移动激光甲烷遥测仪在天然气泄漏检测中的应用

蒋兴富，文红军，唐 华，田 烁，李慧婷

1.嵩明中石油昆仑燃气有限公司，云南嵩明 651700

2.天津市振津石油天然气工程有限公司，天津 300384

3.大连市艾科微波光电子工程研究有限公司，辽宁大连 116600

移动激光甲烷遥测仪在天然气泄漏检测中的应用

蒋兴富1，文红军1，唐 华1，田 烁2，李慧婷3

1.嵩明中石油昆仑燃气有限公司，云南嵩明 651700

2.天津市振津石油天然气工程有限公司，天津 300384

3.大连市艾科微波光电子工程研究有限公司，辽宁大连 116600

目前国内外大多数天然气管道泄漏检测仪都是近距离检测的，要求把探头置于燃气可能泄漏的环境中，探头与燃气需要直接接触，因此危险性很大；另外在人工实际巡检过程中经常也会遇到难以满足这些检测条件的情况，而应用移动激光甲烷遥测仪可以弥补传统检测技术的不足。介绍了移动激光甲烷遥测仪的工作原理、结构及特点，分析了激光遥测技术的优势，针对不同情况的燃气管道进行燃气泄漏检测试验。试验结果表明，移动激光甲烷遥测仪具有检测精度高（检测质量分数可达10-6以下）、响应速度快（0.01 s）、可遥测（30 m）等优点，可以对传统仪器无法检测的管网设施燃气泄漏进行方便、快捷、准确的检测，在解决燃气泄漏难题方面具有独特的优势，是现有检测仪器的有效补充。

天然气泄漏；激光甲烷遥测仪；检测

目前国内外大多数天然气泄漏检测仪都是用于近距离检测的，要求把探头置于燃气可能泄漏的环境中，探头与燃气需要直接接触，因此危险性很大。然而在实际巡检过程中经常会遇到难以满足这些条件的情况，而应用移动遥测式甲烷激光探测仪可以弥补传统检测技术的不足[1]。

1 激光甲烷遥测仪的工作原理[2-3]

激光甲烷遥测仪是基于可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，简称TDLAS）原理制造成的，TDLAS通常是用单一频率的窄带激光扫描出一条独立的气体吸收线，并利用可调谐半导体激光器的波长随注入电流而改变的特性，实现对分子的单条或几条距离很近很难分辨的吸收线的测量，并且具有速度快，灵敏度高的优点。在不失灵敏度的情况下，其时间分辨率可达ms量级。因为激光的分辨率高，检测精度高，因此可用于痕量气体监测分析。通过单片机控制电路对激光器进行电流调制，使激光器发出所需波长的激光，激光穿过气体监测区域后，到达反射面并被反射回激光探测器，若激光穿过的气体区域中存在被检测的特征气体，激光就将与该气体发生作用并被吸收，特征气体浓度越高，吸收量越大，激光探测器将监测到激光强度的变化并将其反馈至单片机控制电路进行处理，最终由信号输出电路将浓度结果显示出来，工作原理见图1。

图1 激光甲烷遥测仪电气原理示意

2 激光遥测技术的优势

2.1 与电化学/热催化传感器的比较

（1）激光遥测技术具有操作人员不中毒，传感器无老化，测量无交叉干扰等优势。电化学/热催化传感器通常是通过敏感元件直接和气体接触，而后通过这两者之间化学反应产生的热或电来进行检测的，它是一种消耗型传感器件，所以电化学/热催化传感器的使用寿命会随着检测气体的频率和浓度的增加而变短。基于化学反应的特点，电化学/热催化传感器对同类型的气体都会发生反应，没有唯一选择性，经常会引发误报警。由于化学反应对湿度、温度、压力以及环境气体很敏感，经常会因多种原因引起零点漂移，因而其校正周期极短，另外频繁的校正也使得传感器的使用成本大大增加。而激光式传感器则是一种无需与气体直接接触的光学探测器，因此不会发生人员中毒或传感器老化现象；此外，在常压条件下激光式传感器不受压力和湿度变化的影响，因而免调校。

（2）激光遥测技术可实现本质安全连续的状态监测。欧洲标准IEC 61508被认为是安全传感器的“最佳检验方法”。该标准要求所有设备功能性安全，并要求常年不断地对传感器状态进行监测。激光式传感器是通过监测光源的强度来完成对这一标准的监测的。由于任何测试都会影响电化学探测器和热催化传感器的使用效果，因而电化学/热催化传感器均不符合该标准。因此对具有爆炸危险性的装置或场所（如石油化工厂、天然气加气站、天然气门站等） 的经营者而言，将来使用激光式传感器来替换电化学/热催化传感器是一个必然的趋势。

（3）激光遥测技术具有高动态的测量范围。大多数的检测技术或者只能检测低浓度的气体（例如，电化学传感器检测的质量分数低于100×10-6），或者只能检测高浓度的气体（热催化传感器检测的质量分数范围在百分数范围之内）。而在很多实际应用中，高动态测量范围是必须的。在这种情况下，如果使用化学传感器进行检测，则需要安装不同测量范围的传感器，既增加成本，又不方便。而激光气体传感器的测量动态范围高达万倍，因此无需在同一个设备中使用多种不同的检测技术即可满足大部分测试范围的要求。

2.2 与红外传感器的比较

（1）激光传感器具有完全的气体分辨性。红外传感器和激光式传感器都是通过目标气体对红外光的吸收来进行检测的，但是，红外传感器只能实现相当弱的分辨率。红外传感器通过干涉滤光片过滤热辐射光源气体光谱的分辨率，大致上比可调谐二极管激光光谱中的激光分辨率弱一千倍。重叠的气体吸收光谱带会给红外传感器带来严重干扰，尤其是经常存在的水分吸收带带来的干扰。对于激光式传感器来说，这个问题将不复存在，为零交叉灵敏度。激光传感器无需标定，具有长期稳定性。红外传感器需要另外一个检测通道做参考以便监测光源的光强度，随着时间的推移，这个光源的光强会由于老化而不断改变。由于参考通道有一个单独的探测器和一个单独的窄带干涉滤光片，与测量通道相比较，不同的器件和不同的老化程度都会引起“零飘”，因此，红外传感器需要相对频繁的校准。激光式传感器使用了一种特殊的测量技术，与专有的电子产品相连接，每次测量时从检测信号中提取出光强度信号，因此无需参考通道或者频繁的常规矫正。

（2）激光传感器功耗低。红外传感器的热光源使用电能来产生强度光谱，光源通过滤光片，其中仅有一小部分的发射光被调谐到气体吸收波长，其大部分电功耗都被浪费掉。与此相反，激光式传感器中的激光二极管可以准确地发射出所需波长的光，仅消耗激光转化效率的最小值。

2.3 与傅里叶红外光谱分析仪的比较

傅里叶红外光谱分析仪主要用于实验室和一些工艺应用中的多种气体的测试。但是这种高精度、快速测量仪器的价格是激光式传感器的20～50倍。这种标准测试仪器有容易被污染的光学器件，要测量痕量气体的浓度（即质量分数为10-6级）是比较困难的。此外，他们对振动和冲击也非常敏感，需要由专业人士来操作，庞大的体积和高功耗不利于简单的OEM集成和便携式操作。

2.4 与固态传感器的比较

固态传感器对湿度敏感，通常对有毒气体选择性差，氧气含量的变化会导致不可靠的读数，在高气体浓度环境下会导致零气体度数和灵敏度的不可逆变化。相反，激光传感器则不与被测气体直接接触，其他气体的交叉灵敏度、湿度和含氧量对激光式传感器的影响几乎为零。固态传感器的操作需要在持续的高温下进行，这导致了巨大的功耗，且不适合作为便携式设备使用。而激光式传感器则具有功耗低的优点并方便生产安全人员巡检。

3 移动激光甲烷遥测仪的应用

通过我公司安全生产人员对新型检测设备的使用，针对常见场所以及以往检测困难或无法检测的燃气管道部位进行泄漏检测，并与传统检漏仪器设备的复检结果进行对比，总结出在各种使用环境下该仪器设备的适用性和性能特点。

3.1 架空管道的检测

嵩明龙河架空管道因检测位置特殊（检测距离在30 m范围内）且人员巡检时不易到达，因此决定使用移动激光甲烷遥测仪远距离对该管道的泄漏情况进行扫描，其中有两处管道位置是重点监测位置。将仪器发出的指示激光，扫描至可能发生泄漏的位置，再通过屏幕显示泄漏状况，未发现泄漏。上述检测结果与日常设备的检测和保压测试结果进行对比表明，激光探测仪与传统探测仪的检测结果是一致的。

3.2 埋地管道的检测

云南大学商学院嵩明校区庭院天然气管道的压力出现异常，经判断可能是燃气泄漏。采用移动激光甲烷遥测仪对其进行监测，当探测到该校区道路施工的挖掘现场时，仪器发出了报警声，经过仔细检测和逐步靠近定位，确定该处管道存在泄漏。后来经过了解发现，该位置管道泄漏是因道路施工时采用挖掘机进行余土清理，不慎将的管道损坏，从而造成燃气泄漏。

在埋地管道泄漏检修中，因泄漏的气体往往浓度过低而不易检测到泄漏点，采用移动激光甲烷遥测仪可检测到空气中质量分数低至5×10-6的甲烷气体，从而可对泄漏点进行准确定位。

3.3 在天然气门站等场站的应用

移动激光甲烷遥测仪可配合360°旋转云台使用，利用周围墙面/地面等常见反射物作为反射面进行测量，系统实时记录下检测区域的甲烷浓度信息，并与常规作业下的浓度进行比较，当测试浓度超过预警值时则启动报警。该系统具有灵敏度高、无人值守和运行成本低等优点，因此激光遥感探测仪在石油化工等领域也将具有广阔的应用空间。

4 结束语

移动激光甲烷遥测仪具有检测精度高（气体质量分数可达10-6以下）、响应速度快（0.01 s）、可遥测（30 m） 等优点，可以对传统仪器无法检测的管网设施的燃气泄漏进行方便、快捷、准确的检测。现场应用表明，移动激光甲烷遥测仪在解决燃气泄漏难题方面具有独特的优势，是现有检测仪器的有效补充。

[1]夏慧，刘文清，张玉钧，等.基于菲涅耳透镜开放光路天然气泄漏检测系统设计研究[J].光谱学与光谱分析，2009，29（3）：844-847.

[2]张帆，张立萍.红外吸收光谱法在气体检测中的应用[J].唐山师范学院学报，2005，27（5）：62-64.

[3]吴晓南，胡镁林，商博军，等.城市燃气泄漏检测新方法及其应用[J].天然气工业，2011，31（9）：98-101.

Application of Portable Remote Methane L eak Detector in Natural Gas L eakage Detection

JIANG Xingfu1，WEN Hongjun1，TANG Hua1，TIAN Shuo2，LIHuiting3
1.Songming PetroChina Kunlun FuelGas Co.，Ltd.，Songming 651700，China
2.Tianjin Zhenjin Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China
3.Daliang Aike Microwave Photoelectron Engineering Research Co.，Ltd.，Dalian 116600，China

The sensors of most domestic natural gas pipeline leakage detectors are required to be placed in the environment with possible gas leakage，therefore it has great risk.Sometimes，the actual detection condition does not meet the requirement.The portable remote methane leak detector can solve this problem.The working principle，structure，feature and technical advantages of this detector are introduced in this paper.The detections are carried out for different fuel pipelines.The results show that the portable remote methane leak detector possesses the advantages of high accuracy（less than 10-6in mass fraction），quick response time（0.01 s） and long telemetry distance（30 m）.It can implement convenient，quick and accurate gas leakage detection for pipeline network equipment where conventional detectors are difficult to approach.

naturalgas leakage；portable remote methane leak detector；detection

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.019

蒋兴富（1980-），男，重庆人，经济师，注册安全工程师，2009年毕业于四川大学工商管理专业，现从事城镇天然气管理方面的工作。Email：zec_qinxiaoyong@163.com

2016-07-16