TDLAS技术在天然气微量泄漏检测过程中的应用

马 吉，徐景德，王理翔，陈昊驰，宋晓婷

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201)

TDLAS技术在天然气微量泄漏检测过程中的应用

马 吉，徐景德，王理翔，陈昊驰，宋晓婷

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201)

随着全球对天然气的需求急剧增加，管道输送也显得越来越重要，而高效迅速的天然气管道泄漏检测技术是管道安全运行的重要保障。TDLAS检测技术是利用气体分子吸收光谱的原理来进行天然气泄漏检测的。本文将系统详细的介绍TDLAS技术的研究进展和原理方法，而且设计了一种实验室的TDLAS实验系统，最后指出了现在仍存在的一些问题和未来发展。

TDLAS技术;天然气;泄漏检测;吸收光谱

Abstract：With the rapid increase of global demand for natural gas，pipeline transportation is becoming more and more important，and the rapid and efficient natural gas pipeline leak detection technology is an important guarantee for the safe operation of pipelines.TDLAS detection technology is based on the principle of gas molecular absorption spectrometry to detect gas leakage.This paper introduces the research progress and principle method of the TDLAS technology in detail，and designs a TDLAS experimental system in the laboratory，and finally points out some existing problems and future trends.

Key words：TDLAS technology;natural gas;leak detection;absorption spectrum

0 引言

我国的天然气资源十分短缺，严重依赖进口，而且分布严重不均，想要解决这些问题必须依靠天然气输送。输气管道、液化天然气输送技术、压缩天然气输送技术是三种主要天然气输送方法，但是天然气管道仍是输送天然气的最主要方法［1］。而管道运输由于人为和自然腐蚀等原因一直存在泄露问题。而一旦天然气管道发生泄漏，很容易引起火灾及爆炸，这将会对人民的生命、财产安全产生极大的威胁，同时也会造成重大的经济损失和环境污染。所以当天然气发生泄漏时，对泄漏的甲烷气体浓度进行及时、准确的检测，并发现泄漏源，对于保护生产生活安全具有十分重要的意义。

目前国内的天然气泄漏监测技术主要是化学方法和半导体传感器检测法。但这些检测方法存在灵敏度不高、响应速度慢、不能实现连续监测等弊端［2］，传统的检测方法已经不能满足现在天然气工业发展的需要了。为此，本文将介绍一种在国外已被广泛应用，具有灵敏度高、精度高、实时性、选择性好等优点的检测技术——可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术。

1 TDLAS技术概述

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是可调谐二极管激光吸收光谱技术的简称，其本质上是一种吸收光谱技术，是利用激光能量对待测气体的选频吸收特性，形成对应的吸收光谱原理来分析气体成分和浓度的一种技术［3］。TDLAS技术采用的光源是可调谐二极管激光光源，这种光源的线宽非常窄，而且激光波长可在小范围内调谐，可使测量气体组分的精度达到10－9，特别适合低浓度气体的快速检测。

TDLAS技术具有检测灵敏度高、精度高、实时性、选择性好、环境适应能力强、不需对待测气体进行预先处理等优点，使得该气体检测技术可以被很好地应用在自然灾害预防、环境气体监测、气体管道泄漏等领域［4］。

TDLAS技术是近年来的热门研究领域，国内外研究人员对其进行了大量的研究，并取得了一些成果［5］。韩小磊［6］针对含硫天然气，基于TDLAS对不同浓度的CH4和H2S进行了系统的测试，结合天然气集输站场、集输管线和隧道的特点，设计了一套开放空间的天然气泄漏监测系统，并在胜利油田证明可行。高强［7］建立了以TDLAS为基础的气体检测的多模二极管激光吸收光谱方法，提出了一种利用气体吸收光谱测量材料漫反射率的高精度方法，极大的提高了TDLAS的测量精度和灵敏度。

2 TDLAS技术检测原理

2.1 Lambert Beer 定律

朗伯—比尔定律(Lambert—Beer law)，是光吸收的基本定律，适用于电磁辐射以及所有的能吸收光的物质［8］。此定律描述了一束单色光射过待测气体后出射光强与初始光强之间的关系。如果入射光的光谱正好在气体的吸收谱线范围内，那么光通过气体时，部分光强会被气体吸收，射出光的光强会发生衰减，通过光衰减程度的量化进而计算各种气体浓度。

如图1所示，当一束频率ν、光强为I0的探测激光，穿过目标气体时，如果激光光谱与目标气体的吸收光谱相重叠时，光强会因被目标气体吸收而减弱，这时入射光强I0与射出光强I(ν)就满足Lambert Beer定律：

图1 Lambert Beer定律原理图

式中：L为光程，即光通过待测气体的距离;

C为待测气体的体积浓度;

a(v)为气体在波长为 λ处的吸收系数。

通过(1)式可以得出：

根据公式可知，当已知光程和气体的吸收系数时，通过测量得知被气体吸收前后的光强，便可计算出待测气体的浓度，再与正常时空气中的甲烷浓度进行对比，就可以判断天然气是否发生泄漏。

2.2 波长调制技术

目前在TDLAS系统中有两种类型的调制技术：波长调制光谱和频率调制光谱。其中波长调制光谱由于检测精度高且经济实惠，得到广泛运用。

通过波长调制技术，可以避免背景噪声的影响，从而可以提高检测的灵敏度。波长调制光谱的基本特点是调制频率相对较低(通常为数十赫兹到数千赫兹)，但调制幅度较大(接近被测线谱的线宽)［9］。由此它就可以生比较大的信号波，用大的信号波测量小的变化，这样既增加了稳定性又提高了检测灵敏度。

波长调制光谱技术是应用在TDLAS中一种重要技术。研究表明，在相同的调制条件下，气体吸收光谱二次谐波信号的幅度是与浓度直接成正比的。由于大气中甲烷气体的含量比较低，吸收信号比较弱，因此利用波长调制技术对输出波长进行调制，用锁相放大器对光强进行解调，得到吸收信号的一次谐波、二次谐波信号。利用二次谐波信号进行检测已经广泛应用于TDLAS天然气泄漏检测。

2.3 吸收谱线的选择

由于分子的结构和组成不同，所以几乎每一种气体分子都对应着其相应的光谱吸收波长，气体对该波长处的光具有明显的吸收，对其他波段的光没有吸收。因为天然气的主要成分是甲烷，利用上述特性，检测天然气泄漏时只需调制CH4的光谱吸收波长即可。

通过查阅HITRAN数据库，可知CH4气体分子有上万条吸收谱线，但是在这些吸收谱线中有很多不适合作为气体检测选择吸收谱线。因此必须基于一定原则之上选择气体吸收谱线：

(1)选用较强的吸收光谱曲线，这样在气体浓度较低时可以提高检测灵敏度;如气体浓度较高，则反之;

(2)选择待测气体分子的吸收线时，要与其他可能对该吸收线造成干扰的气体区分开;

(3)所选气体吸收谱线要在半导体激光器可调波长的范围之内，便于现实操作;

HITRAN数据库(高分辨率分子透射吸收数据库)在大气微量气体弱吸收研究，气体遥感测量，激光传输研究，雷达等诸多领域有广泛的应用它由39种分子谱线的光谱参数组成的数据库，其中就有甲烷气体的吸收谱线。从 HITRAN数据库查询，再结合上述原则发现，甲烷气体在1653nm处的吸收线可以作为天然气泄漏检测的吸收谱线［10］。

3 TDLAS系统实验设计

构建TDLAS系统实验平台(如图2)，该平台由激光器、实验室模拟管道、光接收器、锁相放大器及计算机五部分组成。

图2 TDLAS系统总框图

系统实验平台搭建好后，首先检查实验管道气密性，若管道气密性良好，则接着进行以下步骤：

1)用真空泵将管道内的空气抽尽，再向管道内充入天然气，避免管道内的空气影响天然气中甲烷气体的浓度。

2)然后根据前文查到的数据，将激光波长调制为1653nm，可调谐激光二极管发射出激光。接着将设计在管道上的阀门打开，模拟天然气泄漏。经过调试的激光穿过泄漏气体，根据 Lambert Beer定律可知，其中一部分光被甲烷浓度吸收，其余的光则被位于管道另一端的光接收器接收。

3)光接收器接收到光强信息后，将光信号转化为电信号后，通过锁相放大器输出二次谐波信号，数据接口连接计算机，将数据保存在电脑中。

4)当实验完成后，利用真空泵将管道内的气体安全的排出。

4 问题与展望

TDLAS技术对天然气泄漏检测具有十分重要的意义。尽管这些年对TDLAS技术进行的研究比较多，也取得了一定的发展，但其仍存在着一些问题有待解决：

1)检测灵敏度的问题。波长调制技术，虽然可以避免背景噪声的影响，但不能够避免激光器的高频量子噪声影响，因此很难再提高检测灵敏度。

2)气体交叉干扰的问题。有时为了更准确的检测，需要对两种或两种以上气体同时测量(如天然气中的CH4和H2S)，这就要求在检测的时候，对各自的结果不会产生相互干扰，以确保多组分气体测量的准确性。

3)检测反应速度及准确率。大气中的CH4的平均浓度约为1.7ppmv，本底浓度比较低，而在化工厂中，空气中会挥发少量的CH4，浓度会升高一点，当发生泄漏且刚开始泄漏量不多时，CH4气体的浓度变化不大，这时运用TDLAS检测，就要确保其灵敏度够高，可以快速精准的发出警报，而不是反应速度慢或发生误报。

虽然TDLAS技术已经被应用到天然气泄漏检测中，并取得了一定的经济效益，但随着传感器、计算机软件、信号处理等技术的快速发展，TDLAS技术必将更加完善，应用也将更加广泛。

［1］ 韩光洁.埋地燃气管道泄漏量计算及扩散规律研究［D］.重庆大学，2014.

［2］ 张义，康信龙，李长吾，等.基于TDLAS技术的空间网格化甲烷检测方法［J］.大连工业大学学报.2015(2)：136－140.

［3］ 窦贺鑫.基于TDLAS的气体在线检测系统研究［D］.天津大学，2007.

［4］ 潘红帅.基于TDLAS技术的甲烷浓度实时监测系统的研究与设计［D］.中国矿业大学，2015.

［5］ 祝玉泉，乔利峰，张启兴，等.基于TDLAS的城市天然气管道泄漏检测系统［J］.中国科学技术大学学报，2009(4)：429－434.

［6］ 韩小磊.基于TDLAS的天然气泄漏检测技术研究［D］.北京：中国石油大学，2009.

［7］ 高强.TDLAS气体检测灵敏度增强方法及其在漫反射率测量中的应用［D］.哈尔滨工业大学，2014.

［8］ 王晓洋.基于TDLAS的激光遥测甲烷浓度技术的研究［D］.天津大学，2012.

［9］ 李克，李振林，宫敬，等.天然气管道小泄漏高空激光检测试验［J］.中国石油大学学报(自然科学版)，2010(1)：129－133.

［10］ 徐敏.基于TDLAS气体检测系统中非标定波长调制技术的研究［D］.成都：电子科技大学，2016.

Application of TDLAS technology in leak detection of natural gas

MA Ji，XU Jing－de，WANG Li－xiang ，CHEN Hao－chi，SONG Xiao－ting
(School of Safety Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，065201，China)

TP274.4

A

1672－7169(2017)03－0075－04

2017－04－31

中央高校基本科研业务费资助项目(3142017026)

马吉(1993－)，男，山西大同人，华北科技学院在读硕士研究生。E－mail：1357791725@qq.com