红外气体检测技术在天然气安全生产中的应用

在天然气开采、管道输送等生产运行中，容易引发事故的重大隐患之一是气体以及有毒气体的泄露,天然气是易燃易爆气体,主要包括甲烷乙烷等烷烃气体、有毒气体主要是硫化氢氧化合物等，甲烷在天然气组分中，占有很高的比例。以松辽盆地为例，天然气中的甲烷浓度在61.98%到98.34%之间。在一些天然气井中伴生有硫化氢气体,这对天然气开采施工人员和附近的居民带来了严重的危害。同其它气体测量技术，如电化学法，化燃烧法接触反应法，以及气相色谱法等比较起来，红外气体检测技术在检测甲烷等气体的泄露情况，具有极高的准确性和灵敏度，同时具有动态测Z范大，响应时间快，不易受其它气体干扰等优点，因此使用高精度，高敏度、稳定耐用的在线或远程红外气体检测设备，对保证天然气企业的安全生产是具有重要意义的。

1、红外气体检测原理

多数双原子分子和多原子分子在红外光谱范围里有其a分子结构所决定的特征吸收谱。因此可以根据气体红外吸收光谱的特点来获得气体的种类，浓度等信息。以甲烷气体为例，在中红外3.3微米和7.65循米附近存在两个基本吸收光谱，在近红外1.33微米和1.66微米分别存在组合频带和泛频带。红外甲烷检测基于甲烷气体对红外光吸收的原理，当一定波长的红外光通过被测气体，气体在其吸收谱线处吸收红外光，在红外探测器上便可以检测光强度的变化.根据Lambert-Beer定律可以得到气体的吸收情况。

红外气体检测技术包括直接吸收、光声光谱、光纤传感可调谐激光二极管光谱，波长/频率调制光谱等这几种方法可以单独采用，也可以结合起来取长补短，以获得更好的检测结果。对于复杂环境下的高精度测量，气体分子吸收光谐在压力或温度变化时存在展宽或谱线强度的改变。为了获得被测分子谱线的信息以及其他相关测量结果例如气体浓度、压力、温度等，可以采用基于TDLS和WMS的精确测量气体分子吸收谱线的方法。

2、红外检测技术在天然气生产中的运用

2.1监测天然气输送储运过程

无论是长距离天然气输送管道,还是压缩天然气(CNG)储运，对甲烷气体的泄露监测都非常重要。中对于天然气管道泄漏的远离安全检是一个待解决的难题。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在天然气管道中进行泄漏检测的一种非常有效的方法。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城附近的甲烷探测，从而确定泄漏位置，为抢修提供Z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,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检测通过同时扫描甲烷吸收谱线和谱线之间的空白区并对空白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。

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，地表附近泄露出的甲烷。

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,然后通过一个大的菲涅尔透镜会聚到光电探测器上。该系统在100到150米的探测范围内可以获得100ppm.m的探测灵敏度,系统信噪比大于3能够实现复杂环境下的天然气输送管道泄露的高灵敏度检测。

2.2对天然气伴生硫化氢气体的泄露监测

硫化氢是一种常见的天然气伴生气体。在我国四川等海相沉积盆地的天然气气田中硫化氢所占的比例较高。本世纪初四川达州市的天然气井曾经发生三起天然气泄露事件伴随天然气一起泄露的硫化氢气体造成了严重的人员伤亡。硫化氢是剧毒气体,在空气中浓度超过150ppm时，对人的眼睛、呼吸道黏膜、嗅觉神经造成损伤,当浓度达到800ppm时，对人的生命构成威胁。泄露出的硫化氢气体由于分子量34大于空气平均分子量29.而不断在地表沉积并四处扩散,威胁附近居民的生命安全。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。

远距离红外甲烷检测技术,同样可以应用在对硫化氢的远距离实时探测上。从HITRAN200气体分子红外吸收光谱数据库可以知道，硫化氢在2.6微米和7.7米附近有较强的吸收带。

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