DE19823918C2 - Verfahren zur Detektion von Erdgas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Erdgas durch den Nachweis vorgegebener Gaskomponenten davon.

Leckagen an Erdgasleitungen stellen nach wie vor ein er­ hebliches Sicherheitsrisiko dar. Die frühzeitige Erkennung von Leckagen minimiert nicht nur die Unfallgefahr, sondern stellt daneben auch einen nicht zu vernachlässigenden wirt­ schaftlichen Faktor für die Gasversorgungsunternehmen dar.

Die Detektion von undichten Stellen im Leitungsnetz er­ folgt üblicherweise mit transportablen Lecksuchgeräten. Damit werden beispielsweise Messungen entlang einer im Boden verlegten Gasleitung vorgenommen. Eine gegenüber der Umgebung erhöhte Methankonzentration deutet auf eine Leckage hin. Gemessen wird im allgemeinen nicht spezi­ fisch Methan, sondern der Kohlenwasserstoffgehalt der At­ mosphäre. Dabei ergibt sich das Problem der Querempfind­ lichkeit. So können erhöhte Kohlenwasserstoffkonzentratio­ nen auch aus anderen Emissionsquellen entstehen, wie bei­ spielsweise aus dem Fahrzeugverkehr.

Die Messung von Methan alleine reicht zur absolut siche­ ren Identifizierung von Erdgas nicht aus. Methan wird bei­ spielsweise auch von landwirtschaftlichen Betrieben und von Deponien emittiert.

Bei der Suche nach Erdgas-Leckagen werden verschie­ dene Detektionsprinzipien angewandt. Zum Einsatz kom­ men Pellistoren, Metalloxid-Gassensoren, Flammenionisa­ tionsdetektoren (FID), sowie Meßverfahren auf der Grund­ lage optischer Absorption im mittleren Infrarotbereich. Sämtliche dieser herkömmlichen Verfahren bestimmen je­ doch mehr oder weniger den gesamten Kohlenwasserstoff­ gehalt. Pellistoren beispielsweise, die auf der Basis einer ka­ talytischen Verbrennung des Methans detektieren, sind an­ fällig gegen bestimmte Störgase, wie siliziumhaltige Gase. Dies führt allgemein zu einem Empfindlichkeitsverlust und verminderter Detektionssicherheit. Die selektive Erfassung einzelner Gaskomponenten, wie beispielsweise Methan, ist nicht gegeben. Damit ergibt sich ein erhöhter Aufwand bei der eindeutigen Identifizierung von Erdgasleckagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion von Erdgas bereitstellen mit dem Erdgas zu­ verlässig detektierbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Nachteile im Stand der Technik vermieden werden können, indem die Konzentrationen von mindestens zwei Bestand­ teilen von Erdgas selektiv gemessen werden und aus dem Verhältnis der Konzentrationen eine Unterscheidung zwi­ schen Erdgas oder nicht-Erdgas getroffen werden kann.

Die in dem Verfahren verwendete Meßmethode ist die Laserspektroskopie. Darin werden vorzugsweise DFB-La­ serdioden (Distributed Feedback-Dioden) verwendet. Die Durchstimmung des Lasers bedeutet, daß dieser auf der Ein­ gangsseite elektrisch mit zunehmender Stromstärke beauf­ schlagt wird und, einhergehend mit zunehmender Tempera­ tur, die Emissionswellenlänge des Lasers in einen bestimm­ ten Bereich ansteigt. Zu den verfahren der Laserspektrosko­ pie zählen auch die Detektion der Harmonischen, Hetero­ dynspektroskopie und photoakustische Verfahren.

Der Laser wird so ausgewählt, daß seine Emissionswel­ lenlänge in dem Bereich einer Bande von Methan liegt, in­ nerhalb der eine ausgewählte Absorptionslinie vorhanden ist, die für die Methandetektion herangezogen wird. Bei be­ nachbart liegenden Absorptionslinien von Methan und Et­ han wird mit einem Laser gearbeitet. Die durch den Ab­ stimmbereich vorgegebenen Emissionswellenlängen des Lasers müssen den Bereich der zu detektierenden Absorpti­ onslinien überdecken. Absorptionsbanden von Methan lie­ gen beispielsweise bei 1,66 und 3,31 µm.

Im folgenden wird anhand einer schematischen Figur ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben.

Die Figur zeigt einzelne Absorptionslinien von Gaskom­ ponenten in Relation zum Bereich der Emissionswellen­ länge eines DFB-Lasers.

Die Messung der Gaskonzentration beruht auf der Ab­ sorptionsmessung im nahen Infrarotbereich. Hierbei kom­ men insbesondere Oberwellenbande von Methan und Ethan in Frage. Die Zentren charakteristischer Banden liegen für Methan bei 1,66 µm und für Ethan bei 1,69 µm. Die Figur stellt das Absorbtionsspekrum im überlappenden Bereich der Methan- und Ethanbanden dar. In diesem Bereich liegen Absorptionslinien von Ethan benachbart zu solchen von Methan. Bei der Absorptionsmessung wird insbesondere die geringe Linienbreite des von Laserdioden (DFB-Laser­ diode) emittierten Lichtes zur spektral aufgelösten Messung an einzelnen Vibrations-Rotationsübergängen ausgenutzt. In Verbindung damit ergibt sich eine hohe Selektivität bei jeder einzelnen Gasart.

Erdgas setzt sich beispielsweise aus den Hauptkompo­ nenten Methan, Ethan, Propan, Butan, Kohlendioxyd und Wasser zusammen. Verschiedene Literaturangaben zeigen eine relativ geringe Spannbreite bezüglich der einzelnen Konzentrationen. In jedem Fall übersteigt jedoch der Me­ than-Anteil 80%, der Ethan-Anteil liegt unter 10%. Die Konzentration der übrigen Komponenten liegt im Prozent­ bereich oder darunter. Vor der Einspeisung in ein Leitungs­ netz wird das Erdgas von höher siedenden Kohlenwasser­ stoffen gereinigt und die Zusammensetzung wird über­ wacht. Die Identifizierung von Erdgas kann durch Messung von mindestens zwei Gaskomponenten, wie beispielsweise Methan und Ethan erfolgen. Aus den bekannten Konzentra­ tionsverhältnissen im Erdgas kann eine Unterscheidung zwischen Erdgas und anderen Quellen von Methan, bei­ spielsweise Faulgas, getroffen werden, deren Gaszusam­ mensetzung sich von der Zusammensetzung von Erdgas charakteristisch unterscheidet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung stellt sich wie folgt dar:

Die Messung geschieht im nahen Infrarotbereich im lang­ welligen Zweig der Oberwellenbande von Methan bei 1,66 µm. Hier überlappen die Banden von Methan und Et­ han. Die Emissionswellenlänge eines Lasers wird durchge­ stimmt, so daß die Absorptionslinien zweier oder mehrerer relevanter Gase, die in diesem Wellenlängenbereich liegen, abgetastet werden. Die Absorptionslinien der entsprechen­ den Gase bzw. Gaskomponenten des Erdgases müssen eine ausreichende Stärke aufweisen. Will man z. B. zur Erzie­ lung höchster Sensitivität die jeweils stärksten Absorptions­ linien der beiden Banden verwenden, so kann man dafür zwei Laserdioden mit zwei entsprechenden Emissionswel­ lenlängen einsetzen.

Die Figur stellt insbesondere das Absorptionsspektrum von Methan und Ethan um 1,68 µm Wellenlänge, aufgenom­ men mit einem-Fourier-Transform-Spektrometer, dar. Inner­ halb des Abstimmbereiches einer typischen DFB-Laser­ diode sind mehrere Absorptionslinien von Methan oder Et­ han der Messung zugänglich.

Claims (6)

1. Verfahren zur Detektion von Erdgas mittels Laser­ spektroskopie im Infrarotbereich, bei dem zusätzlich zu Methan wenigstens eine weitere Gaskomponente von Erdgas detektiert wird, indem die Emissionswel­ lenlänge eines Lasers über einen Wellenlängenbereich durchgestimmt wird, der mindestens eine Absorptions­ linie von jedem der zu detektierenden Gaskomponen­ ten enthält und die Konzentration jeder Gaskompo­ nente durch Absorptionsmessung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin eine weitere Gaskomponente Ethan ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, worin Absorptionsmessungen im nahen Infrarot­ bereich in den Absorptionsbanden von Methan vorge­ nommen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die Absorptions­ messung in einer Absorptionsbande von Methan bei 1,66 µm oder 3,31 µm geschieht.

5. Verfahren nach eine der vorhergehenden Ansprü­ che, worin DFB-Laserdioden eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, worin gleichzeitig mehrere Laser zur Detektion der verschiedenen Gaskomponenten eingesetzt wer­ den.