基于TDLAS的管式GGH微泄漏監測系統研發及應用

沈忠明 張越 葉飛

【摘?要】TDLAS技術主要是利用可調諧半導體激光器的波長與窄線寬隨注入電流改變的特性，對單個或者距離相近的幾個難以分辨的吸收線進行測量;具有高選擇性、同時測量多組分、反應速度快、靈敏度高等方面的優點;本文具體分析了TDLAS技術應用在管式GGH微泄漏監測系統。

【關鍵詞】TDLAS技術;監測系統;測量

一、背景

1.管式GGH在電廠廣泛應用

目前，在國家節能環保政策力度加大的大環境下，各燃煤火電企業都實現了超低排放，很多電廠進行了煙氣消白技術改造，為了節能和環保的需要，管式煙氣冷卻器（GGH）在火電企業得到了廣泛的應用。但隨之也帶來了一些設備問題，影響電廠機組運行的可靠性。其中，管式煙氣冷卻器泄漏引發的問題最為明顯，已經形成制約發電機組連續安全運行的重要因素。

2.傳統監測手段局限性太大

目前常規微泄漏監測手段都無法滿足生產現場要求及時發現的需求，因此，急需研發一種泄漏監測系統，對煙冷器泄漏情況進行實時檢測，及時發現泄漏模塊并隔離，防止故障擴大。

傳統技術手段+原理+局限性。

3.TDLAS技術優點及研究現狀

TDLAS技術，即Tunable?Diode Laser?Absorption?Spectroscopy，該種技術的二極管采用半導體材料制成，因此也被稱之為“可調諧半導體激光吸收光譜技術”。該項技術主要從上世紀90年代開始，發展速度非常快，并且由于其具有靈敏度高、反應速度快、對所有的紅外都有吸收的活躍分子都有效、高選擇性等眾多優點，能夠有效地解決傳統大氣在線檢測系統存在的缺陷，致使其被廣泛地推廣和應用在環境大氣檢測中。

TDLAS技術的優勢主要表現在以下幾個方面：1）具有靈敏度高、反應速度快的特點，在不失靈敏度的基礎上，其時間分辨率能夠控制在毫秒量級;2）對所有的紅外都有吸收的活躍分子都有效的通用技術，并且能夠更加方便的改成測量其他組分的儀器，能夠將其改成同時測量多組分的檢測儀器;3）高選擇性，高分辨的光譜技術，不受其它氣體的干擾，這一特點與大氣在線檢測系統相比具有明顯的優勢;4）能夠自動修正壓力變化、環境溫度變化對測量結果的影響;5）儀器沒有運動元件，維護方便、可靠性相對較高;6）不需要進行采樣預處理，就能夠對生產過程進行控制，并且響應速度非常快;7）測試儀器內部設定有標定腔，在檢測過程中可以定時自動標定，不需要進行手動操作。

上世紀七十年代，美國科學家Hinkley和Reid首次提出TDLAS技術以來在短短十幾年的時間里，該技術得到了極大的發展，具體表現在作為檢測光源的近紅外半導體激光器工作性能更加穩定，使用壽命更長，體積更小型化。同時TDLAS氣體檢測技術正朝著高精度，高靈敏度，低檢測限，使用環境更加豐富等方向發展，己經可以被廣泛用于尾氣檢查，氣體檢漏，燃燒排放量檢測等多種場合。歐美日等一些發達國家的氣體分析儀公司也開始將TDLAS檢測技術作為一種重要的氣體檢測方式用于產品制造。國內對干TDLAS技術研究始于日絲紀八十年代，1999年國內第一臺紅外差分激光吸收雷達由中科院安徽光機所研制成功，在之后的時間里該技術在國內取得了較快發展。2018年Yin 基于TDLAS檢測原理設計出一套符合石油工業檢測標準的要求測量丙烷和丁烷含量的傳感器系統，計算出的丙烷和丁烷濃度（在氣體混合物樣品中）的所有爆炸下限相對誤差低于3%。

二、TDLAS技術原理

直接吸收法是通過檢測氣體透射光強或者反射光強的變化強弱達到檢測氣體濃度的目的，每個氣體分子都有自己的吸收譜即對特定頻率的激光進行選頻吸收，當光源的發射波長和氣體的吸收波長重合時，光強會被部分吸收，根據這一點，利用可調諧半導體激光器波長可調諧的特點，使激光器的輸出波長能在被測氣體分子的吸收峰附近掃描，得到待測氣體分子的吸收譜線，進行濃度分析。

諧波檢測法技術，波長調制技術（諧波檢測法）可以通過一個掃描信號和正弦信號的疊加信號改變半導體激光器的波長。當被測氣體的最強吸收峰所在波長的位置與激光器輸出波長重合的時候，可以得到所需吸收光譜，這種方法相比與直接吸收法具有更高的靈敏度。其檢測過程為，在掃描信號上疊加高頻正弦信號，通常還需要添加直流信號，（偏置電壓），加載到半導體激光器上，掃描信號的作用為改變半導體激光器溫度和電流進而改變激光器的輸出波長和輸出功率，利用該辦法進行波長改變和連續掃描，確保激光的輸出波長在掃描過程中總能夠在某個工作點與氣體吸收峰重合。正弦信號作為調制信號主要起信號檢測的作用，經過氣體吸收產生包含了被測氣體濃度信息的高次諧波信號，通過對高次諧波信號分析獲取被測氣體的濃度。高次諧波信號的提取主要有三種不同方式，一種是通過鎖相放大器的方式，將與頻率為調制信號整數倍的正弦信號或者方波信號作為參考信號，將經過氣體吸收的光信號轉化成的電信號作為被檢測信號，利用鎖相放大器提取出所需各次諧波信號。

二次諧波反演氣體濃度，二次諧波的幅值正比于待測氣體濃度乘以有效光程，因此在有效光程不變情況下可以直接利用處理后的二次諧波信號幅值用來反演待測氣體的濃度，需要注意的是，在反演前，我們需要找到一個標準，提取己知的氣體二次諧波幅值，通過標準氣體的二次諧波信號與標準濃度值來進行最小二乘法直線擬合，獲得擬合直線和擬合度，之后我們通過這個擬合方程結合被測氣體二次諧波幅值即可推斷待測氣體的濃度。TDLAS檢測檢測平臺的性能是需要通過擬合度來判斷的，當激光器輸出波長等于在甲烷吸收峰對應波長處二次諧波幅值甲烷濃度成正比，即完全線性即擬合度為1，但實際系統中，受到各種條件的限制，擬合度不可能完全等于1。

基于TDLAS檢測的基本原理，本系統將分不同的功能模塊，每一個模塊應一種或若干種實驗設備，同一模塊在功能相同的情況下可以根據測量精度及實驗室現有條件，選用不同的設備。TDLAS系統可以分為硬件和軟件兩個部分。硬件部分包括：信號發生模塊，光源模塊，光電轉換模塊，氣體吸收池模塊，二次諧波提取模塊。其中信號發生模塊負責提供激光器的調制電壓，調制信號和掃描信號，在直接測量法中，可以直接將掃描信號輸入激光器中，在示波器下直接觀察經過光電探測器接收的吸收信號。在諧波檢測法中，需要將調制信號疊加在掃描信號上作為輸入信號接入到激光器中。光源模塊負責輸出可調諧的激光，氣體吸收模塊的作用是讓光信號經過氣體充分吸收。光電轉換模塊將光信號再轉換成電信號，之后再利用二次諧波提取模塊從電信號中解調出二次諧波分量。通過在CCS7.0平臺下利用C語言編寫相應DSP算法，利用DSP開發板完成將獲取到二次諧波信號轉換成相應的濃度且進行實時顯示功能。

基于本系統下諧波檢測法，具體檢測過程為利用函數信號發生器輸出一個低頻掃描信號和一個高頻的調制信號，利用加法器進行疊加作為可調諧半導體激光器輸入信號，使得激光器輸出激光的頻率和光強同時受到輸入電壓的調制，輸出的激光經過準直鏡進行準直再通過裝有甲烷氣體吸收池，經過光電探測器接收的信號中包含有氣體濃度的二次諧波信號，而諧波檢測法的關鍵在于解調二次諧波信號。

三、dTDLAS技術在嘉華電廠的具體應用

1.項目概況

本次測量系統安裝在浙江浙能嘉華發電有限公司7號鍋爐（1000MW）C和D兩個管式GGH煙道出口處，每個煙道安裝兩套設備，共四套，安裝采用對穿式，發射端和接收端安裝在煙道兩側同一中心線上。

2.測量流程

TDLSA技術采用可調諧二極管激光光譜吸收技術，因此譜線的選擇至關重要。譜線選擇的原則包括：選擇測量的吸收譜線既需要適合用于TDL的中心波長，還應該在吸收區域與其他氣體分子不存在交叉吸收現象，這樣能夠排除其他氣體分子對測量結果的影響;譜線不能位于多種氣體吸收的交叉譜帶，這樣會導致其他氣體分子干擾測量精度;譜線中心波長必須和光探測器的響應波長、TDL中心波長相適應。

激光由TDLAS控制箱發出，每個控制箱發出兩道激光，四道激光對應四個發射端，激光發出由光纖傳輸到接收端，經準直器準直后通過光學楔片被安裝在煙道對面的接收端接收（激光經非球面透鏡聚焦后被光電探測器接收），接收端接收到激光信號后經同軸電纜將信號傳回TDLAS控制箱中，控制箱接收到信號后通過板卡線將信號傳輸到工控機內進行處理，最終把光強曲線和水蒸氣濃度曲線在顯示器上顯示出來。空調可保證設備在惡劣環境下連續工作，UPS保證設備在斷電的情況下持續運行，不間斷監測泄漏情況。

參考文獻：

[1]信豐鑫. 基于TDLAS的大氣CO_2監測技術研究[D].中國海洋大學，2014.

[2]何祥林，潘勇剛. TDLAS技術的發展現狀及其應用研究[J]. 鄂州大學學報，2017，24（01）：102-104+109.

[3]吳家勇，李海娜，王立坤，許斌，王洪超，蔡永軍，劉勝楠，陶志剛. 管道泄漏監測系統的性能評價指標[J]. 油氣儲運，2017，36（02）：209-213.

[4]趙竹，董紅軍，吳瓊，徐亮，潘志榆，王立坤，王洪超，岳春英. 泄漏監測系統應用中的認識誤區[J]. 油氣儲運，2019，38（01）：87-92.

（作者單位：浙江浙能嘉華發電有限公司）