仪在预设好巡检路径后，能够实时24小时无死角监测泄漏，实时获得甲烷浓度数据，与传统的催化燃烧式或点式红外吸收型探测仪相比，其检测精度更高、响应时间更短，真正做到了天然气微泄漏的检测水平，在工艺区管道或阀门在发生微泄漏或较大泄漏的起始阶段即可进行预警，实现了超前预警。

在两个月的监控检测过程中，两次及时对工艺区天然气泄漏做出快速响应，确定泄漏位置，从源头杜绝泄漏带来的危害和损失，未曾发生过误报，监控效率显著提高。

3.3.2运行成本低，契合无人站发展方向

与传统的电化学式、催化燃烧式探测器相比，激光探测仪检测原理更先进，不会因长期使用，出现检测结果不准确，多误报多故障的情况，其可靠性更高、故障率更低、使用寿命长且维护成本相对较低，巡检人员只需定期到站开展设备巡查和维护工作。

扫描式激光甲检测仪集成化、信息化程度高，契合未来站场实现“无人操作、有人值守”智能化管理模式的发展理念。

3.3.3优化站场的安全环境

大部分的天然气泄漏探测器如电子探测器、电化学催化燃烧和红外吸收传感器等，这些设备由于自身带电原因，在易燃易爆等特殊环境中应用时存在安全隐患，而扫描式激光甲烷检测仪探测器可远距离遥测，其供电线路无需进入工艺区，更符合易燃易爆场所的防爆安全，优化了天然气站场的安全环境。

4结语

激光式甲烷遥测仪相较于其他甲烷检测仪具有更多优势，其具有的检测精度高，响应速度快，维护成本低等优势极大提高了天然气站场监测效率，为保障站场安全，优化运营方式奠定了坚实基础。

使用激光式甲烷检测仪取代各类传统检测仪是一个必然的趋势。

参考文献

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63-67.

[3]汪磊.基于激光光谱吸收的甲烷检测技术研究[D].武汉理工大学，2017.

[4]技术资料，上海波汇科技有限公司提供.

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