基于TDLAS的甲烷傳感器在綜合管廊燃氣艙中應用探討

楊 常 華

(山西省信息產業技術研究院有限公司，山西 太原 030012)

1 概述

近年來隨著我國城市基礎設施的不斷建設，各省市的城市地下綜合管廊陸續建成并投入使用，已經成為當今城市現代化建設的熱點和衡量城市建設現代化水平的標志之一。建成后的城市地下綜合管廊為城市的發展提供巨大作用的同時，管廊本身的安全問題也越來越受到人們的關注。城市地下綜合管廊內部承載了大量的重要管線，一旦有電力電纜損壞引發火災、燃氣泄漏引發燃爆等事故的發生，其所帶來的損失和影響將十分巨大。

本文從工程實踐(山西綜改區某街道地下綜合管廊項目)方案優化設計出發，針對管廊燃氣艙天然氣泄漏匯聚易發生燃爆及缺氧等事故的情況，結合管廊結構、火災消防規范的要求，提出使用可調諧半導體激光吸收光譜技術(TDLAS)進行實時在線監測燃氣艙的可燃氣體方案，此技術在管廊環境監測和火災檢測報警等建設方面具有較大的推廣應用價值。

2 TDLAS可燃氣體檢測技術簡介

20世紀80年代末90年代初，隨著分布式反饋激光器(DFB)的研制成功，可調諧半導體激光吸收光譜技術(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy簡稱TDLAS)開始受到人們的廣泛關注。利用半導體激光器波長調諧特性，獲得被測氣體分子的吸收光譜，從而對氣體進行定性或定量分析，由于激光的高單色性、方向性、高集中性，利用氣體分子的一條孤立的吸收譜線對氣體的吸收光譜進行測量，可方便地從混合成分中鑒別出不同的分子，避免其他光譜的干擾，使其成為氣體檢測的理想工具。對于監測易燃易爆的天然氣體來說,利用介質對光吸收而使光產生衰減這一特性制成的吸收型光纖氣體傳感器，具有相當高的測量靈敏度和精度、極高的氣體鑒別能力、快速的響應能力、性能穩定、傳感器元件壽命長無中毒現象等特性。同時利用光纖氣體傳感器和傳輸光纜等光纖器件可以方便組成光纖傳感檢測網絡,實現可燃氣體濃度數值的遠程實時在線監測及傳輸。基于激光的光纖氣體檢測原理見圖1。

3 燃氣艙可燃氣體檢測器選型原則

燃氣艙可燃易爆氣體主要是甲烷氣體，因此對燃氣艙的甲烷濃度的實時監測是燃氣艙安全運行的保障，同時管廊及其內部設備的運維是個長期的過程,甲烷氣體檢測報警設備應能長時間正常運行。結合管廊特點選用甲烷氣體檢測器應從以下幾點考慮:

1)穩定性。管廊環境中濕度比較大，一般的電氣設備長期在潮濕環境下，容易受到腐蝕，電氣元件會因腐蝕而受損降低使用壽命，因此檢測設備本身的防護能力決定了今后設備運行的穩定性。同時檢測傳感器應避免受管廊環境內其他氣體及化合物干擾而使元件中毒或壞死。所以在設備選型時應注意設備的本身防護能力，宜采用工作時間長，受環境影響小的設備。

2)安全性。由于燃氣艙可能存在燃氣泄漏爆燃危險, 設備易選用檢測測量范圍廣、精度高、抗電磁干擾的防爆本質安全型設備，以避免設備內部和暴露于潛在爆炸性環境的連接導線可能產生的電火花或熱效應能量而引起的爆燃事故。

3)實時性。管廊距離長，測點多，所有測點監測數據應實現實時在線監測，同步處理上傳，宜采用智能型、低功耗以及具有物聯網功能的智能儀表。

4)可維護性。在保證測量精度的同時應選用調校周期長，使用壽命長期穩定的設備，安裝完畢后盡可能免維護或少維護以減少管廊運維成本。

4 甲烷檢測器應用現狀

現階段連續監測甲烷氣體濃度技術除可調諧半導體激光光譜吸收型(TDLAS)外主要還有催化燃燒型、熱導型、紅外光譜吸收型(NDIR)等技術。催化燃燒型甲烷檢測器檢測精度較高、輸出信號較大、技術實現簡單、成本低廉,目前是我國甲烷濃度監測的主要技術手段而廣泛使用，但在實際應用中由于受催化燃燒式原理局限，普遍存在只在低濃度段(低于4% VOL)具有較高靈敏度和較好的響應曲線，而無法測量高濃度段甲烷氣體(甲烷爆炸濃度范圍為5% VOL～16% VOL)，并且其標校周期短以及元件有中毒現象而影響使用壽命；熱導型甲烷檢測器雖然測量范圍較廣，但在空氣中甲烷濃度較低時，熱敏元件很難通過甲烷空氣混合物熱導率的變化來測定甲烷濃度，低濃度測量時誤差大，只適用于測量高濃度段的甲烷(4% VOL～100% VOL)，因此在管廊內此類檢測器目前極少采用；紅外光譜吸收型甲烷檢測器測量范圍廣、標校周期及壽命較長但單臺成本較高，易受到水氣及其他碳氫類氣體干擾,管廊內的環境背景輻射以及溫度變化都會對傳感器產生影響(見表1)。

表1 現階段主要甲烷氣體檢測器性能對比表

根據GB 50838—2015城市綜合管廊工程技術規范要求，天然氣管道應在獨立艙室內敷設，每隔200 m設置防火分隔區，分隔區內每隔15 m可設一臺檢(探)測器，且檢(探)測器距其所覆蓋范圍內的任一釋放源不宜大于7.5 m。天然氣報警濃度設定值(上限值)不應大于其爆炸下限(體積分數)的20%；天然氣探測器應接入可燃氣體報警控制器，檢測濃度超過報警濃度設定值(上限值)時，應由可燃氣體報警控制器或消防聯動控制器聯動啟動通風設備；緊急切斷濃度設定值(上限值)不應大于其爆炸下限值(體積分數)的25%。

通過對比，TDLAS可調諧半導體激光光譜吸收型可燃氣體檢測器相較其他類型檢測器具有以下優點，特別適合地下綜合管廊距離長、潮濕、腐蝕環境中的甲烷監測。

1)氣體選擇性好，受環境影響小。甲烷氣體有自己的特征激光光譜吸收頻率，在進行氣體檢測時，可以方便的測量出混合氣體中甲烷氣體；TDLAS檢測器采用非接觸方法測量氣體，不受艙內環境和有毒氣體的影響而中毒和老化。

2)響應速度快、靈敏度高、穩定性好。TDLAS檢測器在開機相對較短的時間內就能正常工作，且當氣體濃度發生變化時，也比其他檢測方法更能及時作出反應。TDLAS檢測器不會引起檢測系統發熱，使檢測系統不至于因溫度的變化而受到影響，系統工作穩定性好，靈敏度高。

3)本質安全。TDLAS檢測器的采集和傳輸部分為光纖介質，在艙內為不帶電設備，無需做防爆處理，不會成為爆炸的點火因素，且不受電磁干擾，信噪比高，測量精度高。

4)超長距離、實時檢測。TDLAS檢測器采用光纖敷設組成傳感網，不需要布置任何的電源線及信號線，檢測信號傳輸速率快，滿足管廊長距離、實時在線監測要求。

5)使用壽命長，維護成本低。TDLAS檢測器系統使用壽命長，同時也不需要像傳統電化學設備每10 d左右標校一次以免失準或失效，減少了后期維護成本，彌補了前期建設成本較高的不足。

5 系統結構及功能

1)系統結構。管廊燃氣艙可調諧半導體激光吸收光譜型甲烷氣體檢測系統主要由激光甲烷傳感器、激光甲烷檢測控制器、可燃氣體報警控制器、傳輸光纜、電源以及其他監控設備等組成。系統結構圖見圖2。

在管廊防火區間電力艙吊裝口或逃生口設備夾層處設置1套可燃氣體報警控制器，可燃氣體報警控制器通過光纖環網將甲烷檢測數據上傳至監控中心可燃氣體報警主機。

在管廊燃氣艙防火分區段內頂部設置激光甲烷器傳感器，且設置間隔不大于15 m。每個區間內的甲烷傳感器通過光纜接入激光甲烷檢測控制器后接入區間內的可燃氣體報警控制器。

2)系統功能。可燃氣體報警系統與火災報警系統、視頻監控系統、出入口控制系統之間相互建立聯動；當燃氣艙內甲烷氣體濃度超過報警濃度設定值(爆炸下限的20%)時，由可燃氣體報警控制器啟動本區間及其相鄰區間的可燃氣體聲光報警器，同時聯動視頻系統，切換出該區間的視頻畫面，并發出報警信號至本區間火災報警聯動控制器，由火災報警控制器聯動啟動燃氣艙事故段區間及其相鄰區間的事故風機，并將該報警信號通過光纖環網傳至監控中心。當燃氣艙內燃氣濃度超過緊急切斷濃度設定值(爆炸下限的25%)時，持續報警1 min后，可燃氣體報警控制器聯動控制燃氣管道上相應區域的緊急自動切斷閥切斷燃氣回路。確保燃氣管廊設施正常、穩定運行。

6 結語

管廊燃氣艙甲烷氣體實時在線檢測要求響應快、精度高、可靠性高，同時管廊內甲烷氣體檢測傳感器安裝數量多，維護量大。通過探討適用于管廊燃氣艙甲烷氣體檢測器的選型原則，對比其他各類常用的甲烷氣體檢測技術，提出使用可調諧半導體激光光譜吸收型甲烷氣體檢測器對燃氣艙內燃氣泄漏所引起的周邊甲烷濃度變化進行實時在線監測。同時，利用其本身先進的光纖傳感器并集成管廊內各種物聯網傳感技術、視頻監測技術，實現管廊燃氣艙實時監測，異常報警、自動控制，全面提升城市地綜合管廊安全防護能力，具有較好的推廣應用價值。