移動激光甲烷遙測儀在天然氣泄漏檢測中的應用

蔣興富，文紅軍，唐 華，田 爍，李慧婷

1.嵩明中石油昆侖燃氣有限公司，云南嵩明 651700

2.天津市振津石油天然氣工程有限公司，天津 300384

3.大連市艾科微波光電子工程研究有限公司，遼寧大連 116600

移動激光甲烷遙測儀在天然氣泄漏檢測中的應用

蔣興富1，文紅軍1，唐 華1，田 爍2，李慧婷3

1.嵩明中石油昆侖燃氣有限公司，云南嵩明 651700

2.天津市振津石油天然氣工程有限公司，天津 300384

3.大連市艾科微波光電子工程研究有限公司，遼寧大連 116600

目前國內外大多數天然氣管道泄漏檢測儀都是近距離檢測的，要求把探頭置于燃氣可能泄漏的環境中，探頭與燃氣需要直接接觸，因此危險性很大；另外在人工實際巡檢過程中經常也會遇到難以滿足這些檢測條件的情況，而應用移動激光甲烷遙測儀可以彌補傳統檢測技術的不足。介紹了移動激光甲烷遙測儀的工作原理、結構及特點，分析了激光遙測技術的優勢，針對不同情況的燃氣管道進行燃氣泄漏檢測試驗。試驗結果表明，移動激光甲烷遙測儀具有檢測精度高（檢測質量分數可達10-6以下）、響應速度快（0.01 s）、可遙測（30 m）等優點，可以對傳統儀器無法檢測的管網設施燃氣泄漏進行方便、快捷、準確的檢測，在解決燃氣泄漏難題方面具有獨特的優勢，是現有檢測儀器的有效補充。

天然氣泄漏；激光甲烷遙測儀；檢測

目前國內外大多數天然氣泄漏檢測儀都是用于近距離檢測的，要求把探頭置于燃氣可能泄漏的環境中，探頭與燃氣需要直接接觸，因此危險性很大。然而在實際巡檢過程中經常會遇到難以滿足這些條件的情況，而應用移動遙測式甲烷激光探測儀可以彌補傳統檢測技術的不足[1]。

1 激光甲烷遙測儀的工作原理[2-3]

激光甲烷遙測儀是基于可調諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，簡稱TDLAS）原理制造成的，TDLAS通常是用單一頻率的窄帶激光掃描出一條獨立的氣體吸收線，并利用可調諧半導體激光器的波長隨注入電流而改變的特性，實現對分子的單條或幾條距離很近很難分辨的吸收線的測量，并且具有速度快，靈敏度高的優點。在不失靈敏度的情況下，其時間分辨率可達ms量級。因為激光的分辨率高，檢測精度高，因此可用于痕量氣體監測分析。通過單片機控制電路對激光器進行電流調制，使激光器發出所需波長的激光，激光穿過氣體監測區域后，到達反射面并被反射回激光探測器，若激光穿過的氣體區域中存在被檢測的特征氣體，激光就將與該氣體發生作用并被吸收，特征氣體濃度越高，吸收量越大，激光探測器將監測到激光強度的變化并將其反饋至單片機控制電路進行處理，最終由信號輸出電路將濃度結果顯示出來，工作原理見圖1。

圖1 激光甲烷遙測儀電氣原理示意

2 激光遙測技術的優勢

2.1 與電化學/熱催化傳感器的比較

（1）激光遙測技術具有操作人員不中毒，傳感器無老化，測量無交叉干擾等優勢。電化學/熱催化傳感器通常是通過敏感元件直接和氣體接觸，而后通過這兩者之間化學反應產生的熱或電來進行檢測的，它是一種消耗型傳感器件，所以電化學/熱催化傳感器的使用壽命會隨著檢測氣體的頻率和濃度的增加而變短。基于化學反應的特點，電化學/熱催化傳感器對同類型的氣體都會發生反應，沒有唯一選擇性，經常會引發誤報警。由于化學反應對濕度、溫度、壓力以及環境氣體很敏感，經常會因多種原因引起零點漂移，因而其校正周期極短，另外頻繁的校正也使得傳感器的使用成本大大增加。而激光式傳感器則是一種無需與氣體直接接觸的光學探測器，因此不會發生人員中毒或傳感器老化現象；此外，在常壓條件下激光式傳感器不受壓力和濕度變化的影響，因而免調校。

（2）激光遙測技術可實現本質安全連續的狀態監測。歐洲標準IEC 61508被認為是安全傳感器的“最佳檢驗方法”。該標準要求所有設備功能性安全，并要求常年不斷地對傳感器狀態進行監測。激光式傳感器是通過監測光源的強度來完成對這一標準的監測的。由于任何測試都會影響電化學探測器和熱催化傳感器的使用效果，因而電化學/熱催化傳感器均不符合該標準。因此對具有爆炸危險性的裝置或場所（如石油化工廠、天然氣加氣站、天然氣門站等） 的經營者而言，將來使用激光式傳感器來替換電化學/熱催化傳感器是一個必然的趨勢。

（3）激光遙測技術具有高動態的測量范圍。大多數的檢測技術或者只能檢測低濃度的氣體（例如，電化學傳感器檢測的質量分數低于100×10-6），或者只能檢測高濃度的氣體（熱催化傳感器檢測的質量分數范圍在百分數范圍之內）。而在很多實際應用中，高動態測量范圍是必須的。在這種情況下，如果使用化學傳感器進行檢測，則需要安裝不同測量范圍的傳感器，既增加成本，又不方便。而激光氣體傳感器的測量動態范圍高達萬倍，因此無需在同一個設備中使用多種不同的檢測技術即可滿足大部分測試范圍的要求。

2.2 與紅外傳感器的比較

（1）激光傳感器具有完全的氣體分辨性。紅外傳感器和激光式傳感器都是通過目標氣體對紅外光的吸收來進行檢測的，但是，紅外傳感器只能實現相當弱的分辨率。紅外傳感器通過干涉濾光片過濾熱輻射光源氣體光譜的分辨率，大致上比可調諧二極管激光光譜中的激光分辨率弱一千倍。重疊的氣體吸收光譜帶會給紅外傳感器帶來嚴重干擾，尤其是經常存在的水分吸收帶帶來的干擾。對于激光式傳感器來說，這個問題將不復存在，為零交叉靈敏度。激光傳感器無需標定，具有長期穩定性。紅外傳感器需要另外一個檢測通道做參考以便監測光源的光強度，隨著時間的推移，這個光源的光強會由于老化而不斷改變。由于參考通道有一個單獨的探測器和一個單獨的窄帶干涉濾光片，與測量通道相比較，不同的器件和不同的老化程度都會引起“零飄”，因此，紅外傳感器需要相對頻繁的校準。激光式傳感器使用了一種特殊的測量技術，與專有的電子產品相連接，每次測量時從檢測信號中提取出光強度信號，因此無需參考通道或者頻繁的常規矯正。

（2）激光傳感器功耗低。紅外傳感器的熱光源使用電能來產生強度光譜，光源通過濾光片，其中僅有一小部分的發射光被調諧到氣體吸收波長，其大部分電功耗都被浪費掉。與此相反，激光式傳感器中的激光二極管可以準確地發射出所需波長的光，僅消耗激光轉化效率的最小值。

2.3 與傅里葉紅外光譜分析儀的比較

傅里葉紅外光譜分析儀主要用于實驗室和一些工藝應用中的多種氣體的測試。但是這種高精度、快速測量儀器的價格是激光式傳感器的20～50倍。這種標準測試儀器有容易被污染的光學器件，要測量痕量氣體的濃度（即質量分數為10-6級）是比較困難的。此外，他們對振動和沖擊也非常敏感，需要由專業人士來操作，龐大的體積和高功耗不利于簡單的OEM集成和便攜式操作。

2.4 與固態傳感器的比較

固態傳感器對濕度敏感，通常對有毒氣體選擇性差，氧氣含量的變化會導致不可靠的讀數，在高氣體濃度環境下會導致零氣體度數和靈敏度的不可逆變化。相反，激光傳感器則不與被測氣體直接接觸，其他氣體的交叉靈敏度、濕度和含氧量對激光式傳感器的影響幾乎為零。固態傳感器的操作需要在持續的高溫下進行，這導致了巨大的功耗，且不適合作為便攜式設備使用。而激光式傳感器則具有功耗低的優點并方便生產安全人員巡檢。

3 移動激光甲烷遙測儀的應用

通過我公司安全生產人員對新型檢測設備的使用，針對常見場所以及以往檢測困難或無法檢測的燃氣管道部位進行泄漏檢測，并與傳統檢漏儀器設備的復檢結果進行對比，總結出在各種使用環境下該儀器設備的適用性和性能特點。

3.1 架空管道的檢測

嵩明龍河架空管道因檢測位置特殊（檢測距離在30 m范圍內）且人員巡檢時不易到達，因此決定使用移動激光甲烷遙測儀遠距離對該管道的泄漏情況進行掃描，其中有兩處管道位置是重點監測位置。將儀器發出的指示激光，掃描至可能發生泄漏的位置，再通過屏幕顯示泄漏狀況，未發現泄漏。上述檢測結果與日常設備的檢測和保壓測試結果進行對比表明，激光探測儀與傳統探測儀的檢測結果是一致的。

3.2 埋地管道的檢測

云南大學商學院嵩明校區庭院天然氣管道的壓力出現異常，經判斷可能是燃氣泄漏。采用移動激光甲烷遙測儀對其進行監測，當探測到該校區道路施工的挖掘現場時，儀器發出了報警聲，經過仔細檢測和逐步靠近定位，確定該處管道存在泄漏。后來經過了解發現，該位置管道泄漏是因道路施工時采用挖掘機進行余土清理，不慎將的管道損壞，從而造成燃氣泄漏。

在埋地管道泄漏檢修中，因泄漏的氣體往往濃度過低而不易檢測到泄漏點，采用移動激光甲烷遙測儀可檢測到空氣中質量分數低至5×10-6的甲烷氣體，從而可對泄漏點進行準確定位。

3.3 在天然氣門站等場站的應用

移動激光甲烷遙測儀可配合360°旋轉云臺使用，利用周圍墻面/地面等常見反射物作為反射面進行測量，系統實時記錄下檢測區域的甲烷濃度信息，并與常規作業下的濃度進行比較，當測試濃度超過預警值時則啟動報警。該系統具有靈敏度高、無人值守和運行成本低等優點，因此激光遙感探測儀在石油化工等領域也將具有廣闊的應用空間。

4 結束語

移動激光甲烷遙測儀具有檢測精度高（氣體質量分數可達10-6以下）、響應速度快（0.01 s）、可遙測（30 m） 等優點，可以對傳統儀器無法檢測的管網設施的燃氣泄漏進行方便、快捷、準確的檢測。現場應用表明，移動激光甲烷遙測儀在解決燃氣泄漏難題方面具有獨特的優勢，是現有檢測儀器的有效補充。

[1]夏慧，劉文清，張玉鈞，等.基于菲涅耳透鏡開放光路天然氣泄漏檢測系統設計研究[J].光譜學與光譜分析，2009，29（3）：844-847.

[2]張帆，張立萍.紅外吸收光譜法在氣體檢測中的應用[J].唐山師范學院學報，2005，27（5）：62-64.

[3]吳曉南，胡鎂林，商博軍，等.城市燃氣泄漏檢測新方法及其應用[J].天然氣工業，2011，31（9）：98-101.

Application of Portable Remote Methane L eak Detector in Natural Gas L eakage Detection

JIANG Xingfu1，WEN Hongjun1，TANG Hua1，TIAN Shuo2，LIHuiting3
1.Songming PetroChina Kunlun FuelGas Co.，Ltd.，Songming 651700，China
2.Tianjin Zhenjin Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China
3.Daliang Aike Microwave Photoelectron Engineering Research Co.，Ltd.，Dalian 116600，China

The sensors of most domestic natural gas pipeline leakage detectors are required to be placed in the environment with possible gas leakage，therefore it has great risk.Sometimes，the actual detection condition does not meet the requirement.The portable remote methane leak detector can solve this problem.The working principle，structure，feature and technical advantages of this detector are introduced in this paper.The detections are carried out for different fuel pipelines.The results show that the portable remote methane leak detector possesses the advantages of high accuracy（less than 10-6in mass fraction），quick response time（0.01 s） and long telemetry distance（30 m）.It can implement convenient，quick and accurate gas leakage detection for pipeline network equipment where conventional detectors are difficult to approach.

naturalgas leakage；portable remote methane leak detector；detection

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.019

蔣興富（1980-），男，重慶人，經濟師，注冊安全工程師，2009年畢業于四川大學工商管理專業，現從事城鎮天然氣管理方面的工作。Email：zec_qinxiaoyong@163.com

2016-07-16