CN106290248A - 油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，由多个探头气室与一台红外光电信号解调仪构成，探头气室两端分别通过光纤与红外光电信号解调仪相连接，光纤长度可达数千米，可以实现大氛围区域内多点危险泄漏气体现场、在线监测。该系统装置基于光纤器件实现差分光谱的获取，实现了甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷5种气体成分的同时监测，有效解决了可调谐半导体激光器红外吸收光谱技术应用于油气开采、储运行业中危险泄漏气体检测时的技术困难，充分发挥出其技术优点，为该行业危险泄漏气体的监测提供了有效、可靠的新一代技术手段。

Description

油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置

技术领域

本发明涉及油气开采、储运过程中危险泄漏气体的光纤传感监测领域，是一种基于可调谐半导体激光器吸收光谱技术以及差分光谱方法的多气体光纤传感系统装置。

背景技术

当前，我国能源需求快速增长，同时，油气资源在我国能源消耗中所占的比重也逐年提高。因此，油气资源开采、储运的安全是我国可持续发展的重要保障。由于油气资源开采、储运过程中涉及大量易燃易爆危险挥发气体(如甲烷、乙烯、乙炔、异戊烷等)，并且相关开采工艺、设备运行复杂，因而存在各种发生危险气体泄漏的潜在风险。一旦发生泄漏则会导致火灾、爆炸或污染等灾难性事故，造成重大生命财产损失。因此在油气资源开采、储运行业中，对危险泄漏气体进行现场、实时监测是油气资源生产活动得以安全进行的基本保障措施。

油气开采与储运行业中所采用的传统的气体传感器主要有催化燃烧式、热传导式、半导体式、电化学式等。但是，其检测范围较窄，系统稳定性差，并且可能与其它杂质气体发生反应，造成测量结果的严重偏差。近年来，利用气体吸收光谱特性的红外吸收光谱技术被广泛应用于气体检测中，特别是基于可调谐半导激光器的红外吸收光谱技术，因为其光谱分辨率高、可调谐半导体激光器光源可靠性高以及气体探测灵敏度高等优点，非常适用于痕量气体成分的分析检测。然而，由于油气开采、储运行业中所涉及危险气体种类繁多、成分复杂，且有的气体成分并无分立特征吸收峰，而是表现出较宽的吸收光谱带，给相应气体的定量分析带来困难。由于上述事实，目前可调谐半导体激光器红外吸收光谱技术在我国油气开采与储运行业中的应用还较少，尚缺乏基于该技术并可实现油气开采与储运行业中危险泄漏气体现场监测的系统装置，不利于该技术在油气开采与储运行业中危险泄漏气体监测领域的应用和推广。

发明内容

在油气开采与储运行业中，甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷是常见易泄漏的易燃易爆气体。甲烷、乙烯与乙炔气体的吸收光谱中存在明显且分立的特征吸收峰，可以通过计算光谱中吸收峰峰值与光谱背景值的比值即可计算反演处相应气体的浓度。然而，丙烷与异戊烷的吸收光谱往往在整个可调谐半导体激光器波长扫描范围内均表现出明显的吸收，并无分立的特征吸收峰，这给相应气体浓度的计算反演带来了困难，使得传统系统装置无法实现对丙烷与异戊烷的检测，从而无法应用到油气开采与储运行业中。为了发挥可调谐半导体激光器红外吸收光谱技术对危险泄漏气体进行检测的技术优势，推动该技术在油气开采、储运行业中的广泛应用，本发明提出一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置。该装置集成多支可调谐半导体激光器与红外光电探测器，并基于光纤器件实现差分光谱的获取，实现了甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷5种气体成分的同时监测。该系统装置不但可以对具有分立特征吸收峰的甲烷、乙烯、和乙炔气体进行精确定量检测，还可以实现对具有宽吸收光谱波段的丙烷和异戊烷实现精确定量检测。该种装置有效解决可调谐半导体激光器红外吸收光谱技术应用于油气开采、储运行业中危险泄漏气体检测时的技术困难，充分发挥出其技术优点，为该行业危险泄漏气体的监测提供了有效、可靠的新一代技术手段。

本发明采用的技术方案如下：

一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：包括红外光电信号解调仪以及多个(可达到六个以上)分别安装在气体监测点构成危险泄漏气体的监测网络的探头气室，所有探头气室两端分别通过光纤与光电信号解调仪连接，光纤长度达数千米，可以实现大氛围区域内多点危险泄漏气体现场、在线监测；

所述的探头气室上开有铜制粉末冶金透气窗口，可以有效过滤粉尘并正常透过气体分子，气体通过扩散的方式进入到气室内部，探头气室内封装有赫里奥特气体吸收池，吸收池内设有可以实现探测光多次反射的球面镜；

所述的红外光电信号解调仪内集成有多支可调谐半导体激光器，所述的多支可调谐半导体激光器为中的一支可调谐半导体激光器输出的光束作为参考光束，其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，多支可调谐半导体激光器出射的红外探测光束经过光纤传输至危险泄漏气体监测点处，并从探头气室的其中一端入射进入赫里奥特气体吸收池，红外探测光束在吸收池内经过两球面镜的多次反射后从探头气室另一端出射，并经光纤继续传输回到红外光电信号解调仪，红外光电信号解调仪实现红外激光探测光束的出射与接收，进而实现对拟监测气体的红外吸收光谱相应光信号的转换与分析，最终实现气体浓度的计算、显示以及超限报警。

红外光电信号解调仪内还集成有波分复用器、分束器、光纤、解波分复用器、红外光电探测器、红外光电探测器数据采集电路、电源、微控制器、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片以及显示报警模块。电源为整个系统装置中各电路、芯片以及模块进行供电。微控制器在电源的供电下，与红外光电探测器数据采集电路、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片以及显示报警模块连接并进行实时通信。所述的多支可调谐半导体激光器为6支可调谐半导体激光器，在所述的6支可调谐半导体激光器中，一支可调谐半导体激光器输出的光束作为参考光束，其中心波长为1532nm，在系统装置的工作环境中不存在任何气体对该波长具有吸收效应；其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，其中，中心波长为1653.7nm的光束对甲烷进行检测，中心波长为1621nm的光束对乙烯进行检测，中心波长为1529nm的光束对乙炔进行检测，中心波长为1684nm的光束对丙烷进行检测，中心波长为1700nm的光束对异戊烷进行检测。

微控制器控制激光器驱动电路为可调谐半导体激光器加载扫描电流，驱动可调谐半导体激光器输出红外激光光束并通过光纤进行传送。激光器温度控制电路实时感知可调谐半导体激光器工作时的温度，并给予反馈控制，以防止可调谐半导体激光器输出波长的漂移。6支可调谐半导体激光器同时输出不同波长的红外探测激光束，所述的不同波长光束经过波分复用器被耦合进入同一光纤并传送至分束器。一根光纤内的光束经过分束器后被分成多路，并在多路光纤中继续传送，其中被分成光路的数量与危险泄漏气体监测点的数量一致，每一光路中都由多波长光束进行传送，并到达危险泄漏气体监测点处的探头气室。光束在探头气室内经过多次反射后从其中出射，并继续在相应光路光纤中传送至红外光电信号解调仪内的解波分复用器。与各个气室探头相对应的每一路光纤与相应解波分复用器相连接，所述每一路光纤内传送的光束按照波长被解波分复用器分解成多路光纤，所述分解后的每一路光线中只含有一种波长的光束在传送，此时，每一路光纤中传送的光束都具有特定波长，并且除了参考波长光束外，都携带有特定探头气室所对应气体的浓度信息。所述每一路光纤中的光束最终照射到红外光电探测器的光敏面上，并引起光电流。

光电流注入到红外光电探测器数据采集电路内，经过去噪、放大以及模数转换后发送给微控制器，由微控制器对其进行分析处理。微控制器将计算得到的各种气体浓度值发送给显示报警模块用于显示，并在浓度超限时予以报警。温度传感芯片与压力传感芯片实时获取系统装置工作环境的温度和压力，并传送给微控制器，作为气体浓度反演计算的温度、压力补偿，保证了气体浓度计算误差低于满量程的5％。

油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置的有益效果是：

(1)系统装置内集成有6支可调谐半导体激光器，并通过波分复用器与解波分复用器对不同波长的光束进行整合与分解，可以同时实现对5种气体的监测；

(2)系统装置的探测光束通过光纤进行传送，且装置内集成有分束器与多个探头，可根据气体监测点的数量与位置灵活设置探头的数量与安装位置，受监测现场空间地形的影响较小；

(3)系统装置以光纤作为探测红外光束的传输媒介，可以实现光束的远距离传输且保持低损耗，从而系统装置可实现大区域范围内的探头气室布点，形成大区域面积内的传感网络，仅一台系统装置，其监测范围即可有效覆盖整个监测现场区域。

(4)系统装置所集成的6支可调谐半导体激光器中，其中一支输出的光束作为参考光束，其对应波长的光束在监测现场并无吸收现象，其它可调谐半导体激光器各自输出的波长对拟监测气体分别具有明显吸收。此种设置实现了差分光谱方法，可以有效解决大分子气体(如丙烷、异戊烷)因为其红外光谱吸收呈带状而对其浓度反演计算带来的技术困难，实现了各种气体浓度的精确反演计算，误差低于满量程的5％。

(5)系统装置中采用温度传感芯片与压力传感芯片，对气体浓度的计算实时进行温度、压力补偿，使得气体浓度计算的误差低于满量程的5％。

附图说明

图1为油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置示意图。

图2为系统装置对异戊烷气体的检测光谱，图中可见异戊烷吸收光谱呈带状，而无分立的吸收峰，且异戊烷吸收光谱强度随着异戊烷浓度的降低而降低；

图3为系统装置的异戊烷标定示例；

图4为系统装置对甲烷气体的检测光谱；

图5为系统装置的甲烷标定示例；

具体实施：

如图1所示，一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：包括红外光电信号解调仪以及多个(可达到六个以上)分别安装在气体监测点构成危险泄漏气体的监测网络的探头气室，所有探头气室两端分别通过光纤与光电信号解调仪连接，光纤长度达数千米，可以实现大氛围区域内多点危险泄漏气体现场、在线监测；

所述的探头气室上开有铜制粉末冶金透气窗口，可以有效过滤粉尘并正常透过气体分子，气体通过扩散的方式进入到气室内部，探头气室内封装有赫里奥特气体吸收池，吸收池内设有可以实现探测光多次反射的球面镜；

所述的红外光电信号解调仪内集成有6支可调谐半导体激光器，由红外光电信号解调仪内6支可调谐半导体激光器出射的探测红外光束经过光纤传输至危险泄漏气体监测点处，并从探头气室的其中一端入射进入赫里奥特气体吸收池，探测光能在吸收池内经过两球面镜的多次反射后从探头气室另一端出射，并经光纤继续传输回到红外光电信号解调仪；红外光电信号解调仪实现红外激光探测光束的出射与接收，进而实现对相应光信号的转换与分析，最终实现气体浓度的计算、显示以及超限报警。

红外光电信号解调仪内还集成有波分复用器、分束器、光纤、解波分复用器、红外光电探测器、红外光电探测器数据采集电路、电源、微控制器、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片以及显示报警模块。

电源为整个系统装置中各电路、芯片以及模块进行供电。微控制器在电源的供电下，与红外光电探测器数据采集电路、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片以及显示报警模块连接并进行实时通信。在所述的6支可调谐半导体激光器中，激光器6输出的光束作为参考光束，其中心波长为1532nm，在系统装置的工作环境中不存在任何气体对该波长具有吸收效应；其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，其中，激光器1输出中心波长为1653.7nm的光束对甲烷进行检测，激光器2输出中心波长为1621nm的光束对乙烯进行检测，激光器3输出中心波长为1529nm的光束对乙炔进行检测，激光器4输出中心波长为1684nm的光束对丙烷进行检测，激光器5输出中心波长为1700nm的光束对异戊烷进行检测。

微控制器向激光器驱动电路发送产生扫描电流的命令，激光器驱动电路将产生的扫描电流加载到各个可调谐半导体激光器之上，使之产生红外激光束。激光器温度控制电路通过热敏电阻时刻感知可调谐半导体激光器工作时的温度，并通过温度控制模块对可调谐半导体激光器温度进行控制，形成闭环控制回路，保证可调谐半导体激光器工作温度的稳定，抑制其输出激光束波长的漂移。

各个激光器输出的红外激光束在光纤内传输，经过波分复用器被耦合进入同一根光纤内继续传输至分束器。同一根光纤内所有波长的光束被分束器分为多束并进入到相应的光纤光路中。由分束器分束后出射的每根光纤中的光束包含上述各可调谐激光器所输出波长的光束。

经分束后的光束在各自光纤中传输并到达相应的探头气室。监测点环境气体以自由扩散的方式，经过铜制冶金粉末透气窗口进入到探头气室内部的赫里奥特气体吸收池。光束从探头的一端进入到气室中的赫里奥特气体吸收池，光束经过多次反射后在气室内被待测气体充分吸收后，剩余的光能从吸收池的另一端出射，并沿着光纤继续传输至红外光电信号解调仪中。

上述光信号在光纤内传输至红外光电信号解调仪内的解波分复用器，每一路光信号经解波分复用器按照波长的不同再次被分成多束，此时，每一路光纤中传送的光束都具有特定波长，并且除了参考波长光束外，都携带有特定探头气室所对应气体的浓度信息。

上述每一路光纤中的光束最终照射到红外光电探测器的光敏面上，并引起光电流。每一路光电探测器产生的光电流注入到红外光电探测器数据采集电路中，经过该电路的滤波、放大以及模数转换后，最终的数字信号被送入到微控制器。

针对每一路探头气室，都存在6路光束并分别照射到6支红外光电探测器的光敏面上，所产生的6路光电流经过滤波、放大以及模数转换后所得到的强度值分别为I₁、I₂、I₃、I₄、I₅以及I₆，分别对应于中心波长为1653.7nm、1621nm、1529nm、1684nm、1700nm以及1532nm的光束在其相应中心波长处的强度值。中心波长为1532nm的光束为参考光束，由于该波长的光束在监测现场环境中并无吸收效应，其对应的强度值I₆作为光谱背景值，其余5波长光束对应的强度值I₁、I₂、I₃、I₄以及I₅则分别携带有甲烷、乙烯、乙炔、丙烷和异戊烷的吸收光谱信息。以异戊烷为例，其光谱吸收的吸光度α可表示为：

$\mathrm{\α}=\ln \frac{I_s}{I_s}---\left(1\right)$

其光谱吸收与其浓度c的关系可表示为：

$h_{*s}\≡h=.\left(2\right)$

其中k为比例常数，与探头气室的光程L以及环境的温度T、压力P等因素有关：

k＝f(T，P，L) (3)

系统装置在调试时按照公式(2)与公式(3)所描述的函数规律对甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷的浓度计算进行标定，并将标定程序写入微控制器的程序存储器内，例如该装置异戊烷的检测光谱示例如图2所示，定标结果如图3所示，甲烷的检测光谱示例如图4所示，定标结果如图5所示。

在实际的现场监测环境中，系统装置各个气室探头感知环境中甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷气体对相应光束能量的吸收，红外光电信号解调仪将各种气体对光能吸收的情况进行解调、量化，分别得到以及同时压力传感芯片与温度传感芯片实时感知监测现场的温度与压力变化，并将相应数值实时发送给微控制器。微控制器获取上述5组数据和现场的温度、压力数据，并将所述数据代入上述基于公式(2)和公式(3)得到的标定程序中，即可判断上述各气体在各个监测点处的有无并反演计算得到相应监测点处各气体的实时浓度。微控制器将计算结果发送给显示报警模块给予显示，并在气体浓度超限时控制显示报警模块给予及时报警。

该油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置在实际使用时探头气室的数量可以根据拟监测点的数量进行灵活设置。相应的，红外光电信号解调仪内红外光电探测器的数量以及相关光纤、电路接口等也可实现灵活扩展设置。该油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置在某石化企业的储罐园区内进行了长期示范运行，对甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷的测量范围为0-100％LEL，LEL为上述五种气体的爆炸下限，具体数值因气体种类而异。系统装置对上述五种气体的监测结果相对于真值的偏差均低于满量程的5％，数值波动均小于满量程的5％，系统装置相应时间均小于60秒。示范运行期间，系统装置运行状态良好，实现了对园区中甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷气体的现场、在线精确监测，为园区的油气存储提供了安全保障。

Claims (3)

1.一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：包括红外光电信号解调仪以及多个分别安装在气体监测点构成危险泄漏气体的监测网络的探头气室，所有探头气室两端分别通过光纤与光电信号解调仪连接，光纤长度达数千米，可以实现大氛围区域内多点危险泄漏气体现场、在线监测；

所述的探头气室上开有铜制粉末冶金透气窗口，探头气室内封装有赫里奥特气体吸收池，吸收池内设有可以实现探测光多次反射的球面镜；

所述的红外光电信号解调仪内集成有多支可调谐半导体激光器，所述的多支可调谐半导体激光器为中的一支可调谐半导体激光器输出的光束作为参考光束，其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，多支可调谐半导体激光器出射的红外探测光束经过光纤传输至危险泄漏气体监测点处，并从探头气室的其中一端入射进入赫里奥特气体吸收池，红外探测光束在吸收池内经过两球面镜的多次反射后从探头气室另一端出射，并经光纤继续传输回到红外光电信号解调仪，红外光电信号解调仪实现红外激光探测光束的出射与接收，进而实现对拟监测气体的红外吸收光谱相应光信号的转换与分析，最终实现拟监测气体浓度的计算、显示以及超限报警。

2.根据权利要求1所述的一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：所述的多支可调谐半导体激光器为6支可调谐半导体激光器，所述的6支可调谐半导体激光器中，作为参考光束的调谐半导体激光器的中心波长为1532nm，在系统装置的工作环境中不存在任何气体对该波长具有吸收效应；其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，其中，中心波长为1653.7nm的光束对甲烷进行检测，中心波长为1621nm的光束对乙烯进行检测，中心波长为1529nm的光束对乙炔进行检测，中心波长为1684nm的光束对丙烷进行检测，中心波长为1700nm的光束对异戊烷进行检测。

3.根据权利要求1所述的一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：所述的红外光电信号解调仪内还集成有波分复用器、分束器、光纤、解波分复用器、红外光电探测器、红外光电探测器数据采集电路、电源、微控制器、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片以及显示报警模块；

所述的电源为整个系统装置其它部分进行供电；所述的微控制器与红外光电探测器数据采集电路、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片以及显示报警模块连接并进行实时通信；

所述的微控制器控制激光器驱动电路为可调谐半导体激光器加载扫描电流，驱动可调谐半导体激光器输出红外激光光束并通过光纤进行传送；激光器温度控制电路实时感知可调谐半导体激光器工作时的温度，并给予反馈控制，以防止可调谐半导体激光器输出波长的漂移；多支可调谐半导体激光器同时输出不同波长的红外探测激光束，所述的不同波长光束经过波分复用器被耦合进入同一光纤并传送至分束器，分束器与多个分别安装在气体监测点构成危险泄漏气体的监测网络的探头气室分别通过光纤连接形成多路光纤，一根光纤内的光束经过分束器后被分成多路，并在多路光纤中继续传送，其中被分成光路的数量与危险泄漏气体监测点的数量一致，每一光路中都由多波长光束进行传送，并到达危险泄漏气体监测点处的探头气室；光束在探头气室内经过多次反射后从其中出射，并继续在相应光路光纤中传送至红外光电信号解调仪内的解波分复用器；与各个气室探头相对应的每一路光纤与相应解波分复用器相连接，所述每一路光纤内传送的光束按照波长被解波分复用器分解成多路光纤，所述分解后的每一路光线中只含有一种波长的光束在传送，此时，每一路光纤中传送的光束都具有特定波长，并且除了参考波长光束外，都携带有特定探头气室所对应气体的浓度信息；所述每一路光纤中的光束最终照射到红外光电探测器的光敏面上，并引起光电流；

光电流注入到红外光电探测器数据采集电路内，经过去噪、放大以及模数转换后发送给微控制器，由微控制器对其进行分析处理；微控制器将计算得到的各种气体浓度值发送给显示报警模块用于显示，并在浓度超限时予以报警；温度传感芯片与压力传感芯片实时获取系统装置工作环境的温度和压力，并传送给微控制器，作为气体浓度反演计算的温度、压力补偿。