基于TDLAS的甲烷传感器在综合管廊燃气舱中应用探讨

杨 常 华

(山西省信息产业技术研究院有限公司，山西 太原 030012)

1 概述

近年来随着我国城市基础设施的不断建设，各省市的城市地下综合管廊陆续建成并投入使用，已经成为当今城市现代化建设的热点和衡量城市建设现代化水平的标志之一。建成后的城市地下综合管廊为城市的发展提供巨大作用的同时，管廊本身的安全问题也越来越受到人们的关注。城市地下综合管廊内部承载了大量的重要管线，一旦有电力电缆损坏引发火灾、燃气泄漏引发燃爆等事故的发生，其所带来的损失和影响将十分巨大。

本文从工程实践(山西综改区某街道地下综合管廊项目)方案优化设计出发，针对管廊燃气舱天然气泄漏汇聚易发生燃爆及缺氧等事故的情况，结合管廊结构、火灾消防规范的要求，提出使用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)进行实时在线监测燃气舱的可燃气体方案，此技术在管廊环境监测和火灾检测报警等建设方面具有较大的推广应用价值。

2 TDLAS可燃气体检测技术简介

20世纪80年代末90年代初，随着分布式反馈激光器(DFB)的研制成功，可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy简称TDLAS)开始受到人们的广泛关注。利用半导体激光器波长调谐特性，获得被测气体分子的吸收光谱，从而对气体进行定性或定量分析，由于激光的高单色性、方向性、高集中性，利用气体分子的一条孤立的吸收谱线对气体的吸收光谱进行测量，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，使其成为气体检测的理想工具。对于监测易燃易爆的天然气体来说,利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成的吸收型光纤气体传感器，具有相当高的测量灵敏度和精度、极高的气体鉴别能力、快速的响应能力、性能稳定、传感器元件寿命长无中毒现象等特性。同时利用光纤气体传感器和传输光缆等光纤器件可以方便组成光纤传感检测网络,实现可燃气体浓度数值的远程实时在线监测及传输。基于激光的光纤气体检测原理见图1。

3 燃气舱可燃气体检测器选型原则

燃气舱可燃易爆气体主要是甲烷气体，因此对燃气舱的甲烷浓度的实时监测是燃气舱安全运行的保障，同时管廊及其内部设备的运维是个长期的过程,甲烷气体检测报警设备应能长时间正常运行。结合管廊特点选用甲烷气体检测器应从以下几点考虑:

1)稳定性。管廊环境中湿度比较大，一般的电气设备长期在潮湿环境下，容易受到腐蚀，电气元件会因腐蚀而受损降低使用寿命，因此检测设备本身的防护能力决定了今后设备运行的稳定性。同时检测传感器应避免受管廊环境内其他气体及化合物干扰而使元件中毒或坏死。所以在设备选型时应注意设备的本身防护能力，宜采用工作时间长，受环境影响小的设备。

2)安全性。由于燃气舱可能存在燃气泄漏爆燃危险, 设备易选用检测测量范围广、精度高、抗电磁干扰的防爆本质安全型设备，以避免设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量而引起的爆燃事故。

3)实时性。管廊距离长，测点多，所有测点监测数据应实现实时在线监测，同步处理上传，宜采用智能型、低功耗以及具有物联网功能的智能仪表。

4)可维护性。在保证测量精度的同时应选用调校周期长，使用寿命长期稳定的设备，安装完毕后尽可能免维护或少维护以减少管廊运维成本。

4 甲烷检测器应用现状

现阶段连续监测甲烷气体浓度技术除可调谐半导体激光光谱吸收型(TDLAS)外主要还有催化燃烧型、热导型、红外光谱吸收型(NDIR)等技术。催化燃烧型甲烷检测器检测精度较高、输出信号较大、技术实现简单、成本低廉,目前是我国甲烷浓度监测的主要技术手段而广泛使用，但在实际应用中由于受催化燃烧式原理局限，普遍存在只在低浓度段(低于4% VOL)具有较高灵敏度和较好的响应曲线，而无法测量高浓度段甲烷气体(甲烷爆炸浓度范围为5% VOL～16% VOL)，并且其标校周期短以及元件有中毒现象而影响使用寿命；热导型甲烷检测器虽然测量范围较广，但在空气中甲烷浓度较低时，热敏元件很难通过甲烷空气混合物热导率的变化来测定甲烷浓度，低浓度测量时误差大，只适用于测量高浓度段的甲烷(4% VOL～100% VOL)，因此在管廊内此类检测器目前极少采用；红外光谱吸收型甲烷检测器测量范围广、标校周期及寿命较长但单台成本较高，易受到水气及其他碳氢类气体干扰,管廊内的环境背景辐射以及温度变化都会对传感器产生影响(见表1)。

表1 现阶段主要甲烷气体检测器性能对比表

根据GB 50838—2015城市综合管廊工程技术规范要求，天然气管道应在独立舱室内敷设，每隔200 m设置防火分隔区，分隔区内每隔15 m可设一台检(探)测器，且检(探)测器距其所覆盖范围内的任一释放源不宜大于7.5 m。天然气报警浓度设定值(上限值)不应大于其爆炸下限(体积分数)的20%；天然气探测器应接入可燃气体报警控制器，检测浓度超过报警浓度设定值(上限值)时，应由可燃气体报警控制器或消防联动控制器联动启动通风设备；紧急切断浓度设定值(上限值)不应大于其爆炸下限值(体积分数)的25%。

通过对比，TDLAS可调谐半导体激光光谱吸收型可燃气体检测器相较其他类型检测器具有以下优点，特别适合地下综合管廊距离长、潮湿、腐蚀环境中的甲烷监测。

1)气体选择性好，受环境影响小。甲烷气体有自己的特征激光光谱吸收频率，在进行气体检测时，可以方便的测量出混合气体中甲烷气体；TDLAS检测器采用非接触方法测量气体，不受舱内环境和有毒气体的影响而中毒和老化。

2)响应速度快、灵敏度高、稳定性好。TDLAS检测器在开机相对较短的时间内就能正常工作，且当气体浓度发生变化时，也比其他检测方法更能及时作出反应。TDLAS检测器不会引起检测系统发热，使检测系统不至于因温度的变化而受到影响，系统工作稳定性好，灵敏度高。

3)本质安全。TDLAS检测器的采集和传输部分为光纤介质，在舱内为不带电设备，无需做防爆处理，不会成为爆炸的点火因素，且不受电磁干扰，信噪比高，测量精度高。

4)超长距离、实时检测。TDLAS检测器采用光纤敷设组成传感网，不需要布置任何的电源线及信号线，检测信号传输速率快，满足管廊长距离、实时在线监测要求。

5)使用寿命长，维护成本低。TDLAS检测器系统使用寿命长，同时也不需要像传统电化学设备每10 d左右标校一次以免失准或失效，减少了后期维护成本，弥补了前期建设成本较高的不足。

5 系统结构及功能

1)系统结构。管廊燃气舱可调谐半导体激光吸收光谱型甲烷气体检测系统主要由激光甲烷传感器、激光甲烷检测控制器、可燃气体报警控制器、传输光缆、电源以及其他监控设备等组成。系统结构图见图2。

在管廊防火区间电力舱吊装口或逃生口设备夹层处设置1套可燃气体报警控制器，可燃气体报警控制器通过光纤环网将甲烷检测数据上传至监控中心可燃气体报警主机。

在管廊燃气舱防火分区段内顶部设置激光甲烷器传感器，且设置间隔不大于15 m。每个区间内的甲烷传感器通过光缆接入激光甲烷检测控制器后接入区间内的可燃气体报警控制器。

2)系统功能。可燃气体报警系统与火灾报警系统、视频监控系统、出入口控制系统之间相互建立联动；当燃气舱内甲烷气体浓度超过报警浓度设定值(爆炸下限的20%)时，由可燃气体报警控制器启动本区间及其相邻区间的可燃气体声光报警器，同时联动视频系统，切换出该区间的视频画面，并发出报警信号至本区间火灾报警联动控制器，由火灾报警控制器联动启动燃气舱事故段区间及其相邻区间的事故风机，并将该报警信号通过光纤环网传至监控中心。当燃气舱内燃气浓度超过紧急切断浓度设定值(爆炸下限的25%)时，持续报警1 min后，可燃气体报警控制器联动控制燃气管道上相应区域的紧急自动切断阀切断燃气回路。确保燃气管廊设施正常、稳定运行。

6 结语

管廊燃气舱甲烷气体实时在线检测要求响应快、精度高、可靠性高，同时管廊内甲烷气体检测传感器安装数量多，维护量大。通过探讨适用于管廊燃气舱甲烷气体检测器的选型原则，对比其他各类常用的甲烷气体检测技术，提出使用可调谐半导体激光光谱吸收型甲烷气体检测器对燃气舱内燃气泄漏所引起的周边甲烷浓度变化进行实时在线监测。同时，利用其本身先进的光纤传感器并集成管廊内各种物联网传感技术、视频监测技术，实现管廊燃气舱实时监测，异常报警、自动控制，全面提升城市地综合管廊安全防护能力，具有较好的推广应用价值。