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基于光谱技术的燃气管道泄漏检测定位研究
摘要：为进一步保证燃气管道的天然气运输安全，提出一种基于腔输出光谱技术的燃气管道检测定位系统，对环境中的燃气泄漏情况进行准确检测。其中，以腔输出光谱技术为基础的泄漏气体检测方法，进行检测系统的构建。实验结果表明，设计的基于光谱技术的燃气管道检测系统能够在不同的环境下对泄漏浓度变化进行快速反应，实现对泄漏情况的准确检测，能够应用于实际的场景中，可靠性较高。
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在当前的社会日常生活和工业生产中,天然气已经成为了重要的常用能源之一,各类场景的天然气需求量也急速增长｡天然气的主要运输方式为管道运输,管理不善极易造成天然气泄漏的情况,进而造成严重的事故,及时进行天然气管道的泄漏检测,能够在发生泄漏时进行及时的检修,避免事故的发生[1⁃4]｡陈修伟等针对低信噪比条件下天然气管道运输存在的定位误差问题,提出了一种基于功率谱估计的长输天然气管道泄漏检测技术,该技术通过计算信号传输延时同时结合声音传播速度和管道长度信息,对管道泄漏位置进行准确定位[5];赵锦鹏等针对天然气管道泄漏检测问题,提出了一种基于贝叶斯推理的马尔科夫链蒙特卡洛法的天然气管道泄漏检测方法,该方法能够实现对管道泄漏位置和泄漏速度的准确检测,根据实际的泄漏情况进行事故处理的判定[6];陈易然等针对农村天然气使用的安全问题,基于LoRa远距离通信技术设计了一种天然气泄漏检测方法,该方法通过对天然气管道进行实时监控,能够对管道泄漏情况进行及时检测,进而对泄漏情况进行及时处理[7]｡由于当前的天然气需求量不断增加,泄漏往往会造成难以估量的事故,因此,当前的天然气泄漏检测需要精度较高､性能良好的检测方法保证检测的及时和准确｡故提出一种基于离轴积分腔输出光谱技术的燃气管道泄漏检测方法,实现对不同程度的天然气泄漏情况进行准确检测｡
1、腔输出光谱技术
腔输出光谱技术是基于腔增强光谱吸收技术CEAS发展起来的,是主要的红外线光谱吸收技术之一,该技术在保留腔的吸收放大特性的同时,还可消除腔内的谐振问题[8]｡
腔输出光谱技术相比于其他基于腔的吸收方法,复杂度更低,尤其在进行光线的入射角度的设置时,该技术不需要对入射角度进行严格保证,进而大大降低了测试难度[9]｡
腔输出光谱技术以朗伯-比尔定律作为理论依据,技术的核心为谐振腔的设计,而对谐振腔设计质量影响最主要的原因是反射中的光能损耗｡近年来由于镀膜工艺技术的不断发展成熟,光能损耗问题得以解决,谐振腔不再受反射过程中的光斑交叠影响,使得气室有效光程得以大大提升[10⁃11]｡
在腔输出光谱技术的腔设计时,需首先考虑腔的稳定性问题,2个高反镜规格通常相同,若设定其曲率半径为r,腔长为L,则可得腔稳定的条件为:
0<(1-Lr)2<1(1)
即满足条件:
0<L<ror0<L<2r(2)
腔中的耦合方式包括离轴入射和共轴入射2种,离轴入射时,首先进行准直器的角度调整,保证激光在入射到离腔镜时偏离轴线方向,同时激发腔内的高阶模;在共轴入射时,则与离轴入射恰好相反,需沿腔镜的轴线方向入射至腔内,同时形成谐振[12]｡光线从高反镜M1的轴心处进入腔内,并在M1和M2之间网络往返,在经过多次反射后再通过M2出射｡
通过对射入光线的入射位置进行调节可对腔内的光线反射情况进行改变｡光线在通过反射从M2出射时,会向外发散,并通过平凸镜改变光线的传播角度,最终达到探测器的光敏面上｡
2、基于腔输出光谱技术的燃气管道检测定位系统设计
天然气的主要成分为甲烷(CH4)和乙烷(C2H6),因此在进行燃气管道泄漏检测时,主要的检测对象为甲烷和乙烷,并以此进行基于腔输出光谱技术的燃气泄漏检测系统的设计｡
2.1光学系统
光学系统是泄漏检测系统中CH4/C2H6传感器部分的核心模块｡在光学系统中,初始为两束激光,分别由2个DFB激光器生成得到,再通过光纤波分复用器将两束激光进行合并再发射｡通过调整激光的入射角度和位置,达到腔体共轴和离轴调试的目的,腔体另一侧固定平凸镜以聚焦光强,可进一步提升探测器的可探测光功率｡
2.1.1光路调试
光路调试分为离轴和主轴,前者通过红光进行光路对直,常用的实验场景为昏暗场景,便于观察[13]｡光路对直中,以下几个条件为硬性要求:(1)红光的入射方向需沿两高反镜轴线方向;(2)2个高反镜的安装必须满足绝对平行且轴心重合的情况;(3)发射中心与高反镜轴线三点一线｡
当红光与高反镜产生的牛顿环的轴心重合时,即表示红光对直,此时将红光转换为近红外激光会使得光线的路径发生细小变化,为此,通过激光进行光路的再次调试,而由于红外光的不可见的特性,使其无法直接进行光路轨迹的显示,针对此种情况,设计选择将光电探测器所得信号反馈至示波器上进行调试,得到状态最佳的基模[14]｡
在后续的离轴调试中,通过加大信号发生器三角波的扫描范围,会使得得到的基模变得越来越密集,进而得到较为稳定的三角波｡
2.1.2探测器
腔中的高反镜存在反射率过高的问题,使得功率较小的激光打入腔体内后,投射出来的激光的功率会降到更小的级别,而在此种情况下若使用常用的商用探测器会使得腔内的微弱信号无法检测｡针对上述问题,设计一个基于跨阻放大的高增益低噪声探测器光电转换电路,同时选择光明面更大的光电二极管,减小设备的机械误差｡
将设计的探测器应用于腔中时,可进一步提升其信号探测水平,具有更好的灵敏度,进而对微弱信号进行精准检测｡
2.1.3光程标定
在进行有效光路长度的标定时,通过锯齿扫描信号进行中心波长位置的分布式反馈激光器电流的扫描,目的在于让激光波长扫描吸收峰,同时将一定浓度水平的甲烷样本注入至腔中[15]｡通过观察腔内信号变化情况,将获取到的信息与吸光度公式相结合可计算得到吸光度值,再根据分子吸收数据库可进行实际总光程的确定｡
2.2电学与气路系统
检测系统的电路部分除了进行光点信号的处理,同时还负责保持腔内的温度和压强恒定不变[16]｡
温度压强控制电路在进行腔内的温度控制时,温度传感器进行温度检测和数据采集,再根据反馈情况进行电路工作电流的调整,使得温度动态恒定,整个控制过程通过PID算法实现;压控电路通过压力传感器进行腔内的压强监测,在进行腔内压强的控制时,主要通过控制腔的进气口和出气口的比例阀开口大小实现,能够维持腔体内压强的动态平衡[17]｡
气路系统的主要功能包括向腔体内配置待测气体以及控制腔体内气体流速｡当传感器进行气体标定时,需要使用到气瓶和气体采样模块,并对采集到的待测气体进行稀释处理,而在系统进行较大环境的气体泄漏检测时,为了使得检测范围足够大,在腔体的进气口增添大功率气泵,将外界气体泵入腔内｡
2.3系统结构
通过对设计的基于腔输出光谱技术的燃气管道泄漏检测系统的各部分模块进行设计,具体结构如图1所示｡
图1基于光谱技术的燃气管道检测示意图
如图1所示,检测系统应用于燃气管道的气体泄漏的检测,相比于传统的检测方法能够实现更好的检测效果｡
3、系统实现与验证
3.1环境搭建
为验证燃气管道泄漏检测系统性能,搭建了实验环境｡首先进行实验元件的选择:除使用必要的传感器以外,所需的元件还包括风速仪(型号YOUNG81000)､GPS(GPS500)､上位机系统(Lab⁃VIEW)[19]｡同时,为了减小在移动巡视检测过程中外界震动给光学系统带来的影响,设计对应的减震模块,主要包括光学系统一体化设计､龙门架设计以及橡胶垫缓冲设计｡在减震模块中,龙门架能够保证系统的相对水平以及较少的外界接触,橡胶软垫的添加则可使得系统不出现较大的位置变化,同时使用CYT9200振动传感器进行仪器的震动系数的测试,整体上减小外界震动带来的影响｡
3.2气体数据采集与预处理
系统采集到的气体数据无法直接用于系统测试,这是由于测试环境复杂,会使得采集到的气体中包含杂质,因此需对采集到的待测气体进行预处理｡预处理方式主要是在系统的进气口和出气口位置设置过滤系统,进气口处的过滤系统包括第一级孔隙较大的滤网模块,第二级粗过滤模块,第三级和第四级高精细过滤模块,出气口处的过滤模块为一级粗过滤,规格与进气口第二级粗过滤一致[20]｡
3.3检测系统性能测试
为了保证设计的燃气管道泄漏检测系统的性能优秀以及稳定性良好,分别对系统进行泄漏气体检测过程的各方面性能进行测试,测试对象选择CH4｡
3.3.1拟合情况
在不同的CH4浓度下,用较大的采样频率进行气体的采样,采集时间间隔为1s,每次采集时间为20s,共采集到20个采样点,将该20个数据取平均值,得到CH4浓度和系统振幅之间的线性拟合度较好,未出现较明显的震荡情况｡
3.3.2响应时间
将CH4浓度从0×106逐渐提升至2×106,测试不同浓度下系统的响应时间,系统响应时间始终稳定在1s左右｡
3.4车载燃气管道泄漏实验
3.4.1简易移动泄漏检测将设计的燃气管道泄漏检测系统以及其他实验元件在推车上进行简易集成,同时在路边放置2个分别装有CH4和C2H6的钢瓶,推动推车观测气体数据变化情况｡推车总共经过钢瓶3次,第1次经过时为仅有CH4泄漏的情况,第2次为2种气体均有泄漏的情况,第3次为2种气体均泄漏的情况｡
检测结果为:第1次经过时系统明显检测到了CH4的泄漏情况;第2次经过时出现了轻微的波动,原因在于泄漏的CH4还未完全消散;第3次经过时系统检测到的2个气体的浓度变化较大｡以上结果表明,设计的燃气管道泄漏检测系统在该场景下对天然气泄漏十分灵敏｡
3.4.2车载移动式泄漏检测
为了进一步掌握燃气管道泄漏检测系统的实际性能,将实验仪器安装在车内进行泄露测试｡在测试路段中设置2个不同泄漏量的泄漏点,得到如图2所示的检测结果｡
图2气体浓度波动情况
由图2可知,系统在2个泄漏点均检测到了2个气体浓度的明显波动,这表明系统对于环境中的泄漏气体浓度变化十分敏感,能够准确捕捉到泄漏位置,而其他位置浓度波动的原因可能在于环境中其他位置的其他泄漏情况｡
4、结语
综合上述实验结果可知,设计的燃气管道泄漏检测系统对环境中CH4和C2H6的浓度变化十分灵敏,当环境中出现泄漏情况时,系统能够迅速检测到气体浓度的波动,能够帮助管理人员和维修人员进行泄漏情况的准确掌握和泄漏位置的准确定位,便于进行及时的维修,进而避免重大事故的发生｡
参考文献:
[1]田忠,常敏,金海勇,等.电力系统智能化运维中GIS设备SF6气体泄漏检测方法研究[J].计算机测量与控制,2022,30(10):27⁃32.
[2]田野,潘诚,陈海艳.天然气站场露天区域可燃气体泄漏检测技术研究[J].油气田地面工程,2022,41(3):73⁃77.
[3]宋林,黄麒萱.基于STM32F103C8T6的燃气泄漏检测装置设计[J].无线互联科技,2022,19(17):79⁃81.
[4]闫格,张磊,于玲,等.面向天然气泄漏检测的中红外甲烷———传感系统与应用[J].中国激光,2022,49(18):118⁃126.
[5]陈修伟,秦超.基于功率谱估计的长输天然气管道泄漏检测技术[J].化工技术与开发,2022,51(10):62⁃65.
[6]赵锦鹏,周文静,白云龙,等.基于MCMC算法的天然气管道泄漏检测方法[J].油气储运,2024,43(1):49⁃56.
[7]陈易然,杨大志,杨宗泽,等.基于LoRa技术的村镇天然气泄漏检测系统[J].电子制作,2022,30(1):5⁃7.
[8]杨娜娜,方波,王春晖,等.中红外波长调制离轴积分腔输出光谱技术应用于OH自由基高灵敏度探测研究[J].光子学报,2023,52(3):286⁃294.
[9]田兴,朱乐文,李龙,等.基于射频噪声源下的离轴积分腔输出光谱技术中腔镜反射率标定研究[J].大气与环境光学学报,2023,18(5):494⁃502.
[10]陈稳稳,郑凯元,曹延伟,等.基于腔增强激光光谱的水中溶解甲烷传感系统[J].光子学报,2021,50(9):176⁃184.
[11]李俊豪,郑凯元,席振海,等.基于开放光路离轴积分腔的甲烷传感技术与实验[J].中国激光,2021,48(16):150⁃158.
[12]袁子豪,黄印博,钟磬,等.V形结构离轴积分腔吸收光谱测量装置设计与研究[J].中国激光,2023,50(19):207⁃215.
[13]丁伯坤,邵李刚,王坤阳,等.基于离轴积分腔的海水溶解气体实时检测技术研究[J].量子电子学报,2022,39(4):502⁃510.
[14]孟凡昊,秦敏,方武,等.基于迭代算法的大气HONO和NO2开放光路宽带腔增强吸收光谱测量[J].物理学报,2022,71(12):8⁃15.
[15]曹军,汪琦,徐政,等.我国环境空气中温室气体监测技术研究进展[J].环境监控与预警,2022,14(1):1⁃6.
[16]王彪,连厚泉,俞泳波,等.采用BP神经网络补偿的激光气体检测系统研制[J].激光杂志,2022,43(8):19⁃23.
[17]崔建国,周碧嘉,蒋丽英,等.基于ICA与深度学习的发动机气路系统状态监测[J].振动.测试与诊断,2020,40(6):1150⁃1155.
[18]王振,杜艳君,丁艳军,等.波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在线监测大气CO浓度[J].物理学报,2022,71(4):115⁃123.
[19]田忠,常敏,金海勇,等.GIS设备内SF6气体泄漏检测技术创新研究[J].粘接,2023,50(1):192⁃196.
[20]王能.一种油色谱气体泄露监测系统的设计与技术分析[J].粘接,2022,49(10):161⁃165.
文章来源:周雷,田德鑫,马敬德.基于光谱技术的燃气管道泄漏检测定位研究[J].粘接,2025,52(05):119-122.
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期刊名称：化工技术与开发
期刊人气：2255
主管单位：广西壮族自治区化工研究院
主办单位：广西壮族自治区化工研究院
出版地方：广西
专业分类：化工
国际刊号：1671-9905
国内刊号：45-1306/TQ
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2025-05-11
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