基于TDLAS的增强型气体检测新技术

唐伟,马云鹂,袁艺朗,张毅,古冉

(1．中国石油西南油气田分公司 安全环保与技术监督研究院,四川 成都 610000;2. 梅思安(中国)安全设备有限公司,江苏 苏州 215000)

中国高含硫天然气累计探明储量约占国内天然气总储量的17%,其中90%都集中在四川盆地。高含硫天然气开发面临腐蚀性强、毒性大等风险,在开发过程中一旦发生泄漏事故,往往会造成灾难性的后果。因此,需要建立可靠、高效、全面的天然气泄漏监测系统,及时、准确、有效发现泄漏险情,以便能够及时采取措施来避免泄漏的扩大,减少造成更大事故的概率,提高气体泄漏时的应急响应能力。目前天然气田生产过程中的泄漏监测,主要是采用设置固定点式可燃、有毒气体探测器的方式,对环境气体中可燃、有毒气体浓度进行连续监测,达到尽可能及时、准确地在泄漏发生时发出警报并具体提供泄漏相关信息的目的。

传统的固定点式可燃、有毒气体探测器的研究和应用已经有几十年的历史,为了满足不同的应用场景,开发出了多种基于不同原理传感器的气体探测器,其中应用广泛的有半导体式、催化燃烧式、电化学式、光离子化(PID)几种类型。不同原理的气体探测器各有特点,以上几种类型为代表的传统气体探测器均在不同程度上存在反应速度慢(60 s以内)、泄漏首次检出率低(低于50%)、使用寿命短(普遍在1～3 a)等问题,在石油天然气生产现场的应用效果并不理想[1]。

本文通过新旧激光吸收频谱技术特点的对比分析[2],探索了先进的激光气体检测技术在实时、精确检测硫化氢气体和酸性气体方面的技术优势和应用适应性,结合已经完成的项目实践,阐述激光气体检测技术如何能够有效支撑、保障含硫天然气的开发。

1 可调谐半导体激光吸收光谱技术

1.1 可调谐半导体激光吸收光谱技术原理

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)属于光谱学领域中的吸收光谱学,专门研究各类物质的吸收光谱的产生以及它们之间的相互作用。吸收光谱的范围很广: 10 nm～1 000 μm,有的呈现为连续吸收态,称为一般吸收光谱;有的则显示出一个或多个吸收带,称为选择吸收光谱。所有物质都有其独特的吸收光谱,当一束具有连续波长的光通过物质时,光束中的某些成分便会有所减弱,当被吸收的光束由光谱仪生成光谱时,就可以得到该物质的吸收光谱[2]。

TDLAS是一种利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区,在二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的新型气体检测方法。它已经发展成为一种高灵敏度、高分辨率、高选择性以及快速响应的气体检测技术[3]。具体来说,半导体激光发射出特定波长的激光束穿过被测气体时,被测气体对激光束进行吸收导致激光强度衰减,激光强度的衰减与被测气体浓度成正比。因此,通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度[4]。

根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律,单一频率的辐射光通过待测气体后,光强度I(ν1)如式(1)所示:

I(ν1)=I0(ν1)exp[-σ(ν1)cL]

(1)

σ(ν1)=Sφ(ν1)

(2)

式中:I0(ν1)——气体吸收前光的强度;σ(ν1)——气体吸收截面,是吸收线强与线型函数的积,表示气体在辐射光单一频率ν1处的吸收线型;L——吸收路径的长度;c——气体浓度;S——分子的吸收线强,与温度有关,与压力无关;φ(ν1)——吸收线性函数。

吸收截面、线型和线宽都依赖于压力和待测气体的浓度。在大气压力下,分子谱线的加宽以压力展宽为主,可用洛伦兹线型近似表示[3]。

由于在近红外波段,气体的吸收系数很小,满足σ(ν1)cL≪1,此时式(1)可以简化如式(3)所示:

I(ν1)=I0(ν1)[1-Sφ(ν1)cL]

(3)

在波长调制光谱中,通常在激光器的输入电流上叠加一个正弦分量以实现对激光输出波长的调制。设调制信号的频率为ν2,则由激光输出的瞬时频率如式(4)所示:

ν1=νc+mδνcos(ν2t)

(4)

式中:νc——调制的中心频率;m——调制系数;δν——气体吸收线频率的半高半宽;t——时间。

透射光强是周期性偶函数,可以被展开成为傅里叶级数(余弦),同时忽略伴随波长调制所产生的残余幅度调制(RAM),则

(5)

(6)

式中:n——傅里叶级数的序列。

式(5)与式(6)表明,各个谐波分量直接与气体浓度c成正比,所以可利用锁相放大器将各次谐波分量分离出来,与特定物质的吸收光谱进行比对,不但可以精准判断气体种类,还可以进行浓度的实时检测[5]。

1.2 TDLAS技术的缺陷

虽然TDLAS具有高灵敏度、高分辨率、高选择性以及快速响应的特性,但由于技术手段的限制,在使用过程中依然存在下列问题:

1)电流变化引起激光输出光功率的变化,残余光强调制对于检测信号精度有较大影响。大多数情况下,可认为在波长调制工作区域引起的幅度调制相对于输入电流是线性的,对于常见的DFB激光器(首选)、外腔半导体激光器ECDL以及VCSEL激光器,激光器驱动电流的余弦变化会产生残余光强调制,而残余光强调制增加了探测的奇次谐波分量,使检测信号不对称,造成误差;吸收信号微弱,不易检测[6]。

2)TDLAS技术并没有解决连续监测中零点与量程漂移的问题,依然需要定期对光学系统特别是光源器件进行校准,保持其零点以及量程的绝对准确度。

3)TDLAS技术仅使用单光束进行一阶傅里叶级数余弦展开,其谐波信号仅能够分析光谱特性较为明显的气体,如甲烷(CH4),而对于石油天然气行业中其他光谱特性较为复杂的气体,典型如乙烯(C2H4)、硫化氢(H2S)、氨气(NH3)、氟化氢(HF)等,均无法检测。需要特别指出的是,CH4和H2S的混合气体,即所谓的酸性气体,对于国内高含硫天然气田的开采来说,危害极大,一旦产生泄漏,不但易燃易爆,而且快速达到立即致死浓度(IDLH),易造成重大安全事故。

2 增强型激光二极管吸收频谱技术

增强型激光二极管吸收频谱技术(ELDS)基于TDLAS,采用创新的智能自校准技术以及增强双激光二极管,在保证高灵敏度、高分辨率、高选择性以及快速响应的基础上,克服了TDLAS技术中的技术限制。相比较于TDLAS技术,ELDS有两个差异化的关键技术: 智能自校准技术与增强双光束技术。

2.1 智能自校准技术

智能自校准技术采用内置气室以及检测反馈控制回路,自动完成零点及量程“标定”,整个过程实现全自动化,并可实现自动与手动相结合。发射端内置自校准回路如图1所示。

图1 ELDS发射端内置智能自校准回路示意

智能自校准技术具有如下特点:

1)长期运行无漂移。通过智能自校准,检测仪表的光源部件始终工作在设定参数以及预期状态,杜绝了零点与量程漂移,使得检测结果更加准确、可靠。

2)自动与手动两种模式。自动模式每天自动运行一次,可确保检测仪表长期稳定、无漂移;在任何时候均可在现场手动启动该过程,一般用于现场检查、监督或故障排除。

3)智能检测与校准过程全记录。智能自校准的过程(含自动与手动)均以事件日志的方式进行保持,并可通过蓝牙上传至电脑进行归档和备案。

4)无需定期维护。标定周期越短,意味着整体运行维护成本会大幅增加,包括但不限于标定活动需要的标定工具、气瓶等备件的采购、存放和报废处置成本,以及相关的资质要求、人员安排等。

2.2 增强双光束技术

ELDS双激光二极管的工作原理如图2所示,其中双激光二极管形成了增强的双检测光束。

图2 ELDS双激光二极管工作原理示意

TDLAS技术采用单光束设计,当检测路径上遇到反射或散射时,有可能产生干涉效应或条纹效应,这将对吸收光谱的解析以及检测结果的准确性产生不利影响。而ELDS技术采用双激光二极管,可大幅减少由于反射或散射造成的干涉效应或条纹效应,改善系统信噪比和灵敏度;能够有效抑制残余调制光强,有效增强谐波信号强度,因此不但能够检测TDLAS技术所不能检测的H2S,还可以精确检测酸性气体的浓度。

3 应用实践

ELDS 1000/2000系列对射气体探测器是一种智能型开路式激光气体检测仪,采用业界技术领先的双激光二极管指纹谐波技术,可针对可燃性碳氢类化合物和蒸气,以及多种有毒有害气体进行非常精确的检测,检测浓度达10-6级别,适用于安全完整性等级为SIL2的工况;响应速度比点式检测技术更快,能检测出更大范围内、更低浓度的可燃气体、有毒有害气体的泄漏,从而保护工厂免于爆炸,保障人员生命安全和财产安全。

作为一项逐渐成熟的创新技术,该激光对射气体探测器已在国际知名的大型综合性油气工程公司中获得认可,并得到广泛的应用。在国内也开始逐步规模应用于石油天然气行业,主要应用于陆上、海上油气开采,加工装置及长输管线、储运设施等,也包括部分LDPE工艺设施和煤化工装置,如: 中海油某海上采油平台、中石油雪佛龙川东北天然气项目,以及国家管网西南管线改造项目、冀东油田、长治煤矿、中煤集团等。

在国家管网西南管线改造项目中,共设计46套激光对射气体探测器,用于检测压缩机厂房中可能出现的CH4泄漏。根据每个压缩机厂房的平面布局,并考虑到有可能产生泄漏后的气团模型,共设计了31对中短距离(40 m)ELDS激光对射气体探测器,以及15对长距离(120 m)ELDS激光对射气体探测器。压缩机属于非常重要的、需要长时间连续作业的大型动设备,一旦出现可燃气体泄漏,将产生不可估计的灾难性后果。该激光对射气体探测器的低浓度、快速检测和响应能力能够满足该类工况应用的需要;同时,零漏报、零误报的技术优势与目前油气储运行业正在大力推进的“智能化站场”“无人站场”的战略方向相契合。

4 结束语

TDLAS技术由于其非接触性、高灵敏度、高选择性、在线响应速度快等优点,成为当前气体浓度在线检测技术的重要发展方向之一,然而其固有的技术与设计缺陷如残余光强调制带来的误差、无法检测复杂气体以及长期运行精度无法保证等,限制了其在石油化工天然气等行业的应用。

ELDS技术采用增强双光束设计和高阶傅里叶变换,以及基于内置气室的智能自校准技术,真正做到零误报、零漏报、零维护,能够实现对于可燃性碳氢类化合物和蒸气,以及多种有毒有害气体进行非常精确地在线检测,并已经成为高含硫天然气开发中,H2S及酸性气体实时泄漏监测系统首选的检测技术和最强有力的安全保障。