在天然氣開采、管道輸送等生產(chǎn)運(yùn)行中，容易引發(fā)事故的重大隱患之一是氣體以及有毒氣體的泄露,天然氣是易燃易爆氣體,主要包括甲烷(CH4),乙烷等烷烴氣體,有毒氣體主要是硫化氫(H2S),氮氧化合物等,甲烷在天然氣組分中，占有很高的比例。以松遼盆地為例，天然氣中的甲烷濃度在61.98%到98.34%之間。在一些天然氣井中伴生有硫化氫氣體,這對(duì)天然氣開采施工人員和附近的居民帶來了嚴(yán)重危害。同其它氣體測量技術(shù)，如電化學(xué)法，催化燃燒法，接觸反應(yīng)法，以及氣相色譜法等比較起來，紅外氣體檢測技術(shù)在檢測甲烷等氣體的泄露情況，具有極高的準(zhǔn)確性和靈敏度，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)測最范圍大，響應(yīng)時(shí)間快，不易受其它氣體干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此使用高精度，高靈敏度、穩(wěn)定耐用的在線或遠(yuǎn)程紅外氣體檢測設(shè)備，對(duì)保證天然氣企業(yè)的安全生產(chǎn),是具有重要意義的。
1、紅外氣體檢測原理
多數(shù)雙原子分子和多原子分子,在紅外光譜范圍里有其分子結(jié)構(gòu)所決定的特征吸收譜。因此可以根據(jù)氣體紅外吸收光譜的特點(diǎn)來獲得氣體的種類，濃度等信息。以甲烷氣體為例，在中紅外3.3微米和7.65循米附近存在兩個(gè)基本吸收光譜，在近紅外1.33微米和1.66微米分別存在組合頻帶和泛頻帶。紅外甲烷檢測基于甲烷氣體對(duì)紅外光吸收的原理，當(dāng)一定波長的紅外光通過被測氣體，氣體在其吸收譜線處吸收紅外光，在紅外探測器上便可以檢測出光強(qiáng)度的變化.根據(jù)Lambert-Beer定律可以得到氣體的吸收情況。
紅外氣體檢測技術(shù)包括直接吸收,光聲光譜,光纖傳感,可調(diào)諧激光二極管光譜(TDLS),波長/頻率調(diào)制光譜(WMS/FMS)等,這幾種方法可以單獨(dú)采用，也可以結(jié)合起來取長補(bǔ)短，以獲得更好的檢測結(jié)果。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的高精度測量，氣體分子吸收光諧在壓力或溫度變化時(shí)存在展寬或譜線強(qiáng)度的改變。為了獲得被測分子譜線的信息以及其它相關(guān)測量結(jié)果例如氣體濃度、壓力、溫度等,可以采用基于TDLS和WMS的精確測量氣體分子吸收譜線的方法。
2、紅外檢測技術(shù)在天然氣生產(chǎn)中的運(yùn)用
2.1監(jiān)測天然氣輸送儲(chǔ)運(yùn)過程
無論是長距離天然氣輸送管道,還是壓縮天然氣(CNG)儲(chǔ)運(yùn)，對(duì)甲烷氣體的泄露監(jiān)測都非常重要。其中對(duì)于天然氣管道泄漏的遠(yuǎn)距離安全巡檢是一個(gè)待解決的難題。在野外或城鎮(zhèn)環(huán)境下，受到地表樹木、土壤、巖石以及建筑物的影響.探測無法直接進(jìn)行,根據(jù)甲烷氣體分子質(zhì)量比空氣的平均分子質(zhì)量小的原理,天然氣管道中泄漏出的甲烷氣體向上漂浮在空氣中,并同空氣混合形成濃度較低的甲烷氣團(tuán)，紅外氣體檢測是目前在天然氣管道中進(jìn)行泄漏檢測的一種非常有效的方法。基于甲烷氣體紅外吸收原理的遠(yuǎn)距離遙感探測方法，可以在高空或近地表處實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏區(qū)城附近的甲烷探測，從而確定泄漏位置，為搶修提供最及時(shí)的幫助.采用TDLS和高頻WMS技術(shù)能夠克服空氣湍流對(duì)測量的影響,同時(shí)結(jié)合諧波檢測方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度甲烷氣體的實(shí)時(shí)探測。
基于光纖拉曼放大技術(shù)的近紅外甲烷傳感系統(tǒng)結(jié)合TDLS和WMS。對(duì)甲烷吸收譜線進(jìn)行掃描并采用諧波技術(shù)檢測。通過同時(shí)掃描甲烷吸收譜線和譜線之間的空白區(qū),并對(duì)空白區(qū)的噪聲以及光強(qiáng)度衰減情況進(jìn)行分析，能夠克服遠(yuǎn)距離測量中激光照射到地表物體后存在的嚴(yán)重光散射和光吸收等問題。
激光器輸出的1650nm的激光(甲烷氣體在1650nm附近存在強(qiáng)吸收譜線)經(jīng)過放大功率為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
氣團(tuán)對(duì)激光吸收后,剩余的激光照射在陸地表面,經(jīng)反射、散射之后的激光再次通過甲烷氣團(tuán),然后通過一個(gè)大的菲涅爾透鏡會(huì)聚到光電探測器上。該系統(tǒng)在100到150米的探測范圍內(nèi)可以獲得100ppm.m的探測靈敏度,系統(tǒng)信噪比大于3。能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的天然氣輸送管道泄露的高靈敏度檢測。
2.2對(duì)天然氣伴生硫化氫氣體的泄露監(jiān)測
硫化氫是一種常見的天然氣伴生氣體。在我國四川等海相沉積盆地的天然氣氣田中硫化氫所占的比例較高。本世紀(jì)初四川達(dá)州市的天然氣井曾經(jīng)發(fā)生三起天然氣泄露事件,伴隨天然氣一起泄露的硫化氫氣體造成了嚴(yán)重的人員傷亡。硫化氫是劇毒氣體,在空氣中濃度超過150ppm時(shí),對(duì)人的眼睛、呼吸道粘膜,嗅覺神經(jīng)造成損傷,當(dāng)濃度達(dá)到800ppm時(shí),對(duì)人的生命構(gòu)成威脅。泄露出的硫化氫氣體由于分子量34大于空氣平均分子量29，而不斷在地表沉積并四處擴(kuò)散,威脅附近居民的生命安全。現(xiàn)有的硫化氫檢測多采用化學(xué)方法,需要將儀器放在硫化氫氣體中或者對(duì)環(huán)境中的氣體進(jìn)行采樣來分析其濃度,既無法保證實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)威脅到檢測人員的安全。
遠(yuǎn)距離紅外甲烷檢測技術(shù),同樣可以應(yīng)用在對(duì)硫化氫的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)探測上。從HITRAN2008氣體分子紅外吸收光譜數(shù)據(jù)庫可以知道，硫化氫在2.6微米和7.7微米附近有較強(qiáng)的吸收帶
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