基于TDLAS的增强型气体检测新技术.pdf
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1、Jul,20232023年7 月AUTOMATIONINDUSTRY石自动油Vol.59,No.4第59 卷化第4期化基于TDLAS的增强型气体检测新技术唐伟,马云,袁艺朗,张毅,古冉1(1.中国石油西南油气田分公司安全环保与技术监督研究院,四川成都6 10 0 0 0;2.梅思安(中国)安全设备有限公司,江苏苏州2 150 0 0)摘要:可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是一种在二极管激光器波长调制与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的新型气体检测方法。介绍了TDLAS技术的工作原理,并列举了其固有的技术缺陷,以及因此导致的在石化行业中的应用限制。通过对比分析增强型激光二极管吸收
2、频谱技术(ELDS)和TDLAS的应用表明,ELDS技术克服了TDLAS的技术缺陷和应用限制,能够实现对于可燃性碳氢类化合物和蒸气,以及多种有毒有害气体进行快速、高精度、高选择性地在线检测,真正实现零误报、零漏报、零维护。关键词:可调谐半导体激光吸收光谱;增强型激光二极管吸收频谱;激光;自校准;气体检测中图分类号:TH744.4文献标志码:B文章编号:10 0 7-7 32 4(2 0 2 3)0 4-0 0 8 1-0 4A New Enhanced Gas Detection Technology Based on TDLASTang Wei,Ma Yunli,Yuan Yilang,Zh
3、ang Yil,Gu Ran(1.Safety,Environmental Protection and Technical Supervision Institute of PetroChinaSouthwest Oil and Gas Field Company,Chengdu,610000,China;2.MSA(China)Safety Equipment Co.Ltd.,Suzhou,215000,China)Abstracts:Tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)is new gas detection methodb
4、ased on the combination of tunable diode laser absorption spectroscopy and long-pathabsorption cell technology.The working principle of TDLAS is described.Applicationlimitation caused by the inherent technical defects of TDLAS in petrochemical industry areintroduced.Through the comparing the applica
5、tion conditions of the enhanced laser diodespectroscopy(ELDS)with TDLAS,it indicates ELDS overcomes the technology defects andapplication limitation of TDLAS.The on-line test with fast response speed,high accuracy andhigh selectivity for combustible carbon-hydrogen compound,steam,and many toxic and
6、hazardsgas can be realized.The zero false alarm,zero missing alarm and zero maintenance are achieved.Key words:tunable diode laser absorption spectroscopy;enhanced laser diode spectroscopy;laser;self-calibration;gas detection中国高含硫天然气累计探明储量约占国内天然气总储量的17%,其中90%都集中在四川盆地。高含硫天然气开发面临腐蚀性强、毒性大等风险,在开发过程中一旦发生
7、泄漏事故,往往会造成灾难性的后果。因此,需要建立可靠、高效、全面的天然气泄漏监测系统,及时、准确、有效发现泄漏险情,以便能够及时采取措施来避免泄漏的扩大,减少造成更大事故的概率,提高气体泄漏时的应急响应能力。目前天然气田生产过程中的泄漏监测,主要是采用设置固定点式可燃、有毒气体探测器的方式,对环境气体中可燃、有毒气体浓度进行连续监测,达到尽可能及时、准确地在泄漏发生时发出警报并具体提供泄漏相关信息的目的。传统的固定点式可燃、有毒气体探测器的研究和应用已经有几十年的历史,为了满足不同的应用场景,开发出了多种基于不同原理传感器的气体探测器,其中应用广泛的有半导体式、催化燃烧式、电化学式、光离子化(
8、PID)几种类型。不同原理的气体探测器各有特点,以上几种类型为代表的传统气体探测器均在不同程度上存在反应速度慢(6 0 s以内)、泄漏首次检出率低(低于50%)、稿件收到日期:2 0 2 3-0 2-0 9,修改稿收到日期:2 0 2 3-0 5-16。作者简介:唐伟(198 3一),男,四川南充人,2 0 0 6 年毕业于西南石油大学石油工程专业,获学士学位,现就职于中国石油西南油气田分公司安全环保与技术监督研究院,从事安全仪表检测工作,任高级工程师。82第59 卷石油化工自动化使用寿命短(普遍在13a)等问题,在石油天然气生产现场的应用效果并不理想1本文通过新旧激光吸收频谱技术特点的对比分
9、析 2 ,探索了先进的激光气体检测技术在实时、精确检测硫化氢气体和酸性气体方面的技术优势和应用适应性,结合已经完成的项目实践,阐述激光气体检测技术如何能够有效支撑、保障含硫天然气的开发。可调谐半导体激光吸收光谱技术1.1可调谐半导体激光吸收光谱技术原理可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)属于光谱学领域中的吸收光谱学,专门研究各类物质的吸收光谱的产生以及它们之间的相互作用。吸收光谱的范围很广:10 nm10 0 0 m,有的呈现为连续吸收态,称为一般吸收光谱;有的则显示出一个或多个吸收带,称为选择吸收光谱。所有物质都有其独特的吸收光谱,当一束具有连续波长的光通过物质时,光束中的某些成分便会
10、有所减弱,当被吸收的光束由光谱仪生成光谱时,就可以得到该物质的吸收光谱 2 1TDLAS是一种利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区,在二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的新型气体检测方法。它已经发展成为一种高灵敏度、高分辨率、高选择性以及快速响应的气体检测技术 3。具体来说,半导体激光发射出特定波长的激光束穿过被测气体时,被测气体对激光束进行吸收导致激光强度衰减,激光强度的衰减与被测气体浓度成正比。因此,通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度 4根据朗伯-比尔(LambertBe e r)定律,单一频率的辐射光通过待测气体后,光强度I(v 1)如式(1)所
11、示:I(vi)=I。(v i)e x p -o(v i)c L(1)(vi)=Sd(vi)(2)式中:I。(v i)气体吸收前光的强度;o(i)气体吸收截面,是吸收线强与线型函数的积,表示气体在辐射光单一频率 1处的吸收线型;L吸收路径的长度;C气体浓度;S一一分子的吸收线强,与温度有关,与压力无关;(v)吸收线性函数。吸收截面、线型和线宽都依赖于压力和待测气体的浓度。在大气压力下,分子谱线的加宽以压力展宽为主,可用洛伦兹线型近似表示 3由于在近红外波段,气体的吸收系数很小,满足o(v)cL1,此时式(1)可以简化如式(3)所示:I(vi)=I。(v)1-S(v i)c L(3)在波长调制光谱
12、中,通常在激光器的输入电流上叠加一个正弦分量以实现对激光输出波长的调制。设调制信号的频率为V2,则由激光输出的瞬时频率如式(4)所示:Vi=V+md,cos(v2t)(4)式中:V。调制的中心频率;m调制系数;、气体吸收线频率的半高半宽;t时间。透射光强是周期性偶函数,可以被展开成为傅里叶级数(余弦),同时忽略伴随波长调制所产生的残余幅度调制(RAM),则ScLI。元A。(v e,m)=pv+mo,cos(vzt)Jd(v2t)元0(5)2ScLI。元A,(ve,m)=dLv+元mo,cos(v2t)Jcos(nv2t)d(v2t)((6)式中:n傅里叶级数的序列。式(5)与式(6)表明,各个
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