分布式光纤气体监测技术在气相连通储罐的应用

张 贺，李 俊，胡绪尧

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104 2.西安科技大学，陕西西安 710000)

0 前言

在油气储运生产过程中，当储罐中储存的是有机溶液和一些碳氢化合物的时候，会在储罐内部聚集形成爆炸性环境，给安全生产造成重大隐患。为防止油品与空气接触，工程上通常采用氮气密封技术。近年来，随着国家对环保问题的日益重视，越来越多的企业采用气相连通的方式将整个罐组甚至全厂多个储罐组连接成一个整体，实现多个运行过程中储罐进气量和排气量的部分平衡，减少氮气用量和作业时的油气排放量。但是，储罐气相连通后也产生了新的风险，当某一储罐发生火灾时，火焰可沿连通管线传播到其它储罐，从而引发群罐火灾，带来重大火灾爆炸事故。

储罐火灾、爆炸隐患主要在于工艺过程中进入的轻组分挥发物料和氧气形成的混合型爆炸性气体，对于气相联通的储罐来说，维持气相空间氧气浓度不大于5%，便可消除爆炸条件。目前，常规的氧含量检测仪存在寿命较短，检测精度低，需要定期维护，非本安设计等问题，不能安装在储罐内部油气空间，储罐内部氧气气体浓度通常需要依靠人工采样或现场检测的方式，无法达到实时有效监测氧气的目的。针对上述问题，文中基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)，设计开发了一种高灵敏度、现场无源、高可靠性的激光光纤氧气在线监测系统，可实现对储罐及连通管道中氧含量的准确在线监测。

1 技术原理

1.1 直接吸收光谱技术

直接吸收光谱技术是TDLAS技术中最简单、直接的检测方法，具有无需标定，测量结果可以直接反映吸收信号的强弱，易于对谱线间干扰、噪声等进行分析判断等优点，不仅可以对气体浓度进行测量，还可用于气体温度、压强和流速等物理量的测量。

在利用直接吸收光谱技术进行测量时，激光器输出光频率需在一定波长范围内扫描输出，图1为典型的直接吸收光谱技术的系统。首先由信号发生器输出扫描信号(锯齿波或三角波)，通过驱动电路加在激光器上，使其出射光的频率范围可以覆盖目标测量吸收峰。其次，将调制后激光束分为两束，一束经准直器后通过样气室，由探测器1接收；另一束，经FP标准具后由探测器2接收，利用检测到的干涉条纹对输出激光进行时域到频域的转换。

图1 直接吸收光谱技术示意

用探测器1测量得到的信号是经待测气体吸收后的光强信号，进行浓度反演时，还需获得原始光强，来得到与光强无关的吸收信号。通常采用基线拟和法来获得吸收部分的原始光强，利用扫描区间内无吸收部分来拟合得到吸收区间的光强基线，该方法可消除测量时光路中产生的光强波动效应及粉尘散射和光学窗口引入的光强整体衰减效应。

1.2 谱线选择

多数气体分子在近红外和中红外都具有吸收谱线，但近红外波段与光纤的低损耗窗口匹配，利用光纤及光纤器件可以方便地对光束进行远距离传输和多点分布式探测，所以，选择近红外波段的吸收谱线作为测量谱线。

2 系统设计

2.1 总体设计

激光光纤氧气在线监测系统基于可调谐半导体激光吸收光谱技术，采用分布反馈式半导体激光器为系统光源，使用一台半导体分布反馈激光器，选取合适的无交叉干扰波段的氧气吸收波长760 nm，通过单模光纤和光开关连接长程多次反射吸收池，采用基于二次谐波的波长解调技术、构成激光光纤氧气在线监测系统。系统所有部件可以集成到控制箱内，测量现场通过光纤组网布局。

系统包括主机部分和传感器部分，两部分通过信号光纤连接。主机部分主要包含光源控制单元，信号接收及处理单元，显示和控制单元。传感器是特殊结构的吸收池，每个传感器内传输的光束最大功率小于1 mW，属于无源器件。图2为系统设计结构，本系统可连接多个传感器，通过控制光开关实现分时检测不同测量位置的氧气浓度信息。

图2 原理结构示意

2.2 激光器选型

系统选用尾纤DFB氧气激光器为光源，其原因主要包括以下几点：首先，光源为光纤输出，可以用于远距离传输光信号，便于实现传感器无源检测。其次，该类型的光源输出光功率较高，满足远距离传输引入的损耗，且可实现多点同时检测。最后，该结构封装的光源功率稳定，波长漂移小，易安装。由于在现场实际应用过程中铺设光纤必定造成弯折等不可避免的光纤损耗，为保证现场安装的更可靠进行，系统选择了功率更高的光源。

同时通过调节温度控制和电流控制，扫描了该光源所能测量到的吸收谱线，并结合氧气吸收谱线确定了测试所用的具体谱线，根据测试结果选择了764.28 nm的吸收谱线。

2.3 控制电路选型

系统对于激光器的温度控制电路的控制精度和稳定性有非常严格的要求，若激光器发光点的温度控制不稳定就会引起波长的变化，会直接导致测量误差甚至使系统无法正常工作。因此，系统选用温度和电流集成度较高的半导体激光器控制模块，该模块的温度控制精度0.01 ℃，工作温度1～50 ℃。电流控制输出电流的瞬变电流小于100 μA，电流噪声小于2 μArms，参数满足半导体激光器在正常工作范围内。

2.4 光开关选型

系统采用直接吸收光谱技术，在信号解调过程中对激光的波长和光强的线性度有较高的要求，所选用的波段为氧气分子的振转带，在760～764 nm附近，该波段的激光在通讯波段1 550 nm和1 350 nm的单模光纤中为多模传输，若在该系统中的光学器件中选用通用型号的光学器件会造成激光功率衰减大，激光波长发生偏移，直接影响系统测量的结果。因此，系统所用的光学器件，包括光纤、光开关，光纤分束器等均需要定制采购。表1所示为所选择的760 nm单模光开关参数，该波段的光纤芯径较小，约为6 μm，在器件的加工装调过程中较为困难，最终其插入损耗约为0.8 dB，在接受范围之内。

表1 光开关参数

2.5 谐波检测方法及电路设计

采用直接吸收光谱技术进行吸收信号的解调提取时，由于受到光源、光路中不定因素引起的光强变化、电路及探测器引入的噪声干扰等因素，在对基线进行拟合时，会引入较大的误差，极大地影响了系统的最低测量极限。为提高信号检测灵敏度，系统采用了波长调制技术，在低频的扫描信号上叠加了高频的调制信号，通过锁相放大器解调出特定频率来获得吸收信号，波长调制技术可很好地抑制低频噪声对测量结果的干扰。

锁相放大器是以待测信号和参考信号的互相关检测技术原理设计而成的微弱信号检测仪器，在检测过程中它只保留输入信号中与参考信号同频率同相位的成分，从而排除噪声的干扰，从强噪声背景中将有用信号检测出来，其在结构上主要有4个部分，分别是信号通道、参考通道、相敏检波器和低通滤波器。

2.6 氧气传感器设计

根据使用现场环境和测量灵敏度的要求，设计结构如图3所示的长光程吸收池，吸收池两端有两面高反镜片组成，中间有热涨吸收较低的材料连接，其外形紧凑，结构稳定可靠，耐环境温度变化能力强，镜面镀膜反射率高，保证了很高的透射率，并有效地消除光学像差。

图3 多次反射池光路结构

由于储罐内部环境复杂，传感器设计采用双层保护结构封装，内层为冶金粉末套筒，可以有效防止外部粉尘的进入，同时方便气体分子进入内部反应池。外层套筒采用304不锈钢结构，主要起到保护传感元件的作用。表面增加透气窗口，便于传感光路和外部探测气体进行充分反应。

3 实验室测试

3.1 不同浓度氧气连续测量

针对不同浓度的氧气分别进行连续测量，验证系统的测试灵敏度及分辨率。向传感器分别通入浓度为1.12%和4.99%的氧气，并保持3 min左右，图4为整个过程的浓度变化曲线，该过程中不仅验证系统测量的响应速度，还测量了不同浓度下实验系统的稳定性。结果表明，系统在1.02%、4.99%和空气(21%)均有良好的稳定性，测量稳定准确度均在3%以内。

图4 不同浓度的氧气连续测量

3.2 模拟泄漏实验

在实际应用过程中，传感器在纯氮气环境下，通过检测氧气浓度变化来反应是否有微弱的泄漏。在本项实验中，同时将两个传感器外侧加以密闭的腔体，第一阶段：向一个传感器腔体内冲入氮气，约 3min腔体内已完全为氮气，氧气浓度显示为0；第二阶段：稳定5 min左右，氧气浓度一直为0；第三阶段：打开腔体上的小孔，模拟实际的泄漏情况，发现氧气浓度逐渐上升，说明空气通过小孔扩散进入腔体内部，由于空气扩散速度与小孔大小和空气流速有关，为验证传感器的响应速度，通过微型换气泵加大小孔的空气流速，发现氧气浓度上升速度明显高于之前的自由扩散，经20 min左右氧气浓度上升为21%左右，说明腔体内已经完全置换为空气。同时，在实验过程中通过切换传感器通道，来检测通道之间的相互干扰情况，切换到另一个传感器后氧气浓度显示为0，回切后显示为正常扩散状态，结果表明，相邻通道的数据相互独立，没有影响。实验过程中所测的氧气浓度结果如图5所示。

图5 模拟泄漏过程中氧气浓度变化

3.3 长距离光纤测试实验

系统在实际现场应用中，需通过长距离光纤进行组网布局，为测试其长距离传输性能，在本项实验中将通道1接入1 km光缆，按照3.1、3.2的实验方法对系统的不同浓度氧气连续测量和泄漏模拟测量的性能进行测试，实验结果表明其测量精度、响应时间等各项技术指标均满足要求，与接入长距离光纤前相差不大。

4 现场应用测试

系统完成实验室测试实验后，在某公司芳烃罐区开展了现场应用测试，根据现场储罐气相连通改造项目的工程进度，选取4个芳烃储罐(TK402、TK501、TK807A、TK807B)进行了安装测试。由于储罐不具备罐内安装条件，氧气传感器设计安装在每个储罐气相连通管线上，现场安装设计方案如图6所示。

图6 现场安装设计方案

系统安装完成，经调试校准后，监测系统正常运行，由于此时连通管线未进行氮气置换，介质为空气，四路监测通路的监测数据均为21%左右，如图7所示。

图7 氮气置换前系统运行监控画面

系统正常运行近3个月后，连通管线开始氮气置换，此时，四路监测通路均及时监测并记录了管线中氧气的变化情况，如图8所示。

图8 氮气置换时系统运行监控画面

氮气置换完毕，气相连通管线投入使用，此时，此时连通管线中介质为氮气，四路监测通路的监测数据均为0%左右,如图9所示。

图9 氮气置换完成后系统运行监控画面

5 结论

基于TDLAS技术的激光光纤氧气在线监测系统具有准确度高，抗交叉干扰强，免调校和维护等特点，并从根本上解决了防爆的要求。同时，采用多通道分布式布局，可同时完成多个储罐的实时监测，大大降低了成本。通过实验室测试和现场应用证明，系统稳定可靠，检测准确度高，响应时间短，可快速、准确地实现对气相连通储罐及连通管道中氧含量的在线监测，有效地保证了储罐的安全，在气相连通储罐等项目中有良好的推广和应用前景。