车载天然气泄漏检测装置的结构设计

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(1.中国安全生产科学研究院，北京 100012；2.重大危险源监控与事故应急技术国家安全监管总局重点实验室，北京 100012；3.中国石油大学(北京)，北京 102249)

车载天然气泄漏检测装置的结构设计

贺行政1，2，李旭明1，3，康荣学1，梁伟3，任贵文1

(1.中国安全生产科学研究院，北京 100012；2.重大危险源监控与事故应急技术国家安全监管总局重点实验室，北京 100012；3.中国石油大学(北京)，北京 102249)

为了设计出灵敏高效的车载天然气泄漏检测装置，分析了国内外天然气泄漏检测系统的发展现状，选择可调谐半导体激光器技术(TDLAS)作为检测系统结构的设计基础。根据车载系统移动特点，选择合适的气体采集方式以构建检测系统的整体设计方案。对该装置的光路结构进行了创新设计，即，调制激光器的扫描信号，通过使用HITRAN数据库选择甲烷的吸收谱线，设计精密温控模块，并用不同体积分数的甲烷气体充入标定池中进行试验，证明其合理性。原理性工程测试结果表明，该装置具有检测灵敏度高、防爆性能良好、结构简单等优点，在天然气管道泄漏检测领域可以推广使用。

天然气；泄漏检测；TDLAS；光路结构

Abstract：In order to design a sensitive and efficient vehicle natural gas leak detection device，in this paper the development status of domestic and international gas leak detection system are analyzed，tuneable diode laser technology (TDLAS) as the basis for the design of the detection system is chosen.According to the moving characteristics of the vehicle system，it selects the appropriate gas acquisition method to build the overall design of the detection system.The innovative design of the optical path structure is carried out.It is modulated laser scanning signal，selected the absorption spectrum of methane by using HITRAN database，designed a precision temperature control module，and used different concentrations of methane gas into the calibration tank for testing to prove its rationality.After the principle of Engineering Testing，the results show that the device has the advantages of high sensitivity，good explosion-proof performance，simple structure and so on.The device can be widely used in the field of natural gas pipeline leakage detection.

Keywords：natural gas；leak detection；TDLAS；optical path structure

天然气在管道运输过程中易发生泄漏，在处于封闭环境中的甲烷浓度达到危险值时，遇到火星或静电就会发生爆炸。石油天然气管道泄漏事故不但会造成巨大的人员伤亡和财产损失，而且将严重危及社会安全。天然气泄漏检测系统的研发是阻止这类灾害发生的重要手段[1]。国外早期的车载天然气检测设备笨重、昂贵，真正商业应用还是以火焰离子法为主。近十多年来，可调谐半导体激光器技术不断成熟，在车载系统检测领域应用广泛。美国PERGAM-SUISSE AG公司生产的SELMA MPB系统的测量范围为0.71×10-1～0.67×103kg/m3(0.1～1 000 ppm，ppm为体积浓度)，检测时间为0.08 s，属于泵吸式；美国HEATH CONSULTANTS的OMD产品系列测量范围为0.67～1.33×102kg/m3(1～200 ppm)，属于扫掠式；德国ESDER的EGC产品系列测量范围为0～2.67×104kg/m3(0～40 000 ppm)，检测时间为2～3 s，属于泵吸式。近几年，国内在车载天然气泄漏检测领域的应用才起步，各地燃气公司所引进的国外进口产品大多采用泵吸式检测[2]。泵吸式是对待测区域气体进行抽气采样，此方式需要考虑到泵的流量和车速，并且耗时长。针对这一现状，国内首创研发了使用TDLAS技术的车载天然气泄漏检测系统，该系统采用自然扩散的收集气体形式进行结构设计，传感器只需放置在空气中有效距离内，具有检测速度快、准确率高、结构合理、适用多种作业场合、设备方便清洗等优点。

1 具有TDLAS技术的气体检测装置工作原理

目前，Hinkley和Reid所提出的测量气体浓度信息的新方法已经被广泛采纳，而利用该技术的检测装置大体可以划分为3部分：发射端、检测光路和接收端[3]。工作原理如图1所示，调整二极管激光器发出的光波，通过准直器准直，在开放光路中扫描某待测气体的吸收峰，再通过聚焦透镜汇聚到探测器上以便收集并锁相放大得到二次谐波信号，最后对信号进行分析就可以得到所关注的气体浓度信息。

图1 气体泄漏检测装置的工作原理

使用TDLAS技术进行气体泄漏检测具有明显优势：TDLAS技术采用的是单一的激光频率扫描1条独立的气体吸收线。为了保障所需线宽，一般选择在低压下进行，所以吸收线不会被加宽；该技术具有高选择性和高灵敏度，利用擅长处理数字信号的数字锁相来进行二次谐波调节，使波长到达待测气体分子吸收的特殊区域，而不受其它气体分子的干扰[4]；在红外条件下，该技术是对所有可以吸收的气体分子都有效的通用技术，只需改变激光器和标准器就可以用此设备测量其它气体组分，改装成测量多种气体的仪器[5]；该技术测量速度很快，在不降低灵敏度的同时可以把时间分辨率提高到毫秋量级[6]。以上所述的优良特性使其在分子光谱研究、燃烧过程诊断分析、工业过程监测控制、大气中痕量污染气体监测、爆炸检测、发动机效率和机动车尾气测量等领域都有广泛的应用。

2 车载天然气泄漏检测系统设计

结合实际场所要求，本装置应能够装载在车上，并可以在雨雪、强风等恶劣环境下工作，在保证工作人员机动性的同时做出准确的检测。当待测气体浓度超标后，装置能够及时发出警报，工作人员可立即把情况反馈给指挥中心。

2.1检测装置整体结构的设计方案

整个装置设计安装于车前保险杠的前下方，设备的控制系统放在车内，通过电缆保护套中的电缆与设备通信，控制探测器的开闭。两块连接板与基座构成支撑架，光学仪器与支撑架另一端的反射纸固定座与压盖上的反射纸构成直接取样的光路，光学仪器里的探测器接收反射光线，通过电缆保护套与控制系统通信，控制系统对比判断出入光线的不同，判定被测气体的含量。光学仪器头部上的镜头前方设有吹气孔，可以清洁镜头，吹气孔的位置位于探测器镜头前方，正对镜头处。其中，光学仪器的外套筒保护和平面镜盖的保护作用使设备具有防水、防尘性能，能够在多种恶劣场合作业。装置整体结构如图2所示。

图2 气体泄漏检测系统的组成

2.2光路结构设计方案

2.2.1光路机械结构设计

光学子系统采用的是反射式的光路结构，此结构由二极管激光器、PD(PhotoDiode)、迷你准直器、聚焦透镜和反射纸组成。

激光器经过迷你准直器而形成光束，根据迷你准直器的尺寸在透镜中心开有圆孔，光束通过透镜与平面镜由开放光路射到反射镜上，又返回到探测器中，以达到延长与外界环境接触时间、增加光程长度，从而提高探测器的灵敏度。返回的光路再通过聚焦透镜收集到装有PD的光敏面板上。在设计方面，平面镜有一定倾斜度，使光路不会来回反射而影响到接收效果。紧压平面镜的是一面带有相同倾斜角度经过黑化处理的金属圆环，从而保证圆环的另一面放上透镜后其圆心在水平位置。考虑到透镜和环境等因素会使聚焦位置改变，拧紧两个相互平行的接线头滑轨，使接线头安装板沿滑轨移动，PD到达所需位置。固定完成后安装防护罩，外套筒的上部打有一圆孔引线，通过接线座将线接入。此外，在探测器不工作时，需要把光敏面板移动到接线头滑轨的上限位置，然后锁定其位置，这样可以方便车载设备的清洗和加强探测器的安全防护。探测器的结构组成如图3所示。

2.2.2激光器扫描信号调制

TDLAS技术包括直接吸收光谱技术和调制吸收光谱技术。激光器应用波长调制光谱(WMS)技术，通过的电流受到减速的扫描锯齿信号和加速的高频正弦信号同时影响。激光器发射的光束经过标定池，吸收信号在峰值附近调谐，其调谐结果通过锁相放大进行观测，以得到待测气体的信息。由此看来，调节吸收光谱比直接吸收光谱技术具有更高的检测精度，从而减少误差，用户对待测气体做出准确判断。

本系统应用FPGA控制注入电流以实现对激光器波长的控制，同时由FPGA实现了锁相放大功能，解调出了二次谐波信号。在光谱吸收线微弱时测量困难，二次谐波能够提高测量的精度。此种信号通过传输通道，采样TDLAS光谱参数时其强度会衰减，使用250 kHz高频和16位模拟I/O控制板可以提供更宽的动态范围。

2.2.3吸收线的选择和准直器的加工

首先要了解甲烷的吸收光谱，通过使用HITRAN数据库查询气体的吸收谱线获得。甲烷气体在近红外区，温度为23 ℃，波数为6 000～6 100 cm-1。选择了几个强吸收线进行对比[7]，结果如表1所示。

表1 甲烷近红外区的强吸收线

选择波数为6 046.96 cm-1，波长为1563.72 nm的甲烷吸收线。在波数为6 000～6 100 cm-1范围内，其他干扰气体的吸收峰远小于1.34 um，所以不会对检测有影响。

准直器的使用波长为1 563.7 nm±10 nm，输出光纤类型为单模。为了得到满足要求的光斑，选择型号为SMF28e的光纤，其数值孔径为0.14 mm。根据式(1)得

D=2f×d=2×17.86×0.14=5 mm

(1)

式中：D为光斑的直径，mm；f为透镜的聚焦长度，mm；d为光纤的数值孔径，mm。

光线的透过率保证在99%以上，封装的外壳外表面不反光，对于从其周围通过再测量的光线无影响。为了减少反射，光纤接头选择FC/APC[8]。外形尺寸如图4所示。

图4 准直器外形尺寸

PD可以测量二极管激光器所发出的光强，二者相配合使用[9]。

2.2.4精密温度模块设计

考虑到激光器输出的波长对温度特别敏感，温度稳定在0.001 ℃量级是其正常工作的必要保证，所以本装置采用一个相对独立的温控模块使激光器处于恒温条件。

本系统中温控模块的工作原理为：温度探测器对被测的物体进行温度采样，所获得温度信号会反馈到控制芯片中。控制芯片会进行PID算法，把样本与标准的对比结果转换为控制信号，通过驱动电路进行信号转换，得到TEC的驱动电流，驱动电流使TEC做出温度调整：正向电流表明温度升高，TEC实现制冷操作，使被控物体温度降低；反向电流表明温度降低，TEC实现制热操作，使被控物体温度升高。温度补偿技术对系统的稳定至关重要，把温度模块放置在车内，以光纤连接控制前端设备[10]。

2.2.5系统测试

为了证明系统测量甲烷气体浓度与显示器的波峰成线性关系，对体积分数为0～6%的甲烷气体进行主要测试。

将标定池抽成真空架在光路上，再灌入不同体积分数的甲烷气体(因条件限制可以把灌装甲烷气体持续充入标定池以排除空气的方式获得接近标准的某甲烷气体体积分数)。图5所示为甲烷体积分数为5%时数据曲线波动情况。

屏幕左下角的黄色标识为0点，每一小段间隔500 mV。试验测得，当甲烷气体体积分数为0%时，在1.50 V位置呈现一条水平带轻微波动的曲线；体积分数为1%时，呈现出1.65 V的波峰；体积分数为2%时，呈现出1.76 V的波峰；体积分数为3%时，呈现出1.92 V的波峰；体积分数为4%时，呈现出2.04 V的波峰；体积分数为5%时，呈现出2.23 V的波峰；体积分数为6%时，呈现出2.50 V的波峰。由以上测量的波峰数据绘制成分布曲线，如图6所示。

图5 甲烷体积分数5%时的曲线波动

图6 波峰值随甲烷气体体积分数变化趋势

可以看出，数据均匀分布在曲线两侧，满足随机误差理论。整条曲线呈线性上升态势，证明甲烷气体体积分数与显示器显示的检测峰值呈线性关系，因此显示的数据对甲烷气体体积分数测定具有很大的参考价值。

TDLAS探测器将甲烷气体体积分数峰值传输到控制箱，若超出预设范围，控制箱里的蜂鸣器会发出报警音以提示工作人员及时处理，实现防爆[11]。

3 天然气检测系统的实际应用

结合硬件系统(电源模块、GPRS通讯模块等)和软件系统(报警声音控制模块、定位模块等)，完成了对整个天然气泄漏检测系统的设计。本系统在设计完成后做了大量的试验研究，试验结果表明该系统具有很好的稳定性，采集的数据准确可靠，能快速发现周围环境中存在的微量甲烷泄漏，可以快速告知操作人员做出相应处置。

本系统在北京市燃气管道公司试验路段开展了原理性工程测试，基本实现了甲烷泄漏检测的功能要求。试验过程中，工作人员在城市道路中操作移动巡检终端移动，同时在道路前方，放置一瓶甲烷气体，并使其处于微量泄漏状态，当移动巡检终端靠近放置有甲烷气瓶的区域时，移动巡检终端监测到的甲烷体积分数迅速上升并超过设定的阈值，此时移动终端发出报警声音，报警灯开始闪烁，同时移动终端将报警时的浓度值、时间、日期、经度、纬度等信息上传给上位机监控软件，上位机监控软件根据报警信息做出相应的提示，告知用户报警区域控制阀门的编号，用户根据实际情况做出处置决定[12-14]。

为了证实本装置的实践应用价值，在燃气管道公司允许的情况下对实际地况进行检测，并成功在北京市望京繁华地段发现了泄漏点，试验如图 7所示。

图7 城市道路检测试验

4 结论

1) 采用自然扩散的收集气体形式进行车载天然气泄漏检测系统结构设计，检测速度快，结果精确度不受车速干扰。

2) 设计了检测系统的光电检测部分，通过激光器扫描信号调制得到更精确的待测气体信息，从而减少误判。选择适当气体吸收线，验证气体的吸收峰与体积分数成正比，正确显示检测结果。

3) 激光器对温度要求极高，通过温度补偿技术实现了对系统的恒温控制。

4) 该装置对光路结构进行创新设计，延长了光路与外界环境的接触时间，并通过精密温度模块使温度恒定，达到了快速检测出超过规定范围的天然气，有效发现泄漏点以实现防爆的目的，对于油气泄漏事故防控、保障企业安全生产和减少事故损失具有重要意义。

5) 该装置的探头采用照射式，安装在车的前方，导致前瞻性欠佳。根据车身的结构特性，今后可以对装置的结构设计进行进一步改良，深入对采取扫掠式与照射式的探头相结合的方向进行研究[15]，开发出更加适合我国国情的车载天然气泄漏检测装置。

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StructuralDesignofVehicleMountedNaturalGasLeakDetectionSystem

HE Xingzheng1，2，LI Xuming1，3，KANG Rongxue1，LIANG Wei3，REN Guiwen1

(1.ChinaAcademyofSafetyScienceandTechnology，Beijing100012，China；2.StateKeyLaboratoryofMajorHazardMonitoringandEmergencyResponseTechnology，Beijing100012，China；3.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)

TE937

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.016

1001-3482(2017)05-0075-05

2017-03-17

国家科技支撑计划课题(#2015BAK16B03)；中国安全生产科学研究院基本科研业务经费项目(#2016JBKY05，2017JBKY08)；安全生产重大事故防治关键技术科技项目(#zhishu-0006-2015AQ、#zhishu-0003-2016AQ)

贺行政(1966-)，男，安徽人，高级工程师，研究方向：设备及系统安全，E-mail：hygehy@126.com 。