紅外氣體檢測技術在天然氣安全生產(chǎn)中的應用

近年來紅外氣體檢測技術已經(jīng)可以應用在天然氣。儲運、中轉(zhuǎn)及加工過程中，用來檢測甲烷的泄漏情況。它具有的準確性和靈敏度，同時具有動態(tài)測量范圍大、響應時間快、不易受其他氣體干擾等優(yōu)點。因此使用高精度、高靈敏度、穩(wěn)定耐用的在線或遠程紅外氣體檢測儀，對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技術的原理，介紹了目前紅外氣體檢測中常用的檢測技術。洋細描述了目前能夠應用于復雜測量環(huán)境中的紅外光譜測量技術，并以甲烷和硫化氫氣體為例，分析了紅外檢測方法在天然氣安全生產(chǎn)中的應用。
1紅外氣體檢測原理
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構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］。紅外甲烷檢測基于甲烷氣體對紅外光吸收的原理，當一定波長的紅外光通過被測氣體，氣體在其吸收譜線處吸收紅外光，在紅外探測器上便可以檢測出光強度的變化。根據(jù)Lambert-Beer定律可以得到氣體的吸收情況［2］：
式中I0是入射光強度;I（v）是氣體吸收之后的光強度;L是氣體的吸收長度;C是氣體濃度，mg/m3;α（v）是在頻率v處的吸收系數(shù)，cm-1。
紅外氣體檢測技術包括直接吸收、光聲光譜、光纖傳感、可調(diào)諧激光二極管光譜（（TDLS）、波長/頻率調(diào)制光譜（WMS/FMS）等，這幾種方法可以單獨采用，也可以結合起來取長補短，以獲得更好的檢測結果。其中：1直接吸收光譜技術是采用的一種檢測方法。根據(jù)Lambert-Beer定律，氣體對光的吸收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準確性越好;2光纖傳感技術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，利用光纖進行光傳輸，易于實現(xiàn)長距離分布式傳感，同時不會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（PAS，photoacousticspectroscopy）基于光聲效應，同其他紅外吸收技術相比，PAS是間接的測量技術。氣體分子對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)微音器或基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的壓力傳感器來探測聲波，從而獲得氣體的吸收情況。
對于復雜環(huán)境下的高精度測量，氣體分子吸收光譜在壓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線的信息以及其他相關測量結果，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的精確測量氣體分子吸收譜線的方法［3］?；赥DLS-WMS的氣體檢測系統(tǒng)不需要附加其他的溫度、壓力傳感器，是一種不需要校準的技術，其系統(tǒng)框圖見圖1。圖1中采用加法器將高頻正弦調(diào)制信號同低頻調(diào)諧信號結合起來，作為激光器的馭動電流，在光電探測器將氣體吸收之后的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵霾⒂面i相放大器進行相敏檢波，從而獲得被測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、二次波長調(diào)制諧波分量的示意圖。
2紅外檢測技術在天然氣行業(yè)中的應用
2.1監(jiān)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送管道，還是壓縮天然氣（CNG）儲運，對甲烷氣體的泄漏監(jiān)測都非常重要。其中對于天然氣管道泄漏的遠距離安全巡檢是一個亟待解決的難題。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，探測無法直接進行。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
紅外氣體檢測是目前天然氣管道泄漏檢測非常有效的方法?；诩淄闅怏w紅外吸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(qū)域附近的甲烷探測，從而確定泄漏位置，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，同時結合諧波檢測方法可以實現(xiàn)對低濃度甲烷氣體的實時探測。