CN105424651B - 一种可定位的甲烷泄漏监测系统 - Google Patents

一种可定位的甲烷泄漏监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可定位的甲烷泄漏监测系统，包括：宽带发光光源，传输用单模光纤、传感用长周期光纤光栅(LPG)构成的传感单元，波长解调模块。宽带光源发出的非相干光耦合进入光纤进行传输，本发明可以实现甲烷泄漏的定位，同时具有集成度高，体积小，探测灵敏，本质安全等优点。可用于石油天然气行业站场或油库甲烷泄漏监测并且对泄漏点进行定位。

Description

一种可定位的甲烷泄漏监测系统
技术领域
本发明是一种基于长周期光纤光栅(LPG)的分布式可定位甲烷泄漏监测系统，具有高的检测灵敏度和响应带宽，可用于石油化工行业天然气泄漏监测，并对泄漏点进行定位。改变LPG的敏感层，可扩展到对氢气，一氧化碳等气体浓度的监测。
背景技术
随着石油化工行业的高速发展，人们对石油化工行业的认识也逐渐加深，对石油化工行业所潜在的危险也有了进一步的认识。在石油化工场所，存在着大量的可燃气体，这些可燃气体如果发生泄漏，并且与空气混合，遇到点火源，则容易引发爆炸事故的发生，而这些爆炸事故及随之而来的火灾，会带来无可估量的损失。由于石油化工产品大都具有易燃易爆性质，一旦泄漏在空气中，极可能引发巨大的灾难，此类事故一旦发生就会给国家和人民生命财产造成巨大损失，这使得火灾预防，气体浓度监测变得至关重要。在这种情况下，使用代表着先进技术的各种可燃气体监测手段，对各种生产及生活设施现场可燃性气体泄漏和积聚状况的及时掌控，成为急待解决的重大课题。
目前，石油化工行业中多釆用催化燃烧式或电化学式传感器，这类传感器最大的缺点就是自身带电，在易燃易爆等特殊环境中应用时存在安全隐患，而且这类传感器寿命短、精度低、稳定性差、调校困难，经常存在误测误报现象。近年来，针对石油化工易燃易爆的工作环境特别是油库灌区及天然气输气站场，开发了激光红外吸收光谱检测技术(TDLAS)。TDLAS的检测原理是根据物质对不同频率的电磁波有不同的吸收特征，因此吸收谱线可作为识别不同气体分子的“指纹”，根据吸收谱线的位置和强度可以确定分子的成分和浓度。由于多数有机和无机污染成分在可见和红外波段都具有吸收线，利用这些吸收线可以定量分析各种污染成分。现有发明专利(申请号：201410541852.1)，提出了一种基于TDLAS的多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，用与燃气管道的泄漏检测，具有高的检测精度和检测实时性，但在汽车无法进入的管道区域则无法实现甲烷的检测，具有很大的局限性。分布式TDLAS气体检测系统及方法(申请号：201410206645.0)，利用TDLAS技术和光分路装置实现了多个气室的分时复用测量。TDLAS技术虽然具有很多优点，如快速调谐，非接触测量，响应速度快、高检测精度和大的检测范围。但是，在气体的吸收路径上较难实现分布式测量，不能对泄漏点进行定位。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可定位的甲烷泄漏监测系统，实现甲烷泄漏的定位，同时具有集成度高，体积小，探测灵敏，安全等优点。
本发明技术解决方案：一种可定位的甲烷泄漏监测系统，包括宽带激光光源(BBS)、串联有多个LPG传感单元的单模光纤、光谱解调系统；宽带激光光源发出的宽带光经过串联有多个LPG传感单元的单模光纤进入光谱解调系统；当有甲烷气体泄漏发生时，LPG传感单元的包层模式谐振特性将发生变化，由光谱解调系统的计算和处理得到甲烷泄漏浓度，通过实现标定好的LPG传感单元序号，对甲烷泄漏位置进行定位。
所述宽带激光光源(BBS)的带宽为40nm以上，以增加携带LPG传感单元的能力。
所述串联有LPG传感单元的单模光纤中的LPG传感单元的间隔根据实际需求长短可调，在1米到数10米。
在串联有多个LPG传感单元的单模光纤处进行气敏膜涂敷，采用磁控溅射或等离子体镀膜方式，将镀好膜的LPG传感单元采用不锈钢套管进行封装，以适应工程应用需求。
所述LPG传感单元的包层模式耦合特性将发生变化时，LPG传感单元的λ波长对应变的灵敏度采用下式表达：
式中，Λ是LPG传感单元的周期，ε是应变，nco,ncl分别是纤芯和包层模的折射率，LPG波长随应变的变化和包层及纤芯的折射率差有关，当外界气体被光纤吸附时，包层折射率发生变化，通过探测包层谐振模波长峰值点的移动，即得到LPG传感单元对应的包层谐振模式的改变，包层谐振膜的波长移动量反应了待测气体甲烷泄漏的浓度值C；
C＝V·ε
V是LPG传感单元的体积，
dλ波长变化，dε应变变化。
所述通过实现标定好的LPG传感单元序号，对甲烷泄漏位置进行定位的过程为：每个LPG传感单元对应一个窄带的波长范围，为0.1nm，每个LPG传感单元的波长间距大致为0.4nm。同一光源可以携带80个LPG传感单元；在施工时对传感单元进行标记，以确定在监测区域的位置；当某一LPG传感单元处接收到甲烷气体时，该LPG传感单元的包层折射率发生变化导致谐振波长峰值点移动，通过光谱仪即监测得到对应LPG传感单元，通过对应LPG传感单元的标号可得到具体甲烷泄漏的位置。
所述串联有多个LPG传感单元的单模光纤为多个，能够并行输出，由光谱解调系统的计算和处理得到泄漏浓度的情况。
所述光谱解调系统仅对LPG传感单元的波长变化敏感，不受传感链路上信号强度起伏的影响。
所述光谱解调系统检测的实时性好，敏感材料和气体的反应在几秒钟内即可造成LPG反射光谱的包层谐振模式特性变化。
LPG的敏感长度在1cm内，当有小于1mL甲烷气体泄漏时，即可造成LPG传感单元反射光谱的包层谐振模式特性变化，实现高灵敏度探测。
本发明具有突出的优点如下：
(1)本发明可以实现甲烷泄漏的定位，具有简单的结构，并且通过光纤光栅波长解调的优点，实现了通一根光纤串联多LPG的准分布式探测，可以对泄漏点进行定位；同时具有集成度高，探测灵敏，本质安全等优点，可用于天然气站场，井口，阀室及长输管道的泄漏监测。
(2)本发明利用在LPG外层涂敷气体敏感膜的方式，利用LPG包层模耦合理论，对待测气体浓度和气体吸收位置进行检测的系统。同比与传统采用化学敏感材料的FBG应变传感技术，可以将气体传感灵敏度提高1个数量级。
(3)利用在LPG上涂敷敏感层对甲烷的特异性吸收，仅需少量(～mL)待测甲烷气体，即可实现高灵敏度探测。
(4)检测的实时性好，敏感材料和气体的反应在几秒钟内即可造成LPG反射光谱的耦合特性变化。
(5)采用波长解调算法，实现不同探测点泄漏气体的检测，已补充不受系统链路的强度损耗干扰。
(6)LPG可以在光缆制备过程中串联于同一根光纤中，每个LPG的间距可根据应用需求调整，适合长距离远程控制，同时易于规模化，降低制造成本。
(7)利用光缆中的一根光纤实现待测气体分布式传感，解调，节省通信资源。
(8)改变LPG涂敷的敏感材料即可实现对不同气体的检测，如氢气，一氧化碳。
附图说明
图1为LPG模式耦合特性及传输光谱图；
图2为LPG的包层模式的耦合光谱图；
图3为本发明待测甲烷气体和LPG作用的传感结构示意图；
图4为本发明LPG传感器的制备流程图；
图5为一种可定位的甲烷泄漏监测系统结构图；
图6为基于本发明设计思路的天然气阀室泄漏串联检测方案示意图；
图7为基于本发明设计思路的站场天然气泄漏检测方案示意图。
具体实施方式
如图1所示，LPG模式耦合特性及光谱图，宽带激光光源(BBS)光11经过纤芯21传输，经过周期远大于波长的LPG 41传输，一部分经全反射从单模光纤81出射，另一部分进入包层31，成为包层模61、62传输，形成低阶及高阶模式，还有少量的光71从包层溢出光纤。
如图2所示，图2为采用光谱解调系统测得的LPG传感单元包层模式的谐振特性的光谱图。1th,3th,5th,7th，9th分别为包层谐振膜的阶数。通过监测在光谱解调系统波段范围内，特定包层模式谐振峰值的波长漂移，如9th模的波长移动量，利用上述公式1，得到波长变化和LPG传感单元所受应变的关系。通过对待测甲烷气体浓度的标定，可以得到待测甲烷浓度和LPG传感单元应变变化的线性关系，从而对外界甲烷浓度进行测量。
图3为本发明待测甲烷气体和LPG传感单元相互作用的结构示意图。111为待测甲烷气体，121为单模光纤，131为单模光纤中的LPG，在包层外涂敷对甲烷敏感的气敏膜141,142后，甲烷被吸收导致包层折射率变化，这种变化又会引起LPG谐振包层模式的改变，通过波长解调系统即可计算出甲烷吸收情况。
如图4所示，本发明的LPG传感单元的制备流程图为：制备含有LPG传感单元的单模光纤，LPG的间隔可以根据实际需求长短可调，一般在1米到数十米不等。其次，在写有LPG的单模光纤处进行气敏膜涂敷，一般采用磁控溅射或等离子体镀膜方式。镀好膜的LPG需用不锈钢套管进行封装，以适应工程应用需求。
具体检测过程如图5所示，宽带激光光源(BBS)、串联有LPG的传感单模光纤，光谱解调及PC、信号处理部分组成。BBS发出的宽带光经过串联有LPG传感单元的单模光纤进入光谱解调系统。当有甲烷气体泄漏发生时，对应的LPG传感单元包层模式耦合特性将发生变化，根据光谱解调的计算和PC信号处理得到泄漏浓度的情况。通过实现标定好的LPG单元序号，对泄漏位置进行定位。
所述LPG传感单元的包层模式耦合特性将发生变化时，LPG传感单元的波长对应变的灵敏度可用公式1表达。式中，Λ是LPG传感单元的周期，ε是应力，nco,ncl分别是纤芯和包层模的折射率。LPG波长随应变的变化和包层及纤芯的折射率差有关，当外界气体被光纤吸附时，包层折射率发生变化，通过探测谐振波长峰值点的移动，即得到LPG传感单元由于包层模耦合的特性导致谐振模式的改变，包层谐振膜的波长移动量反应了待测气体的浓度值。宽带光源发出的LPG传感单元吸收甲烷后会引起LPG应力的变化，从而使包层模谐振波长改变。甲烷的吸收浓度可以通过光谱解调系统中测量的LPG传感单元波长的变化量标定得到。每个LPG传感单元对应一个窄带的波长范围，一般为0.1nm，每个LPG传感单元的波长间距大致为0.4nm。同一光源可以携带80个LPG传感单元。在施工时对传感单元进行标记，以确定在监测区域的位置。当某一LPG传感单元处接收到甲烷气体时，该传感单元的包层折射率发生变化导致谐振波长峰值点移动，通过光谱仪即可监测得到对应LPG传感单元，通过对应LPG传感单元的标号可得到具体泄漏的位置。
图6为基于本发明设计思路的天然气阀室泄漏串联检测方案示意图。光源211可以放在控制室里，避免现场温度起伏过大的影响，221、222、223、224、225为串联在光纤中的LPG传感器，根据站场天然气的现场情况，传感器一般可安放在管道连接处上方。当有泄漏发生时，气体通过扩散的方式和LPG传感器反应，再通过光谱解调系统进行分析处理，对应有吸收的LPG传感器处的包层模折射率发生变化，从而导致LPG谐振波长的变化。通过波长解调系统可以反演出气体浓度信息。改变LPG的气敏材料，可以实现对其他气体浓度的探测。这里的其他气体可以是一氧化碳，氢气，硫化氢等。
图7为基于本发明设计思路的天然气站场区域泄漏检测方案示意图。311为光源，一般工作功率可以设定在10mW以内，通过光开关321对光束进行时分复用。331、332、333、334均为串联LPG传感单元的单模光纤，341为光谱解调系统，将光信号进行处理并显示报警。在具体工程敷设时，可以为同一光缆内的不同纤芯。根据站场天然气的具体检测需求，每一链路可以分别安装敷设在不同的区域，并且对该区域内，容易出现甲烷泄漏安全隐患的位置安装LPG传感单元进行监测，LPG在光纤中间距可以根据具体安装点的位置进行调整，灵活方便。不同的天然气站场可以通过光纤和光开关进行时分复用，便于组网和远距离控制。

Claims (9)

1.一种可定位的甲烷泄漏监测系统，其特征在于：包括宽带激光光源(BBS)、串联有多个LPG传感单元的单模光纤、光谱解调系统；宽带激光光源发出的宽带光经过串联有多个LPG传感单元的单模光纤进入光谱解调系统；当有甲烷气体泄漏发生时，LPG传感单元的包层模式谐振特性将发生变化，由光谱解调系统的计算和处理得到甲烷泄漏浓度，通过实现标定好的LPG传感单元序号，对甲烷泄漏位置进行定位；
所述LPG传感单元的包层模式耦合特性将发生变化时，LPG传感单元的λ波长对应变的灵敏度采用下式表达：
式中，Λ是LPG传感单元的周期，ε是应变，nco,ncl分别是纤芯和包层模的折射率，LPG波长随应变的变化和包层及纤芯的折射率差有关，当外界气体被光纤吸附时，包层折射率发生变化，通过探测包层谐振模波长峰值点的移动，即得到LPG传感单元对应的包层谐振模式的改变，包层谐振膜的波长移动量反应了待测气体甲烷泄漏的浓度值C；
C＝V·ε
V是LPG传感单元的体积，
dλ波长变化，dε应变变化。
2.根据权利要求1所述的可定位的甲烷泄漏监测系统，其特征在于：所述宽带激光光源(BBS)的带宽为40nm以上，以增加携带LPG传感单元的能力。
3.根据权利要求1所述的可定位的甲烷泄漏监测系统，其特征在于：所述串联有LPG传感单元的单模光纤中的LPG传感单元的间隔根据实际需求长短可调，在1米到数10米。
4.根据权利要求1所述的可定位的甲烷泄漏监测系统，其特征在于：在串联有多个LPG传感单元的单模光纤处进行气敏膜涂敷，采用磁控溅射或等离子体镀膜方式，将镀好膜的LPG传感单元采用不锈钢套管进行封装，以适应工程应用需求。
5.根据权利要求1所述的可定位的甲烷泄漏监测系统，其特征在于：所述通过实现标定好的LPG传感单元序号，对甲烷泄漏位置进行定位的过程为：每个LPG传感单元对应一个窄带的波长范围，为0.1nm，每个LPG传感单元的波长间距大致为0.4nm.同一光源可以携带80个LPG传感单元；在施工时对传感单元进行标记，以确定在监测区域的位置；当某一LPG传感单元处接收到甲烷气体时，该LPG传感单元的包层折射率发生变化导致谐振波长峰值点移动，通过光谱仪即监测得到对应LPG传感单元，通过对应LPG传感单元的标号可得到具体甲烷泄漏的位置。
6.根据权利要求1所述的可定位的甲烷泄漏监测系统，其特征在于：所述串联有多个LPG传感单元的单模光纤为多个，能够并行输出，由光谱解调系统的计算和处理得到泄漏浓度的情况。
7.根据权利要求1所述的可定位的甲烷泄漏监测系统，其特征在于：所述光谱解调系统仅对LPG传感单元的波长变化敏感，不受传感链路上信号强度起伏的影响。
8.根据权利要求1所述的可定位的甲烷泄漏监测系统，其特征在于：所述光谱解调系统检测的实时性好，敏感材料和气体的反应在几秒钟内即可造成LPG反射光谱的包层谐振模式特性变化。
9.根据权利要求1所述的可定位的甲烷泄漏监测系统，其特征在于：LPG的敏感长度在1cm内，当有小于1mL甲烷气体泄漏时，即可造成LPG传感单元反射光谱的包层谐振模式特性变化，实现高灵敏度探测。
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