1、紅外氣體檢測原理
多數(shù)雙原子分子和多原子分子,在紅外光譜范圍里有其分子結(jié)構(gòu)所決定的特征吸收譜。因此可以根據(jù)氣體紅外吸收光譜的特點(diǎn)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(gè)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(dāng)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(qiáng)度的變化.根據(jù)Lambert-Beer定律可以得到氣體的吸收情況。
紅外氣體檢測技術(shù)包括直接吸收,光聲光譜,光纖傳感,可調(diào)諧激光二極管光譜(TDLS),波長/頻率調(diào)制光譜(WMS/FMS)等,這幾種方法可以單獨(dú)采用，也可以結(jié)合起來取長補(bǔ)短，以獲得更好的檢測結(jié)果。對于復(fù)雜環(huán)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(shí)存在展寬或譜線強(qiáng)度的改變。為了獲得被測分子譜線的信息以及其它相關(guān)測量結(jié)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(shù)在天然氣生產(chǎn)中的運(yùn)用
2.1監(jiān)測天然氣輸送儲運(yùn)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(yùn)，對甲烷氣體的泄露監(jiān)測都非常重要。其中對于天然氣管道泄漏的遠(yuǎn)距離安全巡檢是一個(gè)待解決的難題。在野外或城鎮(zhèn)環(huán)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(jìn)行,根據(jù)甲烷氣體分子質(zhì)量比空氣的平均分子質(zhì)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(tuán)，紅外氣體檢測是目前在天然氣管道中進(jìn)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(yuǎn)距離遙感探測方法，可以在高空或近地表處實(shí)現(xiàn)對泄漏區(qū)城附近的甲烷探測，從而確定泄漏位置，為搶修提供最及時(shí)的幫助.采用TDLS和高頻WMS技術(shù)能夠克服空氣湍流對測量的影響,同時(shí)結(jié)合諧波檢測方法可以實(shí)現(xiàn)對低濃度甲烷氣體的實(shí)時(shí)探測。
基于光纖拉曼放大技術(shù)的近紅外甲烷傳感系統(tǒng)結(jié)合TDLS和WMS。對甲烷吸收譜線進(jìn)行掃描并采用諧波技術(shù)檢測。通過同時(shí)掃描甲烷吸收譜線和譜線之間的空白區(qū),并對空白區(qū)的噪聲以及光強(qiáng)度衰減情況進(jìn)行分析，能夠克服遠(yuǎn)距離測量中激光照射到地表物體后存在的嚴(yán)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(qiáng)吸收譜線)經(jīng)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(tuán)對激光吸收后,剩余的激光照射在陸地表面,經(jīng)反射、散射之后的激光再次通過甲烷氣團(tuán),然后通過一個(gè)大的菲涅爾透鏡會聚到光電探測器上。該系統(tǒng)在100到150米的探測范圍內(nèi)可以獲得100ppm.m的探測靈敏度,系統(tǒng)信噪比大于3。能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)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(jiān)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(jì)初四川達(dá)州市的天然氣井曾經(jīng)發(fā)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(yán)重的人員傷亡。硫化氫是劇毒氣體,在空氣中濃度超過150ppm時(shí),對人的眼睛、呼吸道粘膜,嗅覺神經(jīng)造成損傷,當(dāng)濃度達(dá)到800ppm時(shí),對人的生命構(gòu)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(kuò)散,威脅附近居民的生命安全。現(xiàn)有的硫化氫檢測多采用化學(xué)方法,需要將儀器放在硫化氫氣體中或者對環(huán)境中的氣體進(jìn)行采樣來分析其濃度,既無法保證實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)威脅到檢測人員的安全。
遠(yuǎn)距離紅外甲烷檢測技術(shù),同樣可以應(yīng)用在對硫化氫的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)探測上。從HITRAN2008氣體分子紅外吸收光譜數(shù)據(jù)庫可以知道，硫化氫在2.6微米和7.7微米附近有較強(qiáng)的吸收帶,在4微米處有相對較弱的吸收譜。在空氣中檢測隨天然氣泄露的硫化氫氣體,首先要克服空氣中的水蒸氣和殘余的甲烷氣體的干擾,水蒸氣在2.6微米處存在強(qiáng)吸收譜，同時(shí)甲烷在7.65微米也存在比硫化氫吸收強(qiáng)度大了幾十倍的吸收譜線。
對泄漏在空氣中的硫化氫氣體進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測,空氣中殘留的甲烷、以及水蒸氣的干擾不可忽略。紅外光譜是分子振動-轉(zhuǎn)動的特征諧線，不同分子因?yàn)榛瘜W(xué)鍵的不同，具有不同波長的吸收譜。同時(shí)氣體分子的吸收光譜并不連續(xù)分布的，而是在一個(gè)波長范圍里離散的存在。譜線的寬度受到壓力的影響而有不同程度的展寬，在不同的壓力下具有高斯、Voigt、或者洛倫茲分布。氣體分子的吸收譜線之間可以因?yàn)橄嘟嬖诮?/span>疊,或者由于分布較遠(yuǎn)前留有空白區(qū)。因此,通過詳細(xì)分析水蒸氣、甲烷,以及硫化氫氣體在不同波長下，吸收譜線
之間的交疊情況,來選擇不受或者受水蒸氣、甲烷吸收譜線影響較小的硫化氫吸收譜線，并以此來進(jìn)行檢測，從而確定出所要采用的光源波長、類型以及檢測方法等。
天然氣泄露后，因?yàn)榉肿淤|(zhì)量的不同，甲烷向上漂浮,而硫化氫向地表沉積。由于氣體分子的擴(kuò)散、對流,使得地面附近的硫化氫氣團(tuán)中混合有少量的甲烷氣體。即使我們通過分析HITRAN分子光譜數(shù)據(jù)庫,選擇了低強(qiáng)度甲烷吸收譜線附近的硫化氫紅外吸收譜，但是當(dāng)較高濃度甲烷同低濃度化化氫同時(shí)存在時(shí),在7460.5nm附近的硫化氫的吸收依然會被甲烷的吸收信號所淹沒,可以用一種新的數(shù)值分析方法,用來在甲烷干擾下提取出硫化氫的吸收情況。兩種氣體吸收譜線相互交疊，實(shí)際測得的吸收是兩種氣體共同的吸收結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)庫給出的譜線信息和實(shí)際測量結(jié)果，選取三個(gè)特征點(diǎn)，通常選擇總吸收的峰值和谷底數(shù)值，根據(jù)它們之間的相互關(guān)系建立起一個(gè)二元一次方程組，來計(jì)算甲烷和硫化氫的濃度,同時(shí)能夠消除掉測量過程中環(huán)境或其它因素所引起的誤差。
通過分析調(diào)諧技術(shù)下獲得的吸收譜線的特征,對存在甲烷干擾的情況下,通過選擇吸收峰值和谷值來建立二元一次方程。在不同濃度甲烷氣體的干擾下都能夠同時(shí)計(jì)算出兩種氣體的濃度。在100ppm的甲烷干擾氣體存在時(shí)，可以獲得的最低可探測硫化氫濃度為10ppm,達(dá)到安全生產(chǎn)的要求，以此技術(shù)對含硫化氫的天然氣井建立從鉆井到生產(chǎn)全過程全方位的監(jiān)控設(shè)施。以確保天然氣生產(chǎn)的本質(zhì)安全。從此可見,