摘要：基于可调谐激光二极管吸收光谱技术的在线气体检测系统可用于燃气轮机机组厂区内调压站等区域的可燃气体浓度，具有24小时主动在线式监测，灵敏度高、响应速度快、不受其它气体交叉干扰，无需定期标定等突出优势。本文在介绍运用波长调制技术的吸收光谱原理的基础上对此项技术进行应用分析。
关键词：TDLAS 可燃气体 在线检测 燃气轮机电厂
1 TDLAS技术原理
TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是可调谐二极管激光吸收光谱技术的简称，由于该二极管采用半导体材料制成，通常又称为可调谐半导体激光吸收光谱技术。由于激光二极管的高单色性，因此可以利用气体分子的一条孤立的吸收谱线对气体的吸收光谱进行测量，从而可方便地从混合污染成分中鉴别出不同的分子，避免其他光谱的干扰。采用可调谐激光二极管吸收光谱技术进行气体探测的主要优点是具有很高的灵敏度和较高分辨率，实用指标可以做到ppm量级，最高可以达到ppb量级。所选用的工作波段水分和其他气体几乎没有吸收，使系统具有良好的选择性，不受其他成分的干扰。
1.1 光路结构
光源发出的激光被分成3路。第一路通过光纤直接进入检测器，用于确定激光强度，监测激光源的工作情况；第二路经过中央控制单元的内置参比池后被检测，用于确定系统的工作零点，进行系统的自标定；第三路经光缆传输至发射单元的准直器，经准直器后穿过气体管道中被测气体，被安装在管道直径相对方向上的接收单元中的近红外检测器接收，获得的测量信号通过标准电光转换模块转换成1660nm的激光通过光缆传回中央处理系统，然后再经标准光电转换模块转换成电信号，经过后续处理后得到气体浓度。
1.2 中央控制系统
中央控制系统是分析仪的核心，中央处理器电路通过通讯电路控制激光二极管的电流驱动电路，温度控制电路以及波长调制信号电路，以产生需要的激光源，传感器及其前置放大电路接收经过被测气体的激光，转换成电信号，测量信号处理电路对该电信号进行相敏检波处理，获得二次谐波信号，然后通过中央处理器电路的AD转换端口，转换成数字信号进行进一步处理。激光分光耦合器是为了将一路激光按照所需的功率分配成3路，分别起到监测激光源状态，实时自动标定零点，测量被测气体的作用。密封气体池中通入的是氮气，处在参考光路上，以实现实时自动标定零点的作用。中央处理器电路还要通过标准的4～20mA信号输入电路获得用于浓度补偿的温度和压力信号，通过4-20mA信号输出电路输出气体浓度值，实现对工业过程的精密控制。串口接口电路用于与上位机进行通讯，USB接口电路用于进行资料传输。
1.3 发射单元和接收单元
发射单元主要包括激光准直器和红外平面透镜，能够将从中央控制系统的激光源通过光纤传输过来的激光经过准直处理后发射出去。接收单元主要包括检测器及其前置放大电路，电光转换电路及1660nm激光二极管，恒温装置。检测器及其前置放大电路将经过被测气体吸收的激光转换成电信号，电光转换电路及1660nm 激光二极管能够将电信号转换成激光信号，通过光缆传输回中央处理系统，能够提高信号在传输过程中的抗干扰能力。
2 应用方案
晋能嘉节燃气电厂应用可燃气体在线检测系统采用TDLAS可调谐激光吸收光谱技术，通过调谐半导体激光器波长，扫描通过目标气体分子/原子吸收线，获取该波段内的高分辨吸收光谱，利用吸收谱可反演气体浓度、温度等状态参量。使用基于TDLAS可调谐激光吸收光谱技术的监测装置，可在0.5s内检测出十万分之一的气体泄漏。
2.1 系统硬件
2.1.1 开放式激光甲烷遥测仪
开放式激光甲烷遥测仪由激光收发装置、反射装置（角镜）、检测主机等组成。1套主机可以配备3个探头，每个探头与主机间通过防爆软管进行连接，防爆软管中穿一根光纤和一根同轴电缆。主机供电方式为DC12V供电，如果现场没有DC12电源，则可在电源箱中安装本安电源将交流电转换为DC12V，当现场和监控中心距离较远时，通过光电转换将电信号转化为光信号传输至监控中心。
2.1.2云台扫描系统组成
系统由云台设备，光传输设备，上位机软件三大部分组成。云台设备安装在待检测区域，可以对被测区域形成面覆盖扫描。光传输设备用于信息的长距离传输，将电信号转换为光信号通过光纤传输至中控室，再转换为电信号发送至工控机。上位机软件安装在工控机中，接收、处理、显示并记录前端云台设备发回的数据。并且上位机软件可以设置云台设备的各项参数。
2.2 布置与应用
嘉节电厂的重大危险源主要为增压站，增压站为封闭式建筑，东西长60米，南北长40米，总面积2400平方米，内部管道众多，燃气压力很高，为了达到实时、全面监测的目的，采用了全站网格式监测与重点区域扫描式监测相结合的方式，在站内布置5×4的激光网格，安装高度为管路最高处1米以上。同时在两个管路及阀门密集的区域布置2个约120度的扫描区域，安装高度为管路最高处1米以上。下图为现场设备布置示意图.
现场设备布置示意图
图中：1#至9#为9个开放式激光甲烷遥测仪，形成9条检测线路（虚线表示），对站内所有管路进行全面监测。
10#和11#为云台扫描式激光甲烷遥测仪，形成2个四边形检测区域（红色线条表示的部分），对站内管路密集的区域进行重点监测。
2.3 系统软件
分析预警软件安装于PC机或工控机上，接收在线监测设备发来的实时检测数据及视频信号，生成甲烷泄漏数据的曲线变化图，进行趋势分析，判断泄漏量的变化是否正常，从而实现预警功能。
在线监控系统软件具有区域定义功、自动巡检、手动检测、图像捕捉、数据记录、数据显示和趋势分析功能。
3 应用分析
在2017年小修期间进行可燃气体在线监测系统改造后，调压站区域可燃气体浓度得到了动态、实时、可视化监测，在集控室可对监测区域进行自动巡检及手动检测，对数据进行录及趋势分析，并在达到预警值5000ppm时进行报警。再配合运行人员现场定期巡检及原有催化燃烧式可燃气体探测器，实现对重大危险源的多重监控，确保万无一失。在线监控系统投运两个月以来，共发出燃气浓度报警2次，由于监控系统高灵敏度、高精度的特性，在轻微泄露时就已发出警报，在对应区域排查漏点后发现一次为尘土过滤器端盖处轻微泄露，另一此为精过滤器端盖处轻微泄露。及时的报警与处理使得安全隐患得到了提前安全预警和控制，将危险与事故扼杀在摇篮中，使得全场人身安全与设备安全得到有效保障，机组得以长期可靠稳定运行。
4 结语
晋能嘉节燃气热电厂关于可燃气体在线监测系统的应用实现了对天然气调压站内天然气浓度进行24小时实时、在线式监测。相对于现有传统监测仪器，其不受现场环境温湿度及其他干扰气体影响，反应速度快、灵敏度高、使用寿命长，对提高燃机安全防护等级、实现提前预警，保证设备运行的可靠稳定，降低维护和检修费用，保障设备运行的都有重要的意义。
论文作者:宁祥荣
论文发表刊物:《电力设备》2018年第5期
论文发表时间:2018/6/25
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