基于TDLAS技术的天然气站场移动式泄漏监测系统的可行性分析

基于TDLAS技术的天然气站场移动式泄漏监测系统的可行性分析

杨靖 栗真

国家管网集团山东天然气管道有限公司 山东济南 250000

摘要：随着可持续发展经济的大力推广，天然气使用延伸到居民和工业用气，由于用户需求增大、输气设备自动化程度提高、企业效益对于管理方面的要求增加等原因，泄漏监测方法的改进迫在眉睫，天然气中甲烷含量高达85%以上，参考可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）在气体浓度检测中的广泛应用，通过飞行器搭载合适的红外激光器与探测器以检测站场某一位置空气中的甲烷浓度，从而判断是否发生天然气泄露的情况，并结合现场实时视频画面以确定泄露位置及泄露程度。本文从TDLAS技术的基本原理及其在气体检测的优势，移动式监测系统在站场泄漏监测的优势，及其激光器和探测器选择、续航能力、传输方式等多个方面进行了监测系统可行性探讨。

关键词：TDLAS；飞行器；红外激光器；探测器

0引言

长输管道是我国天然气输送的主要途径，输气站场是长输管道的重要枢纽，站场工艺区多为室外露天区域，当天然气少量泄露时扩散快，很难被及时发现，存在安全隐患和事故风险。鉴于日渐成熟的站场自动化技术，无人或少人值守是未来发展的趋势，或成为公司降本增效的努力方向，因此考虑采用灵敏度和准确性更高的天然气泄漏监测技术和室外监视技术相结合的方式，全面管控站场的天然气泄露情况。

1、基于TDLAS的激光甲烷检测技术

以往的甲烷检测方法有催化燃烧型、电化学型和非色散红外型等，但与本文中所讨论的光谱吸收检测技术相比，其稳定性、准确性、安全性差，且易受干扰。尤其光谱检测技术中的TDLAS技术具有选择性和稳定性高、灵敏性强、实用便利等显著优势。因此在长输管道泄露监测系统中，基于可调谐二极管激光器的红外激光雷达技术受到国内外广泛关注[1,2]，但是由于激光雷达回波功率较弱，如何从噪声中提取微弱回波信号是该技术要解决的瓶颈之一。

1.1 TDLAS的技术原理

TDLAS技术主要是利用不同气体分子具有不同的光谱吸收特征，光源的发射谱和气体的吸收谱重合的部分才能被吸收，被吸收后的激光光强发生变化，激光强度衰减和待测气体浓度有关，通过测量吸收光强度再分析即可得出待测气体浓度。

如图1所示，如果在波长扫频的范围内，没有出现气体吸收线，那么检测器接收的光功率和发射器输出的光功率应该是一样的，见图1.a。但是，当我们在波长范围内发现吸收线，那么在光功率测试时会有凹陷，见图1.b。通过凹陷处的波长和深度，可以判断该气体的种类和强度。

图1 TDLAS的技术原理示意图

1.2 监测系统原理

图2站场泄露监测系统原理示意图

其工作过程如图2所示为：泄露检测飞行器匀速沿站内管道飞行，红外激光束扫过工艺区天然气管道及各连接阀门和设备，如有天然气泄漏，泄漏点附近会形成气团，泄露天然气吸收掉一部分激光能量，根据激光的初始功率和回波功率就可以反演出天然气的浓度，反演过程依据Lambert—beer定理[3]：

P=KSexp[-D(v)]=KSexp[-α(v)·2CR] （1）

式中：P为激光回波功率(W)；S为激光初始功率(W)；v为激光频率(Hz)；K为光学接收效率(无气体吸收时回波功率与初始功率的比值)；D(v)为光学路径上的吸收光程(m)；α(v)为频率v处单位浓度介质光的吸收系数(ppm-1·m-1)；CR为甲烷气体路径积分浓度(ppm·m)。在长光程弱吸收的情况下，通常满足[-α(v)·2CR]≤0.05，此时公式(1)可以写成：

P=KS[1-α(v)·2CR] (2)

1.2结构组成

根据监测系统原理，利用无人机飞行器搭载红外激光器和高灵敏度探测器实现现场甲烷浓度数据采集，将检测信息反馈至站控室计算机，经上位机软件处理后显示此位置空气中甲烷浓度，通过设置报警浓度上下限，从而实现天然气泄露监测及报警功能。可如图3所示：

图3站场泄漏监测系统的结构

无人机飞行器与甲烷检测集成系统相结合，可以实现站场的实时视频监控和天然气泄漏监测的两个重要监测目的。

2移动式泄露监测系统的优势和难点

2.1系统的优势

目前工艺站场多采用固定式天然气红外激光监测系统，设有固定的扫描路线，可基本覆盖站场关键区域，缺点是扫描区域范围大，距离远，误报较多，本文所讨论的系统为移动式泄露监测系统可弥补固定式的不足。检测范围小，针对性强，可对报警区域是否存在泄露情况予以确认，并可明确具体的泄露位置及泄露程度，排除误报情况。另外，还可用于固定式无法覆盖的区域和人员较少或者无人值守的站场，大大减少站队人员配置，降低设备安装成本，减轻日常巡检工作量，值班人员在站控室即可监视站场情况，对于日后区域化管理，实现一人多地监测的目标。

2.2系统的难点

1、气体检测的灵敏度受激光器的选择、检测技术、检测算法等影响，需要选择较优的方式以实现较高的灵敏度，才能在室外检测中体现其优越性。2、激光器和探测器的选择受气体波长吸收带和自身参数特性的影响。3、检测信息需采用无线传输方式，应选用相应距离的发射器。4飞行器的续航能力和线路选择。

3监测系统的可行性分析

3.1检测的灵敏度影响因素[4]

如果由于气体吸收造成的探测器上的辐射功率差∆P产生的信号电压正好等于探测器本身的噪声电压时，此辐射功率差∆P就是该探测器的噪声等效功率差NE∆P，那么此时系统检测到的气体浓度值就是系统可以检测到的最小浓度值，即系统的噪声等效浓度。当激光束沿天然气管道扫描时，如果发生气体泄漏，激光功率被气体吸收掉∆P，该功率的变化反映在探测器输出上，即为信号电压，此电压可以表示为：

Vs=∆P·R (3)

式中：R为探测器响应率。又因为探测器的响应率可表示为：

R=(VND*)/ (4)

式中：VN为噪声电压；D*为探测器的探测率；AD为探测器光敏面有效面积；为噪声等效带宽。由公式(3)、(4)可以得到系统信噪比的表达式：

VS/VN=(∆PD*)/ (5)

当系统信噪比为1时，功率差∆P可以表示为：

∆P= /D* (6)

由公式(2)可以得到气体吸收掉的功率∆P的表达式：

∆P=S-P=S[1-K(2αC-1)] (7)

由公式(6)、(7)可以得到噪声等效浓度的定义：

NE∆C=(/D*+K-1)/(2Kα) (8)

噪声等效浓度定义为系统信噪比为l时系统探测到的气体浓度值，它可以表征系统对气体的探测灵敏度，其值越小，表明系统的探测灵敏度越高，探测能力越出色。因此通过对比选择波长吸收带、对应波长的激光器、合适的基于该激光器的检测技术和相关的检测算法等，可更好、更高精确度的实现泄露检测。

3.2 甲烷激光检测波长吸收带

选择合适的红外吸收谱线对提升检测仪器的性能至关重要。

图4.a 0.7μ-1.9μm近红外波段吸收谱线图

图4.b 2μ-4μnm中远红外吸收谱线图

图4.c 4μ-6μm中远红外吸收谱线图

图4.d 3μ-6μm中远红外吸收谱线图

由图4.a-d所示可知，3μ－6μm之间在这个波长范围内，大部分气体都有其最强的吸收线，吸收强度比其它红外区域高出几个数量级，比如CH4、HCl、CH2O、HBr、CO、CO2、NO和H2O等。

图4.e 甲烷（CH4）的红外吸收光谱

由图4.e所示，甲烷的红外吸收光谱图上可以看到，在中红外3μm~4μm波长段有最强的红外吸收谱线。

3.3激光器和探测器的选择

市面上激光器有近红外DFB激光器、中红外QCL激光器和带间级联（ICL）激光器，ICL激光器在3μ～6μm波长领域具有非常多高灵敏度的气体吸收线，具有较低的阈值功率密度，意味着同样的光输出功率需要输入较低的电流，消耗较低的能量，并产生更少的热量，填补了DFB激光器和QCL存在的不足。光源选择合适激光器外，探测器的选择也十分关键，碲镉汞是直接带隙半导体，光响应覆盖1~3μm、3~5μm、8~12μm三个红外“大气窗口”以及18μm以上长波红外小段，是红外探测器中应用最广泛、最重要的材料，可选择合适的制冷型高灵敏度碲镉汞探测器。

3.3电源的续航能力

一般无人机飞行的电池续航能力在半小时左右，在重量（便携性）、价格和续航性能（航拍体验）之间达到的相对不错的平衡。对于小型站场监测、确认泄露报警准确性及泄露位置的用途而言是可以满足的。

3.4信息传输方式

选用性能较好的激光器和探测器可降低功耗，安装在移动终端上，根据信号传递的距离选择功率合适的发射器，做成无线传感器，用电池供电。

3.5飞行路线的控制

可通过设定多个飞行航点来实现简单的规划路线，或者在模型中添加目标点并设置拍摄距离、航线速度等参数，飞行器APP将自动生成对应的航点，从而形成巡检航线。还可利用手机APP对飞行器进行航线控制，直接飞至目标地点进行检测。

4总结

本文从基于TDLAS技术的移动式泄漏监测器的原理、结构、实现功能、可实施性几个方面进行讨论，目前国内并无成形的设备可做参考，还需要对其中几个重点需要克服的问题进行深入的研讨，比如可实现功能产生的效益与设备、维护运行成本的对比，这将是作为一个企业在提高自动化水平的同时提高企业收益的重要参考。

参考文献：

[1] Qi Hongxing, Li Zhengwen, Yang Yide, et a1.Study on airborne natural gas pipeline inspection techniques [J]．Infrared, 2009, 30 (3): 1-6 .(in Chinese) 亓洪兴,李正文,杨一德,等.基于机载平台的天然气管道泄漏监测技术研究 [J].红外,2009,30(3 ):1- 6.

[2 ] Ershov O V , Klimov A G, Vavilov V P . Airborne laser IR thermographic system for detecting gas leaks from underground pipelines [J].QIRT Journal, 2006，3 (1)：53 -70．

[3]李文正,亓洪兴,肖功海,方杭美,杨一德,舒嵘.实用化机载天然气管道泄漏监测红外激光雷达[J].红外与毫米波学报,2011,30(2):184-188.

[4]李正文,亓洪兴,肖功海,方抗美,杨一德,舒嵘.机载红外激光雷达监测天然气管道泄漏技术[J].红外与激光工程,2011,40(12):2398-2402.