基于激光吸收光谱的天然气管道内腐蚀多气体分析仪

朱卫东

中海石油（中国） 有限公司天津分公司，天津 300459

内腐蚀一直是造成天然气管道失效的重要原因，天然气管道内腐蚀是腐蚀性气体（二氧化碳和硫化氢等） 和液态水引起的[1]。当内腐蚀严重时会造成管道穿孔、破裂从而导致天然气泄漏，不但会造成极大的经济损失，甚至会给人民的生命财产安全带来严重的威胁。

为了保证天然气生产和输配系统的长期安全稳定运行，需对天然气中的硫化氢、二氧化碳和水分含量给予严格控制；因此，采用有效准确的测量技术至关重要。对于硫化氢和二氧化碳，通常采用手持仪器或检测管法进行现场检测或采用气相色谱分析仪等实验室设备进行取样离线检测。现场检测法准确度差，实验室检测准确度高，但二者都无法持续测量数据[2-3]。正常工艺条件下需使水以气态的方式存在，但是因为环境气温变化或者工艺导致温度降低到露点以下就会凝析出液态水。一般都采用冷却镜面露点仪测量露点值，但这种方法存在检测周期长、镜面易污染等问题。

针对目前天然气管道内腐蚀气体检测技术的不足，研究可以实现对硫化氢、二氧化碳和水蒸气含量实时在线监测的技术手段势在必行[5-8]。本文基于激光光谱技术，研究了一种激光多气体检测分析设备，实现了对天然气内硫化氢、水蒸气、二氧化碳和甲烷等多种气体的在线检测，为进一步处理管道内腐蚀提供有效的数据支撑，以保障天然气管道的长期安全稳定运行。

1 检测原理及系统组成

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS） 技术是一种能实现高灵敏度、实时、动态测量的痕量气体检测技术，利用激光二极管的波长扫描和电流调谐特性对气体进行测量。由于激光二极管的高单色性，可以对气体分子的一条孤立的吸收谱线进行测量，从而可方便地从混合成分中鉴别出不同的分子，避免其他光谱的干扰。调谐二极管激光吸收光谱技术可以实现气体浓度的在线实时检测。

光谱吸收法所依据的原理就是朗姆伯特- 比尔（Lambert-Beer） 定律：

式中：I0（λ）为入射扫描激光束光强，I（λ）为出射扫描激光束光强，α（λ）取决于气体红外吸收的线强和线型，c 为气体浓度值，L为吸收光程。光谱吸收法工作原理如图1 所示。

图1 光谱吸收法工作原理示意

具有一定能量的入射光通过待测气体，光与气体分子相互作用，使气体分子吸收光束的部分能量。由于不同气体其分子结构不同，对不同波长的光吸收能力也不同，不同气体的吸收峰波长见表1。通过获取气体特征吸收峰，可以有效鉴别气体种类；根据气体吸收峰的强度大小，可以有效实现气体浓度的高灵敏度定量反演计算。

表1 不同气体的吸收峰波长

检测分析仪设计结构如图2 所示。

图2 检测分析仪设计结构

以甲烷气体测试为例，微处理器电路通过SPI接口连接到激光器驱动电流模块，通过激光器驱动电流模块中的DAC 芯片将数字信号转换为模拟信号，进而通过电压转电流电路产生30～60mA 激光器驱动电流。通过激光器温控模块调节激光器温度，使激光器输出波长经调制后，处于1650.9nm附近的吸收波长[9-13]。激光器输出光经耦合器分为两束，一束不经过吸收气室，作为参考光束，用于消除光源波动，另一束经过20m的气室，其输出信号包含了甲烷气体浓度信息。利用低噪声光电探测器把光信号转为电流信号，通过跨阻放大器转成电压信号，利用一个24 位高精度4 通道同步采集ADC 完成模拟信号到数字信号的转换采集，微处理器根据Lambert-Beer 定律计算甲烷气体浓度。

最终组建了一套高灵敏度的激光多气体检测分析仪如图3 所示。

图3 激光多气体检测分析仪

实际测试时，天然气管道气体通过φ6mm管接入测试管路系统，经过过滤罐消除液体和固体颗粒，通过调压阀进行压力调节后，最终进入测试主机，同时进行四种气体组分浓度的测试。

2 测试实验及数据分析

在实验室内采用不同浓度的甲烷、二氧化碳、水蒸气、硫化氢标样气体对研制的多气体检测分析仪进行了检测，为进一步进行天然气管道内气体的实际测试奠定基础。

2.1 甲烷气体标定测试

采用11 种不同甲烷含量的标样气体进行标定测试，对仪器测试结果进行校准。测试结果表明，甲烷检测量程为0 ～100%（体积分数），精度在2%以内，能够满足现场甲烷浓度检测的要求。

为了验证检测仪的性能，依次通入甲烷体积分数分别为0.49%、3.51%、20%、99.9%的气体，检测结果如图4 所示，从图4 可以看出在高低浓度下检测分析仪均保持了较高的精度和稳定性。

图4 不同浓度甲烷标样气体的测试数据

2.2 二氧化碳气体标定测试

分别采用9 种不同浓度的二氧化碳标样气体进行了标定测试。测试结果显示二氧化碳检测量程为0 ～100%（体积分数），精度达到2%以内，基本上能够满足现场二氧化碳浓度检测的要求。

采用二氧化碳体积分数分别为0.1%、2.03%、10%、30%的气体进行了测试，测试结果如图5 所示。从图5 可以看出检测结果较为准确和稳定。

图5 不同浓度二氧化碳标样气体的测试数据

2.3 水蒸气标定测试

在系统设计中经理论计算水蒸气的测试可以达到体积分数为ppb（1 ppb =10-9） 级的检测，但是由于空气中含有大量的水蒸气，在标定测试中无法采用准确的样气进行标定，只能采用高浓度氮气烘干的方法获取稳定水蒸气浓度的标样气体，检测量程为0 ～100ppm（体积分数，1ppm=10-6），精度在2%以内，能够满足现场水蒸气浓度测试的要求。

通过长时间对气室进行吹扫，最大限度地减小外界空气中水蒸气的干扰。在长时间通入99.999%的高纯氮气后，气室中水蒸气浓度逐渐下降，可以达到10ppm 以下。测试数据如图6 所示，数据稳定性良好。

图6 长时间通入高纯氮气后水蒸气浓度测试数据

2.4 硫化氢气体标定测试

将设备放入通风橱，然后通入标样气体进行测试。采用了5 种不同浓度硫化氢标样气体进行标定测试，测试数据运行稳定，误差较小。在0～1000ppm（体积分数） 范围内，可以达到2%以内的检测精度，能够满足管道检测的需求。

为了测试高、低浓度的效果，分别通入体积分数为20.5ppm和520ppm的硫化氢进行测试，结果如图7 所示，可以看出检测结果准确且稳定。

图7 不同浓度硫化氢标样气体测试数据

3 结束语

基于激光吸收光谱技术研发了一套可对四种气体同时检测的高精度气体检测分析仪，实现了天然气中主要组分的在线检测，研制了系统样机，进行了系统的测试验证，基本指标满足现场测试需求。