红外气体检测技术在天然气安全生产有哪些应用

近年来红外气体检测技术已经可以应用在天然气储运、中转及加工过程中，用来检测甲烷的泄漏情况。它具有极高的准确性和灵敏度，同时具有动态测量范围大、响应时间快、不易受其他气体干扰等优点。因此使用高精度、高灵敏度、稳定耐用的在线或远程红外气体检测仪，对保证石油天然气企业的安全生产具有重要意义。本文介绍了目前红外气体检测中常用的检测技术。描述了目前能够应用于复杂测量环境中的红外光谱测量技术，并以甲烷和硫化氢气体为例，分析了红外检测方法在天然气安全生产中的应用。

红外检测技术在天然气行业中的应用方面
1、监测天然气输送储运过程甲烷的泄漏
无论是长距离天然气输送管道，还是压缩天然气(CNG)储运，对甲烷气体的泄漏监测都非常重要。其中对于天然气管道泄漏的远距离安全巡检是一个亟待解决的难题。在野外或城镇环境下，受到地表树木、土壤、岩石以及建筑物的影响，探测无法直接进行。根据甲烷气体分子质量比空气的平均分子质量小的原理，天然气管道中泄漏出的甲烷气体向上漂浮在空气中，并同空气混合形成浓度较低的甲烷气团。

红外气体检测是目前天然气管道泄漏检测非常有效的方法。基于甲烷气体红外吸收原理的远距离遥感探测方法，可以在高空或近地表处实现对泄漏区域附近的甲烷探测，从而确定泄漏位置，为抢修提供最及时的帮助。采用TDLS和高频WMS技术能够克服空气湍流对测量的影响，同时结合谐波检测方法可以实现对低浓度甲烷气体的实时探测。

基于光纤拉曼放大技术的近红外甲烷传感系统结合TDLS和WMS，对甲烷吸收谱线进行扫描并采用谐波技术进行检测。通过同时扫描甲烷吸收谱线和谱线之间的空自区，并对空自区的噪声以及光强度衰减情况进行分析，能够克服远距离测量中激光照射到地表物体后存在的严重光散射和光吸收等问题。由此提高了系统的测量精度。　　

激光器输出的1650nm的激光(甲烷气体在1650nm附近存在强吸收谱线)经过放大功率为1w的拉曼放大器放大后，照射在地表上，地表附近泄漏出的甲烷气团对激光吸收后，剩余的激光照射在陆地表面，经反射、散射之后的激光再次通过甲烷气团，然后通过一个大的菲涅尔透镜会聚到光电探测器上。在100~150m的探测范围内可以获得71.4mg/m3的探测灵敏度，系统信噪比大于3。能够实现复杂环境下天然气输送管道泄漏的高灵敏度检测。英国苏格兰天然气管道系统采用上述方法进行天然气泄漏检测，但是此项技术目前在我国还没有正式的应用。

2、监测含硫化氢天然气的泄漏
现有的硫化氢检测多采用化学方法，需要将仪器放在硫化氢气体中或者对环境中的气体进行采样来分析其浓度，既无法保证实时监测，同时威胁到检测人员的安全。而远距离红外甲烷检测技术同样可以用在对硫化氢的远距离实时探测上。从气体分子红外吸收光谱数据库可以知道，硫化氢在2.6µm和7.7µm附近有较强的吸收带，在4µm处有相对较弱的吸收谱(图4)。在空气中检测随天然气泄漏的硫化氢气体，首先要克服空气中的水蒸气和残余的甲烷气体的干扰。水蒸气在2.6µm处存在强吸收谱，同时甲烷在7.65µm也存在比硫化氢吸上吹强度大几十倍的吸收谱线。

对泄漏在空气中的硫化氢气体进行远距离检测，空气中残留的甲烷、水蒸气的干扰不可忽略。红外光谱是分子振动一转动的特征谱线，不同分子因为化学键的不同，具有不同波长的吸收谱。同时气体分子的吸收光谱并不是连续分布的，而是在一个波长范围里离散的存在。谱线的宽度受到压力的影响而有不同程度的展宽，在不同的压力下具有高斯、Voigt,或者洛伦兹分布。气体分子的吸收谱线之间可以因为相近而存在交叠，或者由于分布较远而留有空自区。因此，通过洋细分析水蒸气、甲烷、硫化氢气体在不同波长下吸收谱线之间的交叠情况，来选择不受或者受水蒸气、甲烷吸收谱线影响较小的硫化氢吸收谱线，并以此来进行检测，从而确定出所要采用的光源波长、类型以及检测方法等。根据分子光谱数据库对硫化氢、水蒸气和甲烷分子吸收谱线进行分析之后选定的硫化氢吸收谱线，谱线为硫化氢吸收谱线附近的弱吸收强度的水蒸气或甲烷吸收谱线。　　

天然气泄漏后，因为分子质量的不同，甲烷向上漂浮，而硫化氢则向地表沉积。由于气体分子的扩散、对流，使得地面附近的硫化氢气团中混合有少量的甲烷气体。即使通过分析HITRAN分子光谱数据库，选择了低强度甲烷吸收谱线附近的硫化氢红外吸收谱，但是当较高浓度甲烷同低浓度硫化氢同时存在时，在7460.5nm附近的硫化氢的吸收依然会被甲烷的吸收信号所淹没，因此本文提出了一种新的数值分析方法，用来在甲烷干扰下提取出硫化氢的吸收情况。不同浓度甲烷和151.8mg/m3硫化氢共同存在时的吸收情况(红色曲线表示甲烷的吸收，蓝色曲线表示硫化氢的吸收，绿色曲线表示实际测量中测得的两种气体的总吸收)。

一般两种气体吸收谱线相互交叠，实际测得的吸收是两种气体共同的吸收结果。根据数据库给出的谱线信息和实际测量结果，选取3个特征点，通常选择总吸收的峰值和谷底数值。根据它们之间的相互关系建立起一个二元一次方程组，来计算甲烷和硫化氢的浓度，同时能够消除掉测量过程中环境或其他因索所引起的误差。　　

甲烷浓度越大时，测量结果的误差越大，对硫化氢的干扰越严重。但是误差能够控制在10%以下，依然可以获得较好的测量结果。在71.4mg/m3的甲烷干扰气体存在时，可以获得的最低可探测硫化氢浓度为15.2mg/m3，能够满足天然气工业中对于高含硫天然气开采、运输、加工等过程中的安全监测，保障工作人员和附近居民的健康安全。

对于天然气管道传输中甲烷气体泄漏，采用可调谐激光光谱技术结合波长调制技术，可以有效地克服远距离检测中激光照射到地表物体之后存在的严重光散射和光吸收所带来的系统误差，全方位地对输气管道进行监控;对含硫天然气井泄漏时溢出的硫化氢气体，通过分析调谐技术下获得的吸收谱线的特征，对存在甲烷干扰的情况下，通过选择吸收峰值和谷值来建立二元一次方程，在不同浓度甲烷气体的干扰下都能够同时计算出两种气体的浓度。在71.4mg/m3的甲烷干扰气体存在时，可以获得的最低可探测硫化氢浓度为15.2mg/m3，达到了安全生产的要求。以此技术对含硫化氢的天然气井建立从钻井到生产全过程全方位的监控设施，确保天然气生产的本质安全。由此可见，红外气体检测技术是一种有效的、高灵敏度的检测方法，在天然气行业的安全生产中有非常大的应用潜力。 

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