高含硫天然气集输管线泄漏激光遥感技术研究.pdf

2 0 0 8 年第2 2 卷第6 期 石油仪器 P E T R O L E U MI N S T R U M E N T S 计算机与通讯技术 高含硫天然气集输管线泄漏激光遥感技术研究‘ 常启海1 ’2 j 于殿强2 程希3 张 建2 1 ．胜利油田博士后工作站山东东营 2 ．胜利油田胜利工程设计咨询有限公司山东东营 3 ．中国石油测井有限公司陕西西安 摘要针对我国高舍硫天然气开发泄漏检测现状，利用激光光谱技术开展了天然气泄漏激光遥感监测技术研究。 研制出基于调制半导体激光吸收光谱原理的C H 4 ／H 2 S 泄漏激光遥感监测仪器，该仪器检测灵敏度2p p m ，遥感距离可达 lk m 。为我国高含硫天然气的安全开发提供了技术保证。 关键词高含硫天然气；泄漏；激光遥感；监测 中图法分类号T E 8 3 2 ．2 文献标识码B 文章编号1 0 0 4 ．9 1 3 4 2 0 0 8 0 6 。0 0 7 9 ．0 2 O引 言 J I I 东北天然气储量在全国总储量占有较大比重， 且较多高含H 2 s 和C 0 2 。高含H 2 s 天然气的强腐蚀和 氢脆使高含H 2 S 气田的开发过程发生泄漏的风险极 高。加大高含H S 天然气开发集输泄漏检测力度，是 目前我国高含H 2 S 天然气气田安全建设的重要工作 之一。用于天然气泄漏检测的传感技术采用化学、金 属氧化物等气体传感器。该类传感器存在传感介质易 失效和维护频繁的缺陷，不适用我国高含硫天然气开 发现场。针对我国天然气气田的特点，开展新型且适 用于我国高含硫天然气开发现场的气体传感器成为气 田安全建设急需解决的工作。 采用激光光谱技术实现气体的高灵敏度监测是当 前国内外研究的热点。利用激光技术形成的气体传感 器具有灵敏度高、无需标定、使用周期长和免维护的特 点[ 1 1 2 、3 】。特别是激光遥感的特点很适于有毒气体的 现场无人监测。本文介绍了调制半导体激光光谱进行 气体监测的原理，和基于此原理研制的多组份气体泄 漏激光遥感仪器的结构和性能。 l 调制半导体激光吸收光谱 T D L A S 技术原理 调制半导体激光吸收光谱简称T D L A S ，是T u n a b l e d i o d el a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r u m 的英文首字母缩写。基 于T D L A S 的气体传感器是一种主动光电产品。在遵 循B e e r L a m b e r t 定律条件下，该技术利用待检气体的 原子或分子吸收谱线对检测光源的调制吸收特性实现 待检气体种类识别和浓度测量。 图1 给出了基于T D L A S 原理的气体光电检测技 术的原理框图。如图1 所示，窄线宽调制半导体激光 器 T D L ，被双频率激光器驱动电源驱动，斜波用于整 个吸收谱线线形的扫描，高频正弦调制则是在谱线吸 收线形的基础上叠加高频调制信号。经这样一个双频 驱动源驱动的激光器即可实现有限范围的波长连续调 砷炉一十 圈1T D L A S 气体传感器原理框图 节。如果激光器和光电接收器的之间有待检气体存 在。就会产生如图1 中间所示的吸收谱线线形。谱线 的吸收信号经光电探测器 P D 接收后，分别经锁相放 大 又称相敏检测 进行调制吸收谱线信号各次谐波的 提取，信号各次谐波的线形参数与吸收气体的浓度成 比例。图l 用图示的方法分别给出了吸收信号的一 次、二次谐波锁相和低通解调后的信号形状。这样做 的原因是利用调制原理将信号与低频噪声分离提高信 噪比。另一方面，解调后的各次谐波信号的波形与原 始吸收波形的导数成正比 因此该种方法也成为导数 基金项目巾石化集团公司十条龙项目一“普光气田产能建设关键技术” 第一作者简介常启海，男．1 9 7 2 生．博士，2 0 0 5 年毕业于中科院研究生院。研究方向激光遥感检测技术、光电信号处理。邮编2 5 7 0 0 0 万方数据 石油仪器 80PETROLEUM I N S T R U M E N T S2 0 0 8 年1 2 月 光谱方法 。原始信号中的各种噪声因为这种导数关 系．而在高次谐波中为零，因此无需考虑电路中的噪声 问题[ 4 l 。 2 基于T D L A S 的多组份气体泄漏激光遥感 技术 川东北天然气多属高含硫气田，该类天然气强腐 蚀、剧毒，泄漏风险高。针对这样特点的高含硫天然气 和开发现场山地特征，采用传统的泄漏检测方式无法 高效、高灵敏度监测。根据国际上最新技术研究进展， 采用先进的T D L A S 技术，结合长光程开放光路技术、 微弱信号检测技术、和计算机软硬件技术，研制了一种 小型的天然气站场及天然气管线多组份C H 4 、H 2 S 气 体连续扫描、遥感监测与报警系统，实现高含硫天然气 站场大范围以及天然气管线长距离C H 4 、H 2 S 的实时 在线遥感检测。 在激光光源的选择上．利用价格便宜、性能稳定的 近红外D F B 激光器作为光源。根据尽量避免其它成 分谱线干扰和最大吸收系数的原则，通过H I T R A N 数 据库选择C H 。、H 2 S 吸收谱线相对应激光器波长分别 为1 ．6 5 4p ．m 和1 ．5 7 8 肚m 。 调制半导体激光器作为T D L A S 检测系统的一个 重要组成部分，对它的控制电路的设计是T D L A S 系统 设计的一个很重要的方面，它主要由激光器的温度控 制电路、电流控制电路、波长扫描信号发生电路和调制 信号发生电路组成。为了实现C H 4 和I { 2 s 的同时监 测，采用两台半导体激光器分别用于C H 4 和H 2 S 的吸 收光谱检测，由独立的温度和电流控制模块将波长调 谐到各自检测气体吸收线中心。两台半导体激光采用 相同的1 0k H z 正弦电流调制信号，由自行研制的分时 扫描信号发生电路产生的两路5 0 H z 间歇型锯齿信号 分另0 作用在两台激光器上，实现激光器波长的分时扫 描。在一个系统扫描周期内，一台激光的波长被扫描通 过检测气体的吸收线，而另一台激光保持在偏离吸收 线的固定波长上进行调制，两台激光器输出波长的扫 描交替进行。 在本系统中，采用二次谐波检测方法来对C H t 和 H 2 S 两种气体进行测量，需要很高的灵敏度和线性度， 因此采用高灵敏度I n G a A s 光电探测器和锁相放大器 相结合的信号检测方案。由锁相放大器组成的信号检 测电路工作采用了光电压模式，此时探测器处于零偏 状态，不存在暗电流影响，输出结果线性，具有较低的 噪声，光电二极管被应用到了极致，处于最灵敏的状 态，满足高精度测量的要求。 图2 给出了T D L A S 激光遥感检测原理框图。目 前遥感式的结构主要有收发合置结构、收发分置结构、 被动结构和开放式多次吸收池结构，通过成本、安装难 易程度以及光学加工等综合性能的考虑，确定了收发 图2T D L A S 激光遥感检测原理框图 合置并且接收望远镜与发射望远镜同轴的结构设计方 案。光学系统的选择，因为半导体激光器的发射功率 很小，只有1 0m w 。2 0m w ，而且它的发散角比较大， 发射光束直径很小，采用扩束系统来减小发散角，使光 能量的接收损失减少到最小。采用归一化光强的方 法，消除光强波动的影响。在遥感式的长光程系统中， 由于大气湍流、天气的变化以及环境温度等因素的影 响，都会引起接收的激光强度发生变化。从而影响测量 结果的准确度。因此，如何消除光强波动对检测结果 的影响是开放式长光程系统进行被测气体浓度精确测 量的关键问题。我们采用了简单而有效的归一化光强 的方法消除了这个问题，使由于光强波动造成浓度的 误差小于2 ％。 图3 和图4 分别给出了1p p m 、3p p m 和1 0p p m 浓度时，变光强条件下，采用光强非归一化处理和归一 糕 媳 趔 爱 采样点 ，。～’ ’r J ，，4 ， _ ，、‘6 √、，1 ， ，，- 、／．，，⋯，。o‘。 ‘’r - ‘，，一，＼一一、九～ 一v 、 产√、，、广、、，’小一n o ■，、 ■。～ 采样点 图4 光强归一化探测浓度处理结果 下转第8 2 页 万方数据 8 2 石油仪器 P E T R O L E U MI N S T R U M E N T S 2 0 0 8 年1 2 月 发生磁盘故障所引起的种种不便。 2 ．2 坏扇区转移 坏扇区是磁盘故障的主要原因，通常磁盘在读写 时发生坏扇区的情况即表示此磁盘故障，不能再作读 写。甚至有很多系统会因为不能完成渎写的动作而死 机，但若因为某一扇区的损坏而使工作不能完成或要 更换磁盘，则使得系统性能大打折扣，而系统的维护成 本也未免太高了，坏扇区转移是当磁盘阵列系统发现 磁盘有坏扇区时，以另一空白且无故障的扇区取代该 扇区，以延长磁盘的使用寿命，减少坏磁盘的发生率以 及系统的维护成本。所以坏扇区转移功能使磁盘阵列 具有更好的容错性，同时使整个系统有最好的成本效 益比。 S C S I 硬盘分别装在三个服务器3 3 1 0 中。而七个 1 4 7 G B 容量的硬盘则装在磁盘阵列s e c u b a y s 中，做成 R A I D S 。当S C S I 卡安装完毕且存储阵列连接之后。学 校就拥有了大容量的的存储器[ 4 】。 在使用S C S I 硬盘后，学校将8 0 ％的日常校务和 师生资料利用此存储方案管理。借助于S C S I 硬盘那 强大的l O p s I ／Op e rs e c o n d ．每秒I ／O 数 性能。以及 其令人信赖的稳定性，学校在短短的几个月内就实现 的无纸化资料数据管理，从而使得学校校的老师可以 将更多的精力投入到新的课题项目的开发中，并且取 得了骄人的成果，成为教育界内倍受关注的焦点。 总而言之，充分合理的利用磁盘阵列技术，对数据 处理和保存能力提供了极大地帮助。 3R A I D 5 应用实例及效果参考文献 自1 9 9 9 年开始，国内各大高校纷纷开始新生的扩 招工作，于是这些高校也必然面临着学生的骤增、聘任 老师增加和校务繁多的现象，而这对于原本可以支持 整个学校的数据管理的已经无法满足如此高负荷的数 据管理。为确保数据资料的完整有效，选择了S C S I 硬 盘A t l a s 系列、服务器3 3 1 0 、磁盘阵列s e c u b a y s 为其主 要的存储解决方案。管理技术人员使用S C S I 硬盘、服 务器3 3 l O 以及磁盘阵列s e c u b a y s 为装配整套的存储 系统，将高校内繁多的师生资料和繁重的校内事物利 用该套设备进行有效、快捷的管理。三个3 6 G B 的 【1 ] 王立平．一种数据高速存取及容错方案一R A I D [ A ] ．福建 省图书馆学会2 0 0 3 年学术年会论文集【C ] ．2 0 0 3 【2 】H a r r yM a s o n ．存储革命静悄悄[ J ] ．中国电子商情 基础 电子 ，2 0 0 7 ， 4 【3 ]孙社文．网络存储主流技术分析[ J ] ．北京工业职业技术 学院学报，2 0 0 5 ， 4 [ 4 J 张江陵，冯丹．海量信息存储[ M 】．北京科学出版社。 2 0 0 3 收稿日期2 0 0 8 0 9 一1 8 编辑梁保江 上接第8 0 页 化处理的结果。结果显示，归一化处理有效地消除了 外界背景光强变化对浓度检测值的显著影响。 3 结论 针对我国高含硫天然气开发泄漏检测现状，利用 激光光谱技术开展了天然气泄漏激光遥感监检测技术 研究。研制出基于调制半导体激光吸收光谱原理的 C H 。／H 2 S 泄漏激光遥感监检测仪器。该检测仪器为我 国高含硫天然气的安全开发提供了一种高灵敏度、选 择性单一、免维护的高效技术。该仪器检测灵敏度2 p p m ，遥感距离可达1k m ，且不受现场条件限制，适用 范围广。 参考文献 [ 1 】A ．R o c c o ，G ．D en a t a l e ，P ．D en a t M e ，e t ，a 1 ．．Ad i o d e l a s e r - b a s e ds p e c t r o m e t e rf o ri n s i t um e a s u r e m e n t so f v o l c a n i cg a s e s ．A p p l ．P h y s ．B ，2 0 0 4 7 8 [ 2 ] M ．P a n t a n i ，F ．C a s t a g n o l i ，F ．D ，A m a t o ，e t ，a J ．．T w o i n f r a r e dl a s e rs p e c t r o m e t e r sf o rt h ei ns i t um e a s u r e m e n to f s t r a t o s p h e r i cg a s c o n c e n t r a t i o n ．I n f r a r e d P h y s i c s T e c h n o l o g y ，2 0 0 4 4 6 【3 ] F ．D ’A m a t o ，P ．M a z z i n g h i 。F ．C a s t a g n o l i ．M e t h a n e a n a l y z e rb a s e do nT D L ’sf o r m e a s u r e m e n t si nt h el o w e r s t r a t o s p h e r e d e s i g na n dl a b o r a t o r yt e s t s ．A p p l ．P h y s ．B ， 2 ∞2 7 5 [ 4 ]S ．S e h f a r ，M ．M a s h n i ，J ．S n e i d e r ，e t ，a 1 ．．S e n s i t i v e d e t e c t i o no fm e t h a n ew i t ha1 ．6 5U md i o d el a s e rb y p h o t o a e o u s t i ca n da b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ．A p p l ．P h y s ．B ， 1 9 9 8 6 6 【5 】P ．W ．W e d e ，P ．M a z z i n g h i ，F ．D ’A m a t o ，e t ，a 1 ．．S i g n a l p r o c e s s i n ga n dc a l i b r a t i o np r o c e d u r e sf o ri ns i t ud i o d e l a s e r a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ．S p e c t r o c h i m i c aA c t aP a r tA 。2 0 0 4 6 0 收稿日期2 0 0 8 0 6 2 2 编辑姜婷 万方数据