基于激光吸收光譜的天然氣管道內腐蝕多氣體分析儀

朱衛東

中海石油（中國） 有限公司天津分公司，天津 300459

內腐蝕一直是造成天然氣管道失效的重要原因，天然氣管道內腐蝕是腐蝕性氣體（二氧化碳和硫化氫等） 和液態水引起的[1]。當內腐蝕嚴重時會造成管道穿孔、破裂從而導致天然氣泄漏，不但會造成極大的經濟損失，甚至會給人民的生命財產安全帶來嚴重的威脅。

為了保證天然氣生產和輸配系統的長期安全穩定運行，需對天然氣中的硫化氫、二氧化碳和水分含量給予嚴格控制；因此，采用有效準確的測量技術至關重要。對于硫化氫和二氧化碳，通常采用手持儀器或檢測管法進行現場檢測或采用氣相色譜分析儀等實驗室設備進行取樣離線檢測。現場檢測法準確度差，實驗室檢測準確度高，但二者都無法持續測量數據[2-3]。正常工藝條件下需使水以氣態的方式存在，但是因為環境氣溫變化或者工藝導致溫度降低到露點以下就會凝析出液態水。一般都采用冷卻鏡面露點儀測量露點值，但這種方法存在檢測周期長、鏡面易污染等問題。

針對目前天然氣管道內腐蝕氣體檢測技術的不足，研究可以實現對硫化氫、二氧化碳和水蒸氣含量實時在線監測的技術手段勢在必行[5-8]。本文基于激光光譜技術，研究了一種激光多氣體檢測分析設備，實現了對天然氣內硫化氫、水蒸氣、二氧化碳和甲烷等多種氣體的在線檢測，為進一步處理管道內腐蝕提供有效的數據支撐，以保障天然氣管道的長期安全穩定運行。

1 檢測原理及系統組成

可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS） 技術是一種能實現高靈敏度、實時、動態測量的痕量氣體檢測技術，利用激光二極管的波長掃描和電流調諧特性對氣體進行測量。由于激光二極管的高單色性，可以對氣體分子的一條孤立的吸收譜線進行測量，從而可方便地從混合成分中鑒別出不同的分子，避免其他光譜的干擾。調諧二極管激光吸收光譜技術可以實現氣體濃度的在線實時檢測。

光譜吸收法所依據的原理就是朗姆伯特- 比爾（Lambert-Beer） 定律：

式中：I0（λ）為入射掃描激光束光強，I（λ）為出射掃描激光束光強，α（λ）取決于氣體紅外吸收的線強和線型，c 為氣體濃度值，L為吸收光程。光譜吸收法工作原理如圖1 所示。

圖1 光譜吸收法工作原理示意

具有一定能量的入射光通過待測氣體，光與氣體分子相互作用，使氣體分子吸收光束的部分能量。由于不同氣體其分子結構不同，對不同波長的光吸收能力也不同，不同氣體的吸收峰波長見表1。通過獲取氣體特征吸收峰，可以有效鑒別氣體種類；根據氣體吸收峰的強度大小，可以有效實現氣體濃度的高靈敏度定量反演計算。

表1 不同氣體的吸收峰波長

檢測分析儀設計結構如圖2 所示。

圖2 檢測分析儀設計結構

以甲烷氣體測試為例，微處理器電路通過SPI接口連接到激光器驅動電流模塊，通過激光器驅動電流模塊中的DAC 芯片將數字信號轉換為模擬信號，進而通過電壓轉電流電路產生30～60mA 激光器驅動電流。通過激光器溫控模塊調節激光器溫度，使激光器輸出波長經調制后，處于1650.9nm附近的吸收波長[9-13]。激光器輸出光經耦合器分為兩束，一束不經過吸收氣室，作為參考光束，用于消除光源波動，另一束經過20m的氣室，其輸出信號包含了甲烷氣體濃度信息。利用低噪聲光電探測器把光信號轉為電流信號，通過跨阻放大器轉成電壓信號，利用一個24 位高精度4 通道同步采集ADC 完成模擬信號到數字信號的轉換采集，微處理器根據Lambert-Beer 定律計算甲烷氣體濃度。

最終組建了一套高靈敏度的激光多氣體檢測分析儀如圖3 所示。

圖3 激光多氣體檢測分析儀

實際測試時，天然氣管道氣體通過φ6mm管接入測試管路系統，經過過濾罐消除液體和固體顆粒，通過調壓閥進行壓力調節后，最終進入測試主機，同時進行四種氣體組分濃度的測試。

2 測試實驗及數據分析

在實驗室內采用不同濃度的甲烷、二氧化碳、水蒸氣、硫化氫標樣氣體對研制的多氣體檢測分析儀進行了檢測，為進一步進行天然氣管道內氣體的實際測試奠定基礎。

2.1 甲烷氣體標定測試

采用11 種不同甲烷含量的標樣氣體進行標定測試，對儀器測試結果進行校準。測試結果表明，甲烷檢測量程為0 ～100%（體積分數），精度在2%以內，能夠滿足現場甲烷濃度檢測的要求。

為了驗證檢測儀的性能，依次通入甲烷體積分數分別為0.49%、3.51%、20%、99.9%的氣體，檢測結果如圖4 所示，從圖4 可以看出在高低濃度下檢測分析儀均保持了較高的精度和穩定性。

圖4 不同濃度甲烷標樣氣體的測試數據

2.2 二氧化碳氣體標定測試

分別采用9 種不同濃度的二氧化碳標樣氣體進行了標定測試。測試結果顯示二氧化碳檢測量程為0 ～100%（體積分數），精度達到2%以內，基本上能夠滿足現場二氧化碳濃度檢測的要求。

采用二氧化碳體積分數分別為0.1%、2.03%、10%、30%的氣體進行了測試，測試結果如圖5 所示。從圖5 可以看出檢測結果較為準確和穩定。

圖5 不同濃度二氧化碳標樣氣體的測試數據

2.3 水蒸氣標定測試

在系統設計中經理論計算水蒸氣的測試可以達到體積分數為ppb（1 ppb =10-9） 級的檢測，但是由于空氣中含有大量的水蒸氣，在標定測試中無法采用準確的樣氣進行標定，只能采用高濃度氮氣烘干的方法獲取穩定水蒸氣濃度的標樣氣體，檢測量程為0 ～100ppm（體積分數，1ppm=10-6），精度在2%以內，能夠滿足現場水蒸氣濃度測試的要求。

通過長時間對氣室進行吹掃，最大限度地減小外界空氣中水蒸氣的干擾。在長時間通入99.999%的高純氮氣后，氣室中水蒸氣濃度逐漸下降，可以達到10ppm 以下。測試數據如圖6 所示，數據穩定性良好。

圖6 長時間通入高純氮氣后水蒸氣濃度測試數據

2.4 硫化氫氣體標定測試

將設備放入通風櫥，然后通入標樣氣體進行測試。采用了5 種不同濃度硫化氫標樣氣體進行標定測試，測試數據運行穩定，誤差較小。在0～1000ppm（體積分數） 范圍內，可以達到2%以內的檢測精度，能夠滿足管道檢測的需求。

為了測試高、低濃度的效果，分別通入體積分數為20.5ppm和520ppm的硫化氫進行測試，結果如圖7 所示，可以看出檢測結果準確且穩定。

圖7 不同濃度硫化氫標樣氣體測試數據

3 結束語

基于激光吸收光譜技術研發了一套可對四種氣體同時檢測的高精度氣體檢測分析儀，實現了天然氣中主要組分的在線檢測，研制了系統樣機，進行了系統的測試驗證，基本指標滿足現場測試需求。