紅外氣體檢測技術在天然氣安全生產中的應用

在天然氣開采、管道輸送等生產運行中，容易引發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,這對天然氣開采施工人員和附近的居民帶來了嚴重危害。同其它氣體測量技術，如電化學法，催化燃燒法，接觸反應法，以及氣相色譜法等比較起來，紅外氣體檢測技術在檢測甲烷等氣體的泄露情況，具有的準確性和靈敏度，同時具有動態測最范圍大，響應時間快，不易受其它氣體干擾等優點，因此使用高精度，高靈敏度、穩定耐用的在線或遠程紅外氣體檢測設備，對保證天然氣企業的安全生產,是具有重要意義的。
1、紅外氣體檢測原理

多數雙原子分子和多原子分子,在紅外光譜范圍里有其分子結構所決定的特征吸收譜。因此可以根據氣體紅外吸收光譜的特點來獲得氣體的種類，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紅外光吸收的原理，當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度的變化.根據Lambert-Beer定律可以得到氣體的吸收情況。

紅外氣體檢測技術包括直接吸收,光聲光譜,光纖傳感,可調諧激光二極管光譜(TDLS),波長/頻率調制光譜(WMS/FMS)等,這幾種方法可以單獨采用，也可以結合起來取長補短，以獲得更好的檢測結果。對于復雜環境下的高精度測量，氣體分子吸收光諧在壓力或溫度變化時存在展寬或譜線強度的改變。為了獲得被測分子譜線的信息以及其它相關測量結果例如氣體濃度、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、紅外檢測技術在天然氣生產中的運用

2.1監測天然氣輸送儲運過程

無論是長距離天然氣輸送管道,還是壓縮天然氣(CNG)儲運，對甲烷氣體的泄露監測都非常重要。其中對于天然氣管道泄漏的遠距離安全巡檢是一個待解決的難題。在野外或城鎮環境下，受到地表樹木、土壤、巖石以及建筑物的影響.探測無法直接進行,根據甲烷氣體分子質量比空氣的平均分子質量小的原理,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，紅外氣體檢測是目前在天然氣管道中進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距離遙感探測方法，可以在高空或近地表處實現對泄漏區城附近的甲烷探測，從而確定泄漏位置，為搶修提供最及時的幫助.采用TDLS和高頻WMS技術能夠克服空氣湍流對測量的影響,同時結合諧波檢測方法可以實現對低濃度甲烷氣體的實時探測。

基于光纖拉曼放大技術的近紅外甲烷傳感系統結合TDLS和WMS。對甲烷吸收譜線進行掃描并采用諧波技術檢測。通過同時掃描甲烷吸收譜線和譜線之間的空白區,并對空白區的噪聲以及光強度衰減情況進行分析，能夠克服遠距離測量中激光照射到地表物體后存在的嚴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附近存在強吸收譜線)經過放大功率為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

氣團對激光吸收后,剩余的激光照射在陸地表面,經反射、散射之后的激光再次通過甲烷氣團,然后通過一個大的菲涅爾透鏡會聚到光電探測器上。該系統在100到150米的探測范圍內可以獲得100ppm.m的探測靈敏度,系統信噪比大于3。能夠實現復雜環境下的天然氣輸送管道泄露的高靈敏度檢測。

2.2對天然氣伴生硫化氫氣體的泄露監測

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。本世紀初四川達州市的天然氣井曾經發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重的人員傷亡。硫化氫是劇毒氣體,在空氣中濃度超過150ppm時,對人的眼睛、呼吸道粘膜,嗅覺神經造成損傷,當濃度達到800ppm時,對人的生命構成威脅。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散,威脅附近居民的生命安全。現有的硫化氫檢測多采用化學方法,需要將儀器放在硫化氫氣體中或者對環境中的氣體進行采樣來分析其濃度,既無法保證實時監測，同時威脅到檢測人員的安全。

遠距離紅外甲烷檢測技術,同樣可以應用在對硫化氫的遠距離實時探測上。從HITRAN2008氣體分子紅外吸收光譜數據庫可以知道，硫化氫在2.6微米和7.7微米附近有較強的吸收帶