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红外气体检测技术在天然气安全生产中的应用

红外气体检测技术在天然气安全生产中的应用

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。本文分析了红外气体检测技术的原理,介绍了目前红外气体检测中常用的检测技术。洋细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。

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3.3m和7.65m附近存在两个基本吸收光谱,在近红外1.33m和1.66m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出光强度的变化。根据Lambert-Beer定律可以得到气体的吸收情况:

  式中I0是入射光强度;I(v)是气体吸收之后的光强度;L是气体的吸收长度;C是气体浓度,mg/m3;α(v)是在频率v处的吸收系数,cm-1。

  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((TDLS)、波长/频率调制光谱(WMS/FMS)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。其中:1直接吸收光谱技术是最早采用的一种检测方法。根据Lambert-Beer定律,气体对光的吸收与气体吸收长度成正比,光程越长,气体的吸收越多,得到的检测灵敏度和准确性越好;2光纤传感技术利用气体在近红外区的泛频带或合频带,以近红外激光二极管(LD)为光源,利用光纤进行光传输,易于实现长距离分布式传感,同时不会受到电磁辐射的干扰。此外光纤传感器系统在易燃易爆气体环境下工作是本质安全的;3光声光谱技术(PAS,photoacousticspectroscopy)基于光声效应,同其他红外吸收技术相比,PAS是间接的测量技术。气体分子对光的吸收通过非辐射跃迁过程,在气体中产生瞬态温度变化,然后转化为压力变化,用电介质微音器或基于微机电系统(MEMS)的压力传感器来探测声波,从而获得气体的吸收情况。

  对于复杂环境下的高精度测量,气体分子吸收光谱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,最近有人提出了一种新的基于TDLS和WMS的精确测量气体分子吸收谱线的方法。基于TDLS-WMS的气体检测系统不需要附加其他的温度、压力传感器,是一种不需要校准的技术。

 2、红外检测技术在天然气行业中的应用

 2.1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[5],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。红外气体在线监测


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关键词: 便携式红外气体分析仪,FTIR,红外气体在线监测

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