基于TDLAS的管式GGH微泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

沈忠明 張?jiān)? 葉飛

【摘?要】TDLAS技術(shù)主要是利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)與窄線寬隨注入電流改變的特性，對(duì)單個(gè)或者距離相近的幾個(gè)難以分辨的吸收線進(jìn)行測(cè)量;具有高選擇性、同時(shí)測(cè)量多組分、反應(yīng)速度快、靈敏度高等方面的優(yōu)點(diǎn);本文具體分析了TDLAS技術(shù)應(yīng)用在管式GGH微泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】TDLAS技術(shù);監(jiān)測(cè)系統(tǒng);測(cè)量

一、背景

1.管式GGH在電廠廣泛應(yīng)用

目前，在國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策力度加大的大環(huán)境下，各燃煤火電企業(yè)都實(shí)現(xiàn)了超低排放，很多電廠進(jìn)行了煙氣消白技術(shù)改造，為了節(jié)能和環(huán)保的需要，管式煙氣冷卻器（GGH）在火電企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但隨之也帶來了一些設(shè)備問題，影響電廠機(jī)組運(yùn)行的可靠性。其中，管式煙氣冷卻器泄漏引發(fā)的問題最為明顯，已經(jīng)形成制約發(fā)電機(jī)組連續(xù)安全運(yùn)行的重要因素。

2.傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段局限性太大

目前常規(guī)微泄漏監(jiān)測(cè)手段都無法滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)要求及時(shí)發(fā)現(xiàn)的需求，因此，急需研發(fā)一種泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)煙冷器泄漏情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏模塊并隔離，防止故障擴(kuò)大。

傳統(tǒng)技術(shù)手段+原理+局限性。

3.TDLAS技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及研究現(xiàn)狀

TDLAS技術(shù)，即Tunable?Diode Laser?Absorption?Spectroscopy，該種技術(shù)的二極管采用半導(dǎo)體材料制成，因此也被稱之為“可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)”。該項(xiàng)技術(shù)主要從上世紀(jì)90年代開始，發(fā)展速度非常快，并且由于其具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、對(duì)所有的紅外都有吸收的活躍分子都有效、高選擇性等眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地解決傳統(tǒng)大氣在線檢測(cè)系統(tǒng)存在的缺陷，致使其被廣泛地推廣和應(yīng)用在環(huán)境大氣檢測(cè)中。

TDLAS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）具有靈敏度高、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，在不失靈敏度的基礎(chǔ)上，其時(shí)間分辨率能夠控制在毫秒量級(jí);2）對(duì)所有的紅外都有吸收的活躍分子都有效的通用技術(shù)，并且能夠更加方便的改成測(cè)量其他組分的儀器，能夠?qū)⑵涓某赏瑫r(shí)測(cè)量多組分的檢測(cè)儀器;3）高選擇性，高分辨的光譜技術(shù)，不受其它氣體的干擾，這一特點(diǎn)與大氣在線檢測(cè)系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì);4）能夠自動(dòng)修正壓力變化、環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響;5）儀器沒有運(yùn)動(dòng)元件，維護(hù)方便、可靠性相對(duì)較高;6）不需要進(jìn)行采樣預(yù)處理，就能夠?qū)ιa(chǎn)過程進(jìn)行控制，并且響應(yīng)速度非常快;7）測(cè)試儀器內(nèi)部設(shè)定有標(biāo)定腔，在檢測(cè)過程中可以定時(shí)自動(dòng)標(biāo)定，不需要進(jìn)行手動(dòng)操作。

上世紀(jì)七十年代，美國(guó)科學(xué)家Hinkley和Reid首次提出TDLAS技術(shù)以來在短短十幾年的時(shí)間里，該技術(shù)得到了極大的發(fā)展，具體表現(xiàn)在作為檢測(cè)光源的近紅外半導(dǎo)體激光器工作性能更加穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)，體積更小型化。同時(shí)TDLAS氣體檢測(cè)技術(shù)正朝著高精度，高靈敏度，低檢測(cè)限，使用環(huán)境更加豐富等方向發(fā)展，己經(jīng)可以被廣泛用于尾氣檢查，氣體檢漏，燃燒排放量檢測(cè)等多種場(chǎng)合。歐美日等一些發(fā)達(dá)國(guó)家的氣體分析儀公司也開始將TDLAS檢測(cè)技術(shù)作為一種重要的氣體檢測(cè)方式用于產(chǎn)品制造。國(guó)內(nèi)對(duì)干TDLAS技術(shù)研究始于日絲紀(jì)八十年代，1999年國(guó)內(nèi)第一臺(tái)紅外差分激光吸收雷達(dá)由中科院安徽光機(jī)所研制成功，在之后的時(shí)間里該技術(shù)在國(guó)內(nèi)取得了較快發(fā)展。2018年Yin 基于TDLAS檢測(cè)原理設(shè)計(jì)出一套符合石油工業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求測(cè)量丙烷和丁烷含量的傳感器系統(tǒng)，計(jì)算出的丙烷和丁烷濃度（在氣體混合物樣品中）的所有爆炸下限相對(duì)誤差低于3%。

二、TDLAS技術(shù)原理

直接吸收法是通過檢測(cè)氣體透射光強(qiáng)或者反射光強(qiáng)的變化強(qiáng)弱達(dá)到檢測(cè)氣體濃度的目的，每個(gè)氣體分子都有自己的吸收譜即對(duì)特定頻率的激光進(jìn)行選頻吸收，當(dāng)光源的發(fā)射波長(zhǎng)和氣體的吸收波長(zhǎng)重合時(shí)，光強(qiáng)會(huì)被部分吸收，根據(jù)這一點(diǎn)，利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)可調(diào)諧的特點(diǎn)，使激光器的輸出波長(zhǎng)能在被測(cè)氣體分子的吸收峰附近掃描，得到待測(cè)氣體分子的吸收譜線，進(jìn)行濃度分析。

諧波檢測(cè)法技術(shù)，波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)（諧波檢測(cè)法）可以通過一個(gè)掃描信號(hào)和正弦信號(hào)的疊加信號(hào)改變半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)。當(dāng)被測(cè)氣體的最強(qiáng)吸收峰所在波長(zhǎng)的位置與激光器輸出波長(zhǎng)重合的時(shí)候，可以得到所需吸收光譜，這種方法相比與直接吸收法具有更高的靈敏度。其檢測(cè)過程為，在掃描信號(hào)上疊加高頻正弦信號(hào)，通常還需要添加直流信號(hào)，（偏置電壓），加載到半導(dǎo)體激光器上，掃描信號(hào)的作用為改變半導(dǎo)體激光器溫度和電流進(jìn)而改變激光器的輸出波長(zhǎng)和輸出功率，利用該辦法進(jìn)行波長(zhǎng)改變和連續(xù)掃描，確保激光的輸出波長(zhǎng)在掃描過程中總能夠在某個(gè)工作點(diǎn)與氣體吸收峰重合。正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)主要起信號(hào)檢測(cè)的作用，經(jīng)過氣體吸收產(chǎn)生包含了被測(cè)氣體濃度信息的高次諧波信號(hào)，通過對(duì)高次諧波信號(hào)分析獲取被測(cè)氣體的濃度。高次諧波信號(hào)的提取主要有三種不同方式，一種是通過鎖相放大器的方式，將與頻率為調(diào)制信號(hào)整數(shù)倍的正弦信號(hào)或者方波信號(hào)作為參考信號(hào)，將經(jīng)過氣體吸收的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)作為被檢測(cè)信號(hào)，利用鎖相放大器提取出所需各次諧波信號(hào)。

二次諧波反演氣體濃度，二次諧波的幅值正比于待測(cè)氣體濃度乘以有效光程，因此在有效光程不變情況下可以直接利用處理后的二次諧波信號(hào)幅值用來反演待測(cè)氣體的濃度，需要注意的是，在反演前，我們需要找到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，提取己知的氣體二次諧波幅值，通過標(biāo)準(zhǔn)氣體的二次諧波信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)濃度值來進(jìn)行最小二乘法直線擬合，獲得擬合直線和擬合度，之后我們通過這個(gè)擬合方程結(jié)合被測(cè)氣體二次諧波幅值即可推斷待測(cè)氣體的濃度。TDLAS檢測(cè)檢測(cè)平臺(tái)的性能是需要通過擬合度來判斷的，當(dāng)激光器輸出波長(zhǎng)等于在甲烷吸收峰對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處二次諧波幅值甲烷濃度成正比，即完全線性即擬合度為1，但實(shí)際系統(tǒng)中，受到各種條件的限制，擬合度不可能完全等于1。

基于TDLAS檢測(cè)的基本原理，本系統(tǒng)將分不同的功能模塊，每一個(gè)模塊應(yīng)一種或若干種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同一模塊在功能相同的情況下可以根據(jù)測(cè)量精度及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，選用不同的設(shè)備。TDLAS系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分包括：信號(hào)發(fā)生模塊，光源模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊，氣體吸收池模塊，二次諧波提取模塊。其中信號(hào)發(fā)生模塊負(fù)責(zé)提供激光器的調(diào)制電壓，調(diào)制信號(hào)和掃描信號(hào)，在直接測(cè)量法中，可以直接將掃描信號(hào)輸入激光器中，在示波器下直接觀察經(jīng)過光電探測(cè)器接收的吸收信號(hào)。在諧波檢測(cè)法中，需要將調(diào)制信號(hào)疊加在掃描信號(hào)上作為輸入信號(hào)接入到激光器中。光源模塊負(fù)責(zé)輸出可調(diào)諧的激光，氣體吸收模塊的作用是讓光信號(hào)經(jīng)過氣體充分吸收。光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，之后再利用二次諧波提取模塊從電信號(hào)中解調(diào)出二次諧波分量。通過在CCS7.0平臺(tái)下利用C語(yǔ)言編寫相應(yīng)DSP算法，利用DSP開發(fā)板完成將獲取到二次諧波信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的濃度且進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示功能。

基于本系統(tǒng)下諧波檢測(cè)法，具體檢測(cè)過程為利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)低頻掃描信號(hào)和一個(gè)高頻的調(diào)制信號(hào)，利用加法器進(jìn)行疊加作為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器輸入信號(hào)，使得激光器輸出激光的頻率和光強(qiáng)同時(shí)受到輸入電壓的調(diào)制，輸出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡進(jìn)行準(zhǔn)直再通過裝有甲烷氣體吸收池，經(jīng)過光電探測(cè)器接收的信號(hào)中包含有氣體濃度的二次諧波信號(hào)，而諧波檢測(cè)法的關(guān)鍵在于解調(diào)二次諧波信號(hào)。

三、dTDLAS技術(shù)在嘉華電廠的具體應(yīng)用

1.項(xiàng)目概況

本次測(cè)量系統(tǒng)安裝在浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司7號(hào)鍋爐（1000MW）C和D兩個(gè)管式GGH煙道出口處，每個(gè)煙道安裝兩套設(shè)備，共四套，安裝采用對(duì)穿式，發(fā)射端和接收端安裝在煙道兩側(cè)同一中心線上。

2.測(cè)量流程

TDLSA技術(shù)采用可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)，因此譜線的選擇至關(guān)重要。譜線選擇的原則包括：選擇測(cè)量的吸收譜線既需要適合用于TDL的中心波長(zhǎng)，還應(yīng)該在吸收區(qū)域與其他氣體分子不存在交叉吸收現(xiàn)象，這樣能夠排除其他氣體分子對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響;譜線不能位于多種氣體吸收的交叉譜帶，這樣會(huì)導(dǎo)致其他氣體分子干擾測(cè)量精度;譜線中心波長(zhǎng)必須和光探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)、TDL中心波長(zhǎng)相適應(yīng)。

激光由TDLAS控制箱發(fā)出，每個(gè)控制箱發(fā)出兩道激光，四道激光對(duì)應(yīng)四個(gè)發(fā)射端，激光發(fā)出由光纖傳輸?shù)浇邮斩耍?jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后通過光學(xué)楔片被安裝在煙道對(duì)面的接收端接收（激光經(jīng)非球面透鏡聚焦后被光電探測(cè)器接收），接收端接收到激光信號(hào)后經(jīng)同軸電纜將信號(hào)傳回TDLAS控制箱中，控制箱接收到信號(hào)后通過板卡線將信號(hào)傳輸?shù)焦た貦C(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，最終把光強(qiáng)曲線和水蒸氣濃度曲線在顯示器上顯示出來。空調(diào)可保證設(shè)備在惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，UPS保證設(shè)備在斷電的情況下持續(xù)運(yùn)行，不間斷監(jiān)測(cè)泄漏情況。

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（作者單位：浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司）