谭春波
（国家管网集团广东省管网有限公司，广东 广州 51000）
摘要：介绍了激光式甲烷检测技术的相关原理，并与其它传统甲烷检测技术相比较，可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)以其响应速度快、灵敏度高、维护成本低等优点必将得到广泛应用；并对扫描式激光甲烷检测仪在某天然气分输站的实际应用效果进行了分析。
关键词：TDLAS 天然气站场泄漏监测 光谱吸收 实际应用分析
1概述
管道输气是天然气的主要运输方式，天然气管道运输将是今后相当长时间内国家能源发展战略，而输气站场是整个管输天然气系统的枢纽，由于目前我国大多数输气管道站场工艺区为露天、敞开区域，天然气泄漏后难以及时发现，因此为燃气站场提供稳定灵敏、准确实时的天然气泄漏检测技术十分重要。
近几年来，随着窄线宽半导体激光器技术的飞速发展，使得可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS- Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)甲烷检测技术逐步成熟。该技术对天然气泄漏检测技术的发展具有重要意义，比较传统天然气泄漏检测技术性能更优越，更能满足对无人站智能监测的需要。
2基于TDLAS的激光甲烷检测技术
2.1 与传统检测技术的比较
到目前为止，己有许多技术可实现甲烷检测。检测方法可分成传统检测方法和光谱吸收检测方法。基于技术原理的不同，传统的检测方式又可细分为催化燃烧型、电化学型和非色散红外型（NDIR）等。
催化燃烧型：催化燃烧型传感器主要由桥式电路和气敏元件组成，具体原理是甲烷和空气中的氧气受催化发生氧化反应，在检测元件敏感体表面无焰燃烧，释放热量导致敏感体温度升高，检测元件阻值因此发生改变，桥式电路失去平衡产生电流，通过测量该电流信号即可判定检测气体的浓度。基于该技术的甲烷检测仪具有结构简单、价格便宜、只对可燃气体有反应不受非可燃气体干扰，而且输出信号接近线性，易于处理。但该技术也存在在可燃气体范围内，无气体选择性，且有引燃爆炸的风险，检测精度一般检测范围窄，且高浓度甲烷和硫化物会对传感器产生中毒作用从而使检测仪失效因此需要经常性标定，易出现零漂和灵敏度漂移的情况。
电化学型：待测气体和敏感元件接触，与敏感元件发生氧化或还原反应产生电流，该电流大小与待测气体浓度成比例关系，测量得出电流大小即可反推得到气体浓度。基于此原理制造的甲烷气体检测仪灵敏度较高，但基于化学反应的特点，电化学传感器气体选择性较差，易受干扰，此类检测仪经常发生误报警。
非色散红外检测型：非色散红外气体传感器是用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，因为并没有对光进行分光处理，故称为非色散红外。红外检测技术和光谱吸收检测技术基本原理是一样的，都是通过不同气体分子对近红外光色谱选择吸收特性来进行检测。相比激光式传感器，红外传感器的分辨率相当低，其光谱分辨率大概比可调二极管激光光谱中的激光分辨率弱一千倍。且红外检测技术易受干扰，例如水汽吸收带来的重叠气体吸收色谱问题就会严重干扰检测结果，激光式传感器就不存在这个问题。且红外传感器相较与激光式传感器需要相对频繁的校准。
表1将光谱吸收技术与上述多种甲烷检测技术在实际监测中的多项主要性能指标进行了比较，可以看出，光谱吸收技术远优于传统检测方法。
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2.2 光谱吸收检测技术的种类
目前，光谱吸收气体检测技术主要包括差分吸收光谱DOAS技术、傅立叶变换红外吸收光谱FTIR技术、可调谐二极管激光吸收光谱TDLAS技术。
差分吸收光谱DOAS技术的基本原理就是利用气体的窄带吸收特性来辨别气体组分，并根据窄带吸收强度来推得气体浓度。该技术检测过程中易受气溶胶和水汽影响，检测结果可靠性较低。
傅里叶变换红外吸收光谱技术是利用气体吸收激光后产生的干涉图样，通过傅里叶变化把干涉图转换到频谱上，实现对气体浓度的检测。该技术在长光程条件下检测时，精度可以更高，达到ppb数量级。但该技术也易受其他气体和水蒸气的干扰，而且相较别的光谱吸收气体检测技术，其体积更大，检测速度更慢。
可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）是利用气体分子对红外激光的选择性吸收，生成特定光谱的原理来检测出气体的组类和浓度大小。该技术对天然气泄漏检测技术的提升非常大，具有不受其它气体干扰的特性，还有效克服了水蒸气、粉尘等因素的干扰。相较与其它气体检测技术，TDLAS技术具有高选择性、灵敏实时、稳定性高、实用性强等优点。
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2.3激光甲烷检测仪的种类
基于TDLAS的激光甲烷检测仪技术产品已多种多样，分类主要有光纤分布式、反射式和扫描式等，其检测原理相同，但检测方式和适用场所有所差异。光纤分布式特点是可以实现无源气体泄漏检测，其防爆性能优越，但由于其检测方式为点式，故监测效率低。反射式检测方式是线性检测，扫描式可实现“三维”立体检测，监测效率更高。
2.4 TDLAS技术原理
TDLAS技术主要是利用不同气体分子具有不同的光谱吸收特征，光源的发射谱和气体的吸收谱重合的部分才能被吸收，被吸收后的激光光强发生变化，激光强度衰减和待测气体浓度有关，通过测量吸收光强度再分析即可得出待测气体浓度。
基本原理：Lambert-Beer 定律。单一频率的辐射光通过待测气体后，其强度会因分子吸收而衰减：
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其原理图如下：
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图1 TDLAS技术原理图
在具体应用中，TDLAS技术检测甲烷气体浓度主要通过利用调节可调谐半导体激光器的注入电流，使光源发出一定波长的激光穿过被检测气体，射到终端后被某物（如墙体、管道或栏杆等）部分反射回探测器被检测到，再通过波长调制光谱技术，可极大程度上降低甚至消除气溶胶、噪声等环境因素的干扰，使该检测技术实现抗干扰能力强、灵敏、稳定、实时准确等优点。
TDLAS技术在气体检测方面，对比传统气体检测技术性能突出。基于TDLAS技术的气体检测仪不存在零点漂移、量程漂移以及中毒失效等问题，维护成本低寿命更长。其在气体类管道泄漏、环境监测等方面已逐渐成为首选技术。
3扫描式激光甲烷检测技术在天然气站场的实际应用
某天然气分输站工艺区泄漏检测和监测以往都是以固定式和便携式设备为主备。便携式泄漏检测设备主要应用于工人巡检过程中对设备“跑、冒、滴、漏”的检查，固定式泄漏检测设备主要应用于大场景下危险介质泄漏的预警。而站场点式、线式等固定式检测设备存在泄漏检测反应滞后、泄漏点定位困难等缺点，便携式检测设备人工巡检工作量大。这种传统模式下的检测和监测方式，难以满足我们对智能化站场的需求。
在该天然气分输站站安装一套云台扫描式激光甲烷遥测仪，用来对站内可燃气体泄漏进行实时的在线监测，增强该站的安全监控能力。
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3.1性能参数
该云台扫描式激光甲烷遥测仪是基于可调谐激光光谱吸收（TDLAS）原理而研发的一款新型气体探测器，以固定安装、自动扫描的方式，对作业场所内多个预设位置的天然气浓度进行非接触式测量，结合实时视频图像，可以全方位监测气体泄漏，定位泄漏的大体位置。通过后台软件可以实时监测相关数据及视频图像，后台软件可将浓度信息、报警信息、方位等信息通过数据接口服务传输给站控系统SCADA系统。
表3为该型号基于TDLAS的扫描式激光甲烷遥测仪的主要性能参数。
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3.2可燃气体检测报警布置方案
该输气站属于狭长分布，长度约80米，为保证良好的检测范围覆盖，激光检测仪应设置在尽量居中位置。根据现场勘测和可行性分析，激光检测仪宜设置在站场办公室门口右侧的草地中，与高杆灯的固定位置平行。
安装位置及布线示意图见下图：
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图2云台扫描式激光甲烷遥测仪布置图
3.3 实际运行效果分析
该站曾装设过5组对射式可燃气体探测器和1台点式可燃气体探测器，对射式可燃气体探测器运行期间多次发生因地质沉降等原因导致发射机、接收机安装位置变化，光道发生偏移，导致信号强度变低，数据远传错误；如果发射机和接收机之间光道被栏杆、脚手架挡住，信号被遮挡也会出现数据远传错误。 点式可燃气体检测器性能较好，但易受干扰，零漂现象多，运行期间多次发生过滤网脏，无法过滤微小颗粒进而影响监测结果发生误报的情况。
在该输气站同时安装了一台激光云台和1台点式可燃气体探测器和一组对射式可燃气体探测器，两个月期间激光云台共测出2处微量泄漏点，分别为2200ppm·m、1100ppm·m（期间每次运行至微源均能测到连续数值），2处都为新发现位置。输气站后期均进行了维修作业，排除了隐患，在此期间点式、对射式设备均未触发报警；分析原因是因为点式、对射式可燃气体探测器监测区域在工艺区上方，微量天然气泄漏飘散至监测区域后，由于浓度低因此点式和对射式可燃气体探测器未检测到，从而未发出报警。
点式、线式固定可燃气体检测设备一般都是采用电化学原理，利用气体扩散特性进行检测的，当待测气体扩散到设备感应单元发生化学反应后才会发生报警。基于基本原理的原因，该类技术设备存在相应缺陷，例如在使用期间，现场点式固定可燃气体检测设备多次发出及时报警，发现工艺区设备微泄漏问题，但该设备难以确定泄漏位置，报警后常常只能依靠输气工使用便携式泄漏检测仪确定泄漏位置。扫描式激光甲烷检测仪探测到的甲烷浓度值超报警阈值时，测量模块会指向报警点位置并持续监测30秒（可修改），帮助确认泄漏位置，迅速投入后续应急处置。
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图3激光甲烷泄漏监测系统效果图
扫描式激光甲烷检测仪的后台软件具有历史警情功能，会保存相应有效警情记录，并显示报警点图，回放报警时刻前后30秒的监控录像。该功能的合理应用帮助解决了过去工艺区输气设备泄漏点难以量化监测，排查泄漏点隐患问题。
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图4激光甲烷泄漏监测系统历史警情
比较过去以固定式和便携式可燃设备混合使用，该云台扫描式激光甲烷遥测仪稳定可靠，使用寿命长，精度高、免标定、不受环境影响等特征带来的实用效果更加显著。基于TDLAS的扫描式激光甲烷遥测仪和后台系统监测终端组成了一个有效整体，极大地提高集中监视的效率，为站场设备的稳定可靠运行提供重要保障，更能满足我们对站场安全监控的需要。
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3.3.1实现了超前预警，提高了天然气泄漏监测效率
扫描式激光甲烷检测仪在预设好巡检路径后，能够实时 24 小时无死角监测泄漏，实时获得甲烷浓度数据，与传统的催化燃烧式或点式红外吸收型探测仪相比，其检测精度更高、响应时间更短，真正做到了天然气微泄漏的检测水平，在工艺区管道或阀门在发生微泄漏或较大泄漏的起始阶段即可进行预警，实现了超前预警。在两个月的监控检测过程中，两次及时对工艺区天然气泄漏做出快速响应，确定泄漏位置，从源头杜绝泄漏带来的危害和损失，未曾发生过误报，监控效率显著提高。
3.3.2运行成本低，契合无人站发展方向
与传统的电化学式、催化燃烧式探测器相比，激光探测仪检测原理更先进，不会因长期使用，出现检测结果不准确，多误报多故障的情况，其可靠性更高、故障率更低、使用寿命长且维护成本相对较低，巡检人员只需定期到站开展设备巡查和维护工作。扫描式激光甲检测仪集成化、信息化程度高，契合未来站场实现“无人操作、有人值守”智能化管理模式的发展理念。
3.3.3 优化站场的安全环境
大部分的天然气泄漏探测器如电子探测器、电化学催化燃烧和红外吸收传感器等，这些设备由于自身带电原因，在易燃易爆等特殊环境中应用时存在安全隐患，而扫描式激光甲烷检测仪探测器可远距离遥测，其供电线路无需进入工艺区，更符合易燃易爆场所的防爆安全，优化了天然气站场的安全环境。
4结语
激光式甲烷遥测仪相较于其他甲烷检测仪具有更多优势，其具有的检测精度高，响应速度快，维护成本低等优势极大提高了天然气站场监测效率，为保障站场安全，优化运营方式奠定了坚实基础。使用激光式甲烷检测仪取代各类传统检测仪是一个必然的趋势。
参考文献
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[4]技术资料，上海波汇科技有限公司提供.