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[摘 要]现有的电化学和红外光学等传感器，由于使用寿命短、频繁定标和易受干扰等原因，不适用于封闭隧道内运行管道的安全监测。针对普光高含硫天然气管道穿越隧道段现场的特点，研制出基于可调谐半导体激光光谱的隧道用CH4/H2S泄漏激光检测仪器，主要检测指标：灵敏度20×10-6，响应时间小于1s，遥测距离1km。文章介绍了该检测仪器的工作原理、技术方案及试验效果。
[关键词]天然气；泄漏；激光监测；隧道
中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0083-01
含硫天然气是天然气资源的重要组成部分[1]，全球几乎所有发现的气藏中或多或少都含有硫化氢。我国含硫天然气分布也很广泛，几个主要的气田都有含硫天然气分布。目前在建的普光气田就是高含H2S、富含CO2的酸性气田。由于地处山地、丘陵地带，且人口密集，因此，普光气田集输站场、管道的运行安全尤为重要。
特别是穿越隧道的集输管道，因施工完成后处于封闭状态而难于进行有效的运行安全监测，造成潜在风险因素增大。高含硫天然气的易燃、易爆以及剧毒特性使其危害性巨大，因此，天然气开发安全保障成为一个急需解决的问题。遏制重大事故发生和减少事故损失的一个重要措施，是对生产环境和运输环境的气体浓度进行快速检测，给出早期预警。
现有的电化学和红外光學等传感器[2]，由于使用寿命短、频繁定标和易受干扰等原因，不适用于封闭隧道内运行管道的安全监测。针对普光高含硫天然气田管道穿越隧道段现场的特点，开展了隧道高含硫天然气管道泄漏激光监测技术研究。
一、工作原理
天然气管道泄漏监测仪器采用了可调谐半导体激光光谱（TDLAS）技术[3]，该技术是近年发展起来的一种新型的气体检测技术，具有灵敏度高、精度高、选择性强、响应速度快等特点，其技术关键之一是使用了可调谐二极管激光器作为光源，利用二极管激光器的窄线宽和可调谐等特性，对待测分子在特定光谱范围内的一条转振谱线的光谱吸收进行测量，并可以把待测分子与背景的干扰区分开来。
特别是在近红外波段，由于光通讯和消费电子领域的广泛应用[4]，这个波段的气体半导体技术已经成熟，可在室温下工作，并且结构紧凑，能耗低，特别适合于对痕量气体进行浓度检测。波长调制光谱技术（WMS）是TDLAS中一种重要技术，与直接检测透射光强相比，WMS频率调制方法可以将检测灵敏度提高100倍以上。TDLAS测量痕量气体浓度是基于对气体分子吸收线的探测，而吸收线的频率及线形是气体分子的固有特性，气体对在吸收线波长处的激光具有明显的吸收作用，而在其他波长处无明显吸收，利用激光器波长调谐，将输出激光的波长调谐到待测气体吸收线的波长，通过对被测气体的特征吸收区的扫描，实现对特定气体的浓度检测。其基本原理由比尔-朗伯定律给出。当一束光强为I0的平行光通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为I，遵循BeerLambert吸收定律：
I（v）=I0（v）exp（-σ（v）NL）
式中I0——没有气体吸收时的强度；
L——样品池的光路长度；
σ（υ）——气体分子在波长υ处的吸收截面；
N——吸收气体的摩尔浓度。
二、技术方案及特点
1、技术方案
系统采用了开放式长光程技术[5]：可调谐半导体激光光源发出的激光由光学发射单元射出，经过中间的测量区域后，由角反射镜反射，由角反射镜射出的光束与入射光束平行并平移一定距离，反射回来到达光学接收系统。采用发射光束和反射回来的光束完全同轴的方式，将发射和接收光学系统合并到一起，结构更紧凑。开放式长光程技术能实现隧道管道的区域监测。
隧道用激光遥感检测仪器采用了稳定可靠的长寿命激光器[6]，使用寿命大于5年。采用卡塞格林式接收结构和角锥反射器阵列，减小光学系统产生的误差，提高遥感光程。收发光学结构采用同轴放置。为了进一步降低系统噪声对信号的影响，采用调制频率为数十赫兹的高频调制。在遥感式的长光程系统中，大气湍流、天气的变化以及环境温度等因素的影响，会引起激光强度的变化，影响测量结果准确度。因此，采用了简单而有效的归一化光强的方法消除这个问题，使浓度的测量误差小于2%。
2、TDLAS测量气体浓度的特点
（1）安全性。由于激光的输出功率仅为毫瓦级，对人无任何影响[7]。在现场的测量位置，除了激光的输入和输出外没有任何电子元件，不会产生安全隐患。
（2）准确性。利用分子的吸收线来实现对其浓度的测量，消除了其他任何气体的干扰，一种波长的激光光束限定只能检测一种气体的浓度，TDLAS的窄线宽特性和可调谐特性保证了测量的准确性，有利于后期的数据处理。
（3）遥测。只需要将激光穿过待测气体就实现了对浓度的测量。
（4）快速。DFB激光器的波长调谐极限为1ms左右，也就是说，最快可以实现1ms测量一个浓度值，这使该技术用于某些分子的实时在线检测成为可能。
（5）可靠性。由于使用的是光通讯中所使用的激光器和其他部件，在寿命和性能的可靠性方面是完全可以信赖的。
（6）实用性。只要调谐激光波长并改变标气，就可以从一种大气分子的测量转换成另一种大气分子的测量，也可以多种成分同时测量。
三、结束语
可调谐半导体激光光谱（TDLAS）技术具有灵敏度高、精度高、选择性强、响应速度快等特点，基于TDLAS研制出的隧道用CH4/H2S泄漏激光检测仪器，其主要检测指标：灵敏度为20×10-6，响应时间小于1s，遥测距离可达1km，为我国高含硫天然气的开发提供了一种高灵敏度、选择性单一、免维护的安全泄漏监测装备。
参考文献
[1] 天然气泄漏开放式激光遥测技术研究[J].原辉，张哲民，汪冰冰，刘晓波，赖薇.工业安全与环保.2010（10）.
[2] 高含硫天然气集输管线激光检测技术研究[J].常岐海，于殿强，董金婷，张建.油气田地面工程.2009（01）.
[3] 忠武输气管道山岭隧道研究[J].陈文国，王金喜，陈文备.油气储运.2007（07）.
[4] 天然气管道泄漏可调谐二极管激光遥感探测的研究[J].樊宏，高晓明，鲍健，王霞，黄腾，黄伟，曹振松，张为俊.光谱学与光谱分析.2006（08）.
[5] 危险气体泄漏的光学遥测技术及其进展[J].刘秀，王岭雪，金伟其，王霞.红外技术.2009（10）.
[6] 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].夏慧，刘文清，张玉钧，阚瑞峰，崔益本，王敏，何莹，崔小娟，阮俊，耿辉.光谱学与光谱分析.2009（03）.
[7] 天然气输送管道泄漏事故危害定量分析[J].徐亚博，钱新明，刘振翼.中国安全科学学报.2008（01）.
[关键词]天然气；泄漏；激光监测；隧道
中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0083-01
含硫天然气是天然气资源的重要组成部分[1]，全球几乎所有发现的气藏中或多或少都含有硫化氢。我国含硫天然气分布也很广泛，几个主要的气田都有含硫天然气分布。目前在建的普光气田就是高含H2S、富含CO2的酸性气田。由于地处山地、丘陵地带，且人口密集，因此，普光气田集输站场、管道的运行安全尤为重要。
特别是穿越隧道的集输管道，因施工完成后处于封闭状态而难于进行有效的运行安全监测，造成潜在风险因素增大。高含硫天然气的易燃、易爆以及剧毒特性使其危害性巨大，因此，天然气开发安全保障成为一个急需解决的问题。遏制重大事故发生和减少事故损失的一个重要措施，是对生产环境和运输环境的气体浓度进行快速检测，给出早期预警。
现有的电化学和红外光學等传感器[2]，由于使用寿命短、频繁定标和易受干扰等原因，不适用于封闭隧道内运行管道的安全监测。针对普光高含硫天然气田管道穿越隧道段现场的特点，开展了隧道高含硫天然气管道泄漏激光监测技术研究。
一、工作原理
天然气管道泄漏监测仪器采用了可调谐半导体激光光谱（TDLAS）技术[3]，该技术是近年发展起来的一种新型的气体检测技术，具有灵敏度高、精度高、选择性强、响应速度快等特点，其技术关键之一是使用了可调谐二极管激光器作为光源，利用二极管激光器的窄线宽和可调谐等特性，对待测分子在特定光谱范围内的一条转振谱线的光谱吸收进行测量，并可以把待测分子与背景的干扰区分开来。
特别是在近红外波段，由于光通讯和消费电子领域的广泛应用[4]，这个波段的气体半导体技术已经成熟，可在室温下工作，并且结构紧凑，能耗低，特别适合于对痕量气体进行浓度检测。波长调制光谱技术（WMS）是TDLAS中一种重要技术，与直接检测透射光强相比，WMS频率调制方法可以将检测灵敏度提高100倍以上。TDLAS测量痕量气体浓度是基于对气体分子吸收线的探测，而吸收线的频率及线形是气体分子的固有特性，气体对在吸收线波长处的激光具有明显的吸收作用，而在其他波长处无明显吸收，利用激光器波长调谐，将输出激光的波长调谐到待测气体吸收线的波长，通过对被测气体的特征吸收区的扫描，实现对特定气体的浓度检测。其基本原理由比尔-朗伯定律给出。当一束光强为I0的平行光通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为I，遵循BeerLambert吸收定律：
I（v）=I0（v）exp（-σ（v）NL）
式中I0——没有气体吸收时的强度；
L——样品池的光路长度；
σ（υ）——气体分子在波长υ处的吸收截面；
N——吸收气体的摩尔浓度。
二、技术方案及特点
1、技术方案
系统采用了开放式长光程技术[5]：可调谐半导体激光光源发出的激光由光学发射单元射出，经过中间的测量区域后，由角反射镜反射，由角反射镜射出的光束与入射光束平行并平移一定距离，反射回来到达光学接收系统。采用发射光束和反射回来的光束完全同轴的方式，将发射和接收光学系统合并到一起，结构更紧凑。开放式长光程技术能实现隧道管道的区域监测。
隧道用激光遥感检测仪器采用了稳定可靠的长寿命激光器[6]，使用寿命大于5年。采用卡塞格林式接收结构和角锥反射器阵列，减小光学系统产生的误差，提高遥感光程。收发光学结构采用同轴放置。为了进一步降低系统噪声对信号的影响，采用调制频率为数十赫兹的高频调制。在遥感式的长光程系统中，大气湍流、天气的变化以及环境温度等因素的影响，会引起激光强度的变化，影响测量结果准确度。因此，采用了简单而有效的归一化光强的方法消除这个问题，使浓度的测量误差小于2%。
2、TDLAS测量气体浓度的特点
（1）安全性。由于激光的输出功率仅为毫瓦级，对人无任何影响[7]。在现场的测量位置，除了激光的输入和输出外没有任何电子元件，不会产生安全隐患。
（2）准确性。利用分子的吸收线来实现对其浓度的测量，消除了其他任何气体的干扰，一种波长的激光光束限定只能检测一种气体的浓度，TDLAS的窄线宽特性和可调谐特性保证了测量的准确性，有利于后期的数据处理。
（3）遥测。只需要将激光穿过待测气体就实现了对浓度的测量。
（4）快速。DFB激光器的波长调谐极限为1ms左右，也就是说，最快可以实现1ms测量一个浓度值，这使该技术用于某些分子的实时在线检测成为可能。
（5）可靠性。由于使用的是光通讯中所使用的激光器和其他部件，在寿命和性能的可靠性方面是完全可以信赖的。
（6）实用性。只要调谐激光波长并改变标气，就可以从一种大气分子的测量转换成另一种大气分子的测量，也可以多种成分同时测量。
三、结束语
可调谐半导体激光光谱（TDLAS）技术具有灵敏度高、精度高、选择性强、响应速度快等特点，基于TDLAS研制出的隧道用CH4/H2S泄漏激光检测仪器，其主要检测指标：灵敏度为20×10-6，响应时间小于1s，遥测距离可达1km，为我国高含硫天然气的开发提供了一种高灵敏度、选择性单一、免维护的安全泄漏监测装备。
参考文献
[1] 天然气泄漏开放式激光遥测技术研究[J].原辉，张哲民，汪冰冰，刘晓波，赖薇.工业安全与环保.2010（10）.
[2] 高含硫天然气集输管线激光检测技术研究[J].常岐海，于殿强，董金婷，张建.油气田地面工程.2009（01）.
[3] 忠武输气管道山岭隧道研究[J].陈文国，王金喜，陈文备.油气储运.2007（07）.
[4] 天然气管道泄漏可调谐二极管激光遥感探测的研究[J].樊宏，高晓明，鲍健，王霞，黄腾，黄伟，曹振松，张为俊.光谱学与光谱分析.2006（08）.
[5] 危险气体泄漏的光学遥测技术及其进展[J].刘秀，王岭雪，金伟其，王霞.红外技术.2009（10）.
[6] 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].夏慧，刘文清，张玉钧，阚瑞峰，崔益本，王敏，何莹，崔小娟，阮俊，耿辉.光谱学与光谱分析.2009（03）.
[7] 天然气输送管道泄漏事故危害定量分析[J].徐亚博，钱新明，刘振翼.中国安全科学学报.2008（01）.