氣體紅外監測技術在煤制油領域的研究與應用

王亞雄

（國家能源集團鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

引 言

隨著石油資源的日益緊張，煤化工必將在今后的長期發展中占據重要的地位。煤化工企業的有毒有害、易燃易爆氣體無處不在，存在較大風險。煤化工領域中煉焦工業、煤氣化-合成氨、煤基甲醇、煤制合成油等都對可燃氣體和有毒氣體監測產品有廣泛的需求，尤其是對二氧化硫、硫化氫、一氧化碳、氯氣、氨氣等氣體傳感器需求量非常大。目前工業上常規的接觸傳感型氣體監測設備大多是根據接觸到的氣體濃度進行聲光報警，需要經常更換傳感器等耗材，且需要頻繁和復雜的校準；此外，接觸傳感型氣體監測設備還有一個顯著的缺點是被動式的接觸，只有氣體擴散到接觸點才可以監測到，而且監測的范圍較小，監測的種類比較單一，在裝置突發多種氣體泄漏時需要人工監測判斷。因此，研制生產一類性能可靠，可非接觸、遠距離監測泄漏的氣體監測系統，成為當下煤化工領域可燃氣體、有毒氣體監測需要高度關注和亟需解決的焦點問題。國家能源集團鄂爾多斯煤制油分公司進行了煤制油氣體紅外監測技術的研發，研發的氣體紅外監測技術在一定程度上解決了這一難題，該監測儀可安裝在室外，其主要優點為可實現遠距離、非接觸式、實時監測。

1 煤制油氣體紅外監測技術研發的背景及意義

為加快推動煤制油氣體紅外監測系統研制項目，國家能源集團鄂爾多斯煤制油分公司于2020 年3 月申報了科研項目——煤制油氣體紅外監測系統研制項目，上級公司于2020 年3 月底進行了批復并同意立項。項目基礎技術來源于北方夜視科技研究院集團有限公司（乙方）的軍品技術。煤制油氣體紅外監測技術是在現有軍品技術基礎上進行工程化研究和技術改造，利用傅里葉紅外光譜原理對氣體特征進行識別，使用紅外寬波段響應的熱成像技術開展半定量煤制油化工氣體泄漏監測[1]，具體包括FTIR 紅外光譜分析儀工業監測應用技術、遠程通訊技術、氣體紅外監測系統主被動組合技術、有毒有害氣體現場監測技術等內容。

該項技術研究以國家能源集團鄂爾多斯煤制油公司（甲方）應用為背景，完成紅外光譜產品的制作，實現了數十種工業有毒有害氣體的識別。技術已擁有多項自主知識產權，填補了目前國內煤化工領域紅外氣體監測技術的空白，并具備成果轉化和產業化的前景。未來，氣體紅外監測技術將進一步擴展紅外技術在工業安全、消防救援和環境保護等國民經濟市場中的應用，為煤化工科技服務乃至經濟社會發展作出積極貢獻。

2 氣體紅外監測系統的組成與工作原理

氣體紅外監測系統組成示意圖見圖1，該系統主要由監測儀主機、云臺、計算機等組成。監測儀主機、重載變速云臺、主控計算機與電源轉換器之間通過電纜實現供電和通訊連接。

圖1 氣體紅外監測系統組成示意圖

將FTIR 紅外光譜分析儀、廣譜紅外光源分別固定在廠區的某個位置，根據需要監測的重點區域或監測突發事件現場，將廣譜紅外光源投射系統、監測儀安裝在固定平臺上，通過云臺控制水平或俯仰對目標工業氣體進行實時監測，并將數據遠程傳輸至室內上位機進行數據處理，監測結果實時顯示，可以實現廠區監控。

煤制油紅外監測儀主要用于遙測廠區半徑3 km以內的7.6 μm～14.5 μm 波段被動紅外光譜[2]，對于危險氣體的泄漏實現非接觸式、遠距離、迅速識別，并及時發出報警以保證生產和人身安全。該監測儀可固定安裝組網監測，也可以安裝在車輛上巡邏監控，是環境監測、大型活動安防、工業園區監控等領域一種新的解決方案。

3 煤制油氣體紅外監測系統的技術特點

氣體紅外監測系統利用大多數危險氣體在紅外波段具有其特定的吸收（或發射）光譜的特征，在監測過程中不需要任何外部的激發光源，即使在漆黑的夜晚也可以正常監測。

從技術角度來說，采用傅里葉轉換紅外光譜技術（Fourier-transform infrared spectroscopy）進行環境化學氣體探測，具有響應速度快、高信噪比和高光譜分辨率、工作穩定、適合連續實時在線監測等顯著優點。

鑒別器是核心信息處理單元，對監測儀獲取的氣體云團紅外干涉圖進行光譜轉換、預處理、特征提取和智能鑒別，將鑒別結果輸入報警單元。干涉儀選用時間調制式的FTIR 干涉儀，鑒別器選用特殊的智能自動鑒別器。干涉儀和鑒別器均成功應用于民用環境氣體監測儀中，在質量、可靠性及環境適應性方面均滿足了使用需要。

惟實干方可書寫青年擔當。青年人身上所富含的拼搏精神、挑戰意識、創新因子等特質，必將對國之重器施與生生不息的動力，也必將深刻地影響新時代的進程與走向。

遙測報警器在鎮江綠色化工工業園區進行過工業氣體光譜采集，在軍用產品的基礎上擴充工業危險氣體、背景及干擾物的紅外光譜數據庫，并已經在民用環境氣體監測儀上進行過相關驗證，從功能和性能上來說都能滿足工業環境現場監控使用要求。可監測工業危險氣體種類包括在常溫（15 ℃～35 ℃）、常濕（相對濕度不大于70%）條件下的硫化氫、二氧化硫、丙烷、氨氣、乙烯、甲烷、六氟化硫、二氯甲烷、乙醚、甲醇等10 余種氣體，還可根據使用需求及探測器工作波段擴展可探測氣體的種類，在國家能源集團鄂爾多斯煤制油公司的現場試驗中，探測測試氣體為氨氣。

遙測報警裝置具有以下功能：系統自檢功能；修改、設置工作參數功能；在線輻射定標功能；方位俯仰二維空間掃描功能；向主控計算機輸出信息及通過計算機軟件操控遙測裝置功能；輸出遙測結果功能；儀器內部低溫環控功能；可見光輔助觀察功能。

根據項目需求，研制出實用化的煤制油紅外監測儀探測器/集成式制冷組件，其主要優點有：（1）可靠性大幅提高。原來使用分置式制冷機，制冷機系統在失效前的平均工作時間（mean time to failure，MTTF）為2 500 h，探測器組件整體的MTTF 為1 500 h。新研制的集成整體式制冷機，由于制冷機內部運動結構的優化改進和加工工藝技術的改進，應用工質隔離專利技術，實現制冷機內部工質與電機定子的隔離，降低工質污染，提高運行可靠性；活塞表面鍍制高硬度耐磨材料，實現制冷機高可靠、無油潤滑及制冷工質的間隙密封；采用彈性合金成型金屬密封圈，保證制冷機高可靠的工質密封性能。通過以上措施使制冷機單體的MTTF 提高到12 000 h，考慮到探測器芯片等其他部件的壽命，探測器組件整體的MTTF 提高到10 000 h以上。（2）體積小、質量輕。原來使用分置式制冷機，整個制冷機質量為1.3 kg，改為集成整體式制冷機后質量不超過0.65 kg。結構設計方面，為直流無刷旋轉電機驅動制冷機壓縮活塞和膨脹機冷指推移活塞，壓縮機和膨脹機位于同一曲軸箱殼體內，實現了體積小、質量輕的技術指標。（3）功耗減小。集成整體式制冷機由于制冷效率提高，在制冷量輸出相同的情況下，制冷機輸入電功率降至≤16 W，制冷機進入控溫狀態后的穩態功率≤8 W，電功耗減少后，可延長續航時間。

另外，針對該項目探測器組件對可靠性的要求，對探測器的性能在以下兩個方面進行提升：一方面是提高抗沖擊振動能力，提高環境適應性；另一方面提高抗干擾能力。

4 氣體紅外監測技術風險分析和評估

4.1 環境適應性設計

4.1.1 多種復雜環境的適應性

煤制油工業現場環境復雜，監測儀主機所面臨的工作環境相當惡劣。同時，工業氣體常是多種氣體同時存在，報警容易受到干擾。因此，從組部件設計出發，有效提高各組部件的可靠性，進而提高監測儀整機的可靠性，增加其免維修間隔時間，是提高監測儀工作壽命的關鍵。

4.1.2 遙測裝置的環境溫度適應性

設備設計充分考慮了遙測裝置組合運輸、貯存、工業現場使用的環境條件和全壽命周期的環境剖面，同時兼顧現有技術水平和費效比，解決了監測儀低溫貯存和低溫工作的問題，對達不到溫度要求的激光器單獨加熱，使監測儀能夠滿足在環境溫度-35 ℃～50 ℃下貯存和工作的技術要求[3]。

4.1.3 云臺的環境適應性

該云臺在工作過程中不能很好地滿足監測儀的使用要求，尤其是在低溫工作時，常出現卡頓現象。根據監測儀的使用要求和工作環境要求，選用了滿足使用要求的重載變速云臺，并具備以下功能：機身具有足夠的強度和剛度，整體采用相應抗強風結構設計；云臺需要具有掉電自鎖功能，運行平衡，可360 °旋轉；內部電纜能夠抗大電流沖擊，在低溫時云臺仍然能夠平穩運行，不出現卡頓現象；由于紅外監測儀安裝使用環境多在室外或空曠的地方，云臺還具備防雷功能。

4.2 電磁兼容性設計

遙測裝置的電磁兼容符合性設計需要包括主機和云臺自身的電磁兼容性、電纜的電磁能量泄漏控制和系統接地措施等三個主要方面。

4.2.1 在電路設計方面，充分考慮了電路的電源完整性設計、信號完整性設計和整機輸入輸出信號濾波隔離設計，并結合電路仿真優化電磁兼容性。同時，在工藝上采用剛柔混合電路技術減少接插件和電路板數量，改善內部電路互聯方式，解決由此引起的板間線纜布線雜亂產生的串擾，以及線纜互聯方式不易解決的高速信號回路路徑過長導致的共模干擾難題。

4.2.2 電纜接線回路及屏蔽策略設計，選用符合標準要求的接插件解決主機和顯示控制器間電纜互聯的電磁密閉端接要求，并根據接口芯片信號傳輸阻抗要求，選用與之匹配的插頭/ 座和線纜類型，控制由于電纜阻抗失配引起的電磁能量泄漏。同時，對電纜采取適當的屏蔽護套設計，嚴格控制電纜各級屏蔽層的接地處理，提高電纜對高頻泄漏能量的抑制能力。

4.3 標準化、計量保證措施

在設計過程中，最大限度地采用了標準件、通用件、借用件、外購件，以提高產品的標準化程度。按照標準化大綱規定，貫徹了國家有關機械、電氣、光學、材料、試驗、可靠性、維修性等方面的標準，設計標準按國家專用標準、國家標準、行業標準、企業標準、國外標準的順序正確選用。通過認真貫徹執行標準化大綱，提高了產品的通用化、系列化、組合化水平。技術圖樣、文件的編制按標準化大綱等相關文件的要求，執行相關的國家標準和行業標準，做到正確、統一、文實相符，能客觀反映產品的技術狀態。

5 氣體紅外監測儀在煤制油現場的試驗

2020 年6 月下旬，利用紅外監測儀在煤制油現場進行了氣體鑒別訓練、高點探測、遠處探測等試驗。

第一試驗：氣體鑒別訓練。在煤制油廠前區噴灑氨水，利用煤制油紅外監測儀樣機進行了氨氣鑒別訓練試驗。氨水與監測儀試驗距離約100 m。

第二試驗：高點探測。將監測儀放置于煤制油裝置某個高點位置，呈俯瞰狀態，煤制油紅外監測儀樣機監測到裝置上方約294 m，水平距離1.15 km 處的硫化氫氣體。

第三試驗：遠處探測。將監測儀放置于廠前區地坪某個位置，呈仰視狀態，煤制油紅外監測儀樣機監測到距離裝置2.1 km 處氨氣。

通過以上試驗，檢驗了紅外監測儀的性能，表明其能夠滿足目前現場實際需求。但鑒于現場環境復雜，需要進一步檢驗設備滿足防塵、防雨及防爆等特殊要求的性能。

6 結 語

煤制油氣體紅外監測技術設計思路明晰，設計結果合理可行，研制技術和各項關鍵技術的實施途徑正確，是煤化工、環境監測、大型活動安防、工業園區監控等領域預防和避免事故一種新的解決方案。該系統在煤制油、煤化工易燃易爆及毒性氣體如氨氣、硫化氫、甲烷、一氧化碳，高壓輸變電六氟化硫監測等特殊領域具有廣闊的應用前景。