氣體紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤制油領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

王亞雄

（國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

引 言

隨著石油資源的日益緊張，煤化工必將在今后的長(zhǎng)期發(fā)展中占據(jù)重要的地位。煤化工企業(yè)的有毒有害、易燃易爆氣體無處不在，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。煤化工領(lǐng)域中煉焦工業(yè)、煤氣化-合成氨、煤基甲醇、煤制合成油等都對(duì)可燃?xì)怏w和有毒氣體監(jiān)測(cè)產(chǎn)品有廣泛的需求，尤其是對(duì)二氧化硫、硫化氫、一氧化碳、氯氣、氨氣等氣體傳感器需求量非常大。目前工業(yè)上常規(guī)的接觸傳感型氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備大多是根據(jù)接觸到的氣體濃度進(jìn)行聲光報(bào)警，需要經(jīng)常更換傳感器等耗材，且需要頻繁和復(fù)雜的校準(zhǔn)；此外，接觸傳感型氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備還有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是被動(dòng)式的接觸，只有氣體擴(kuò)散到接觸點(diǎn)才可以監(jiān)測(cè)到，而且監(jiān)測(cè)的范圍較小，監(jiān)測(cè)的種類比較單一，在裝置突發(fā)多種氣體泄漏時(shí)需要人工監(jiān)測(cè)判斷。因此，研制生產(chǎn)一類性能可靠，可非接觸、遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)泄漏的氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成為當(dāng)下煤化工領(lǐng)域可燃?xì)怏w、有毒氣體監(jiān)測(cè)需要高度關(guān)注和亟需解決的焦點(diǎn)問題。國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油分公司進(jìn)行了煤制油氣體紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)，研發(fā)的氣體紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)在一定程度上解決了這一難題，該監(jiān)測(cè)儀可安裝在室外，其主要優(yōu)點(diǎn)為可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸式、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 煤制油氣體紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)的背景及意義

為加快推動(dòng)煤制油氣體紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制項(xiàng)目，國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油分公司于2020 年3 月申報(bào)了科研項(xiàng)目——煤制油氣體紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制項(xiàng)目，上級(jí)公司于2020 年3 月底進(jìn)行了批復(fù)并同意立項(xiàng)。項(xiàng)目基礎(chǔ)技術(shù)來源于北方夜視科技研究院集團(tuán)有限公司（乙方）的軍品技術(shù)。煤制油氣體紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)是在現(xiàn)有軍品技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行工程化研究和技術(shù)改造，利用傅里葉紅外光譜原理對(duì)氣體特征進(jìn)行識(shí)別，使用紅外寬波段響應(yīng)的熱成像技術(shù)開展半定量煤制油化工氣體泄漏監(jiān)測(cè)[1]，具體包括FTIR 紅外光譜分析儀工業(yè)監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)、遠(yuǎn)程通訊技術(shù)、氣體紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主被動(dòng)組合技術(shù)、有毒有害氣體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)等內(nèi)容。

該項(xiàng)技術(shù)研究以國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油公司（甲方）應(yīng)用為背景，完成紅外光譜產(chǎn)品的制作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)十種工業(yè)有毒有害氣體的識(shí)別。技術(shù)已擁有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)煤化工領(lǐng)域紅外氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的空白，并具備成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化的前景。未來，氣體紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)將進(jìn)一步擴(kuò)展紅外技術(shù)在工業(yè)安全、消防救援和環(huán)境保護(hù)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中的應(yīng)用，為煤化工科技服務(wù)乃至經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出積極貢獻(xiàn)。

2 氣體紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成與工作原理

氣體紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖見圖1，該系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)儀主機(jī)、云臺(tái)、計(jì)算機(jī)等組成。監(jiān)測(cè)儀主機(jī)、重載變速云臺(tái)、主控計(jì)算機(jī)與電源轉(zhuǎn)換器之間通過電纜實(shí)現(xiàn)供電和通訊連接。

圖1 氣體紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

將FTIR 紅外光譜分析儀、廣譜紅外光源分別固定在廠區(qū)的某個(gè)位置，根據(jù)需要監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域或監(jiān)測(cè)突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)，將廣譜紅外光源投射系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)儀安裝在固定平臺(tái)上，通過云臺(tái)控制水平或俯仰對(duì)目標(biāo)工業(yè)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至室內(nèi)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，可以實(shí)現(xiàn)廠區(qū)監(jiān)控。

煤制油紅外監(jiān)測(cè)儀主要用于遙測(cè)廠區(qū)半徑3 km以內(nèi)的7.6 μm～14.5 μm 波段被動(dòng)紅外光譜[2]，對(duì)于危險(xiǎn)氣體的泄漏實(shí)現(xiàn)非接觸式、遠(yuǎn)距離、迅速識(shí)別，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警以保證生產(chǎn)和人身安全。該監(jiān)測(cè)儀可固定安裝組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，也可以安裝在車輛上巡邏監(jiān)控，是環(huán)境監(jiān)測(cè)、大型活動(dòng)安防、工業(yè)園區(qū)監(jiān)控等領(lǐng)域一種新的解決方案。

3 煤制油氣體紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

氣體紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用大多數(shù)危險(xiǎn)氣體在紅外波段具有其特定的吸收（或發(fā)射）光譜的特征，在監(jiān)測(cè)過程中不需要任何外部的激發(fā)光源，即使在漆黑的夜晚也可以正常監(jiān)測(cè)。

從技術(shù)角度來說，采用傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜技術(shù)（Fourier-transform infrared spectroscopy）進(jìn)行環(huán)境化學(xué)氣體探測(cè)，具有響應(yīng)速度快、高信噪比和高光譜分辨率、工作穩(wěn)定、適合連續(xù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等顯著優(yōu)點(diǎn)。

鑒別器是核心信息處理單元，對(duì)監(jiān)測(cè)儀獲取的氣體云團(tuán)紅外干涉圖進(jìn)行光譜轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、特征提取和智能鑒別，將鑒別結(jié)果輸入報(bào)警單元。干涉儀選用時(shí)間調(diào)制式的FTIR 干涉儀，鑒別器選用特殊的智能自動(dòng)鑒別器。干涉儀和鑒別器均成功應(yīng)用于民用環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)儀中，在質(zhì)量、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性方面均滿足了使用需要。

惟實(shí)干方可書寫青年擔(dān)當(dāng)。青年人身上所富含的拼搏精神、挑戰(zhàn)意識(shí)、創(chuàng)新因子等特質(zhì)，必將對(duì)國(guó)之重器施與生生不息的動(dòng)力，也必將深刻地影響新時(shí)代的進(jìn)程與走向。

遙測(cè)報(bào)警器在鎮(zhèn)江綠色化工工業(yè)園區(qū)進(jìn)行過工業(yè)氣體光譜采集，在軍用產(chǎn)品的基礎(chǔ)上擴(kuò)充工業(yè)危險(xiǎn)氣體、背景及干擾物的紅外光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，并已經(jīng)在民用環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)儀上進(jìn)行過相關(guān)驗(yàn)證，從功能和性能上來說都能滿足工業(yè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控使用要求。可監(jiān)測(cè)工業(yè)危險(xiǎn)氣體種類包括在常溫（15 ℃～35 ℃）、常濕（相對(duì)濕度不大于70%）條件下的硫化氫、二氧化硫、丙烷、氨氣、乙烯、甲烷、六氟化硫、二氯甲烷、乙醚、甲醇等10 余種氣體，還可根據(jù)使用需求及探測(cè)器工作波段擴(kuò)展可探測(cè)氣體的種類，在國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油公司的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，探測(cè)測(cè)試氣體為氨氣。

遙測(cè)報(bào)警裝置具有以下功能：系統(tǒng)自檢功能；修改、設(shè)置工作參數(shù)功能；在線輻射定標(biāo)功能；方位俯仰二維空間掃描功能；向主控計(jì)算機(jī)輸出信息及通過計(jì)算機(jī)軟件操控遙測(cè)裝置功能；輸出遙測(cè)結(jié)果功能；儀器內(nèi)部低溫環(huán)控功能；可見光輔助觀察功能。

根據(jù)項(xiàng)目需求，研制出實(shí)用化的煤制油紅外監(jiān)測(cè)儀探測(cè)器/集成式制冷組件，其主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）可靠性大幅提高。原來使用分置式制冷機(jī)，制冷機(jī)系統(tǒng)在失效前的平均工作時(shí)間（mean time to failure，MTTF）為2 500 h，探測(cè)器組件整體的MTTF 為1 500 h。新研制的集成整體式制冷機(jī)，由于制冷機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)和加工工藝技術(shù)的改進(jìn)，應(yīng)用工質(zhì)隔離專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)內(nèi)部工質(zhì)與電機(jī)定子的隔離，降低工質(zhì)污染，提高運(yùn)行可靠性；活塞表面鍍制高硬度耐磨材料，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)高可靠、無油潤(rùn)滑及制冷工質(zhì)的間隙密封；采用彈性合金成型金屬密封圈，保證制冷機(jī)高可靠的工質(zhì)密封性能。通過以上措施使制冷機(jī)單體的MTTF 提高到12 000 h，考慮到探測(cè)器芯片等其他部件的壽命，探測(cè)器組件整體的MTTF 提高到10 000 h以上。（2）體積小、質(zhì)量輕。原來使用分置式制冷機(jī)，整個(gè)制冷機(jī)質(zhì)量為1.3 kg，改為集成整體式制冷機(jī)后質(zhì)量不超過0.65 kg。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為直流無刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)壓縮活塞和膨脹機(jī)冷指推移活塞，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)位于同一曲軸箱殼體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了體積小、質(zhì)量輕的技術(shù)指標(biāo)。（3）功耗減小。集成整體式制冷機(jī)由于制冷效率提高，在制冷量輸出相同的情況下，制冷機(jī)輸入電功率降至≤16 W，制冷機(jī)進(jìn)入控溫狀態(tài)后的穩(wěn)態(tài)功率≤8 W，電功耗減少后，可延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。

另外，針對(duì)該項(xiàng)目探測(cè)器組件對(duì)可靠性的要求，對(duì)探測(cè)器的性能在以下兩個(gè)方面進(jìn)行提升：一方面是提高抗沖擊振動(dòng)能力，提高環(huán)境適應(yīng)性；另一方面提高抗干擾能力。

4 氣體紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估

4.1 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

4.1.1 多種復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性

煤制油工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)儀主機(jī)所面臨的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣。同時(shí)，工業(yè)氣體常是多種氣體同時(shí)存在，報(bào)警容易受到干擾。因此，從組部件設(shè)計(jì)出發(fā)，有效提高各組部件的可靠性，進(jìn)而提高監(jiān)測(cè)儀整機(jī)的可靠性，增加其免維修間隔時(shí)間，是提高監(jiān)測(cè)儀工作壽命的關(guān)鍵。

4.1.2 遙測(cè)裝置的環(huán)境溫度適應(yīng)性

設(shè)備設(shè)計(jì)充分考慮了遙測(cè)裝置組合運(yùn)輸、貯存、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的環(huán)境條件和全壽命周期的環(huán)境剖面，同時(shí)兼顧現(xiàn)有技術(shù)水平和費(fèi)效比，解決了監(jiān)測(cè)儀低溫貯存和低溫工作的問題，對(duì)達(dá)不到溫度要求的激光器單獨(dú)加熱，使監(jiān)測(cè)儀能夠滿足在環(huán)境溫度-35 ℃～50 ℃下貯存和工作的技術(shù)要求[3]。

4.1.3 云臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)性

該云臺(tái)在工作過程中不能很好地滿足監(jiān)測(cè)儀的使用要求，尤其是在低溫工作時(shí)，常出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。根據(jù)監(jiān)測(cè)儀的使用要求和工作環(huán)境要求，選用了滿足使用要求的重載變速云臺(tái)，并具備以下功能：機(jī)身具有足夠的強(qiáng)度和剛度，整體采用相應(yīng)抗強(qiáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；云臺(tái)需要具有掉電自鎖功能，運(yùn)行平衡，可360 °旋轉(zhuǎn)；內(nèi)部電纜能夠抗大電流沖擊，在低溫時(shí)云臺(tái)仍然能夠平穩(wěn)運(yùn)行，不出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象；由于紅外監(jiān)測(cè)儀安裝使用環(huán)境多在室外或空曠的地方，云臺(tái)還具備防雷功能。

4.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)

遙測(cè)裝置的電磁兼容符合性設(shè)計(jì)需要包括主機(jī)和云臺(tái)自身的電磁兼容性、電纜的電磁能量泄漏控制和系統(tǒng)接地措施等三個(gè)主要方面。

4.2.1 在電路設(shè)計(jì)方面，充分考慮了電路的電源完整性設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性設(shè)計(jì)和整機(jī)輸入輸出信號(hào)濾波隔離設(shè)計(jì)，并結(jié)合電路仿真優(yōu)化電磁兼容性。同時(shí)，在工藝上采用剛?cè)峄旌想娐芳夹g(shù)減少接插件和電路板數(shù)量，改善內(nèi)部電路互聯(lián)方式，解決由此引起的板間線纜布線雜亂產(chǎn)生的串?dāng)_，以及線纜互聯(lián)方式不易解決的高速信號(hào)回路路徑過長(zhǎng)導(dǎo)致的共模干擾難題。

4.2.2 電纜接線回路及屏蔽策略設(shè)計(jì)，選用符合標(biāo)準(zhǔn)要求的接插件解決主機(jī)和顯示控制器間電纜互聯(lián)的電磁密閉端接要求，并根據(jù)接口芯片信號(hào)傳輸阻抗要求，選用與之匹配的插頭/ 座和線纜類型，控制由于電纜阻抗失配引起的電磁能量泄漏。同時(shí)，對(duì)電纜采取適當(dāng)?shù)钠帘巫o(hù)套設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制電纜各級(jí)屏蔽層的接地處理，提高電纜對(duì)高頻泄漏能量的抑制能力。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)化、計(jì)量保證措施

在設(shè)計(jì)過程中，最大限度地采用了標(biāo)準(zhǔn)件、通用件、借用件、外購(gòu)件，以提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化程度。按照標(biāo)準(zhǔn)化大綱規(guī)定，貫徹了國(guó)家有關(guān)機(jī)械、電氣、光學(xué)、材料、試驗(yàn)、可靠性、維修性等方面的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按國(guó)家專用標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的順序正確選用。通過認(rèn)真貫徹執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化大綱，提高了產(chǎn)品的通用化、系列化、組合化水平。技術(shù)圖樣、文件的編制按標(biāo)準(zhǔn)化大綱等相關(guān)文件的要求，執(zhí)行相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，做到正確、統(tǒng)一、文實(shí)相符，能客觀反映產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)。

5 氣體紅外監(jiān)測(cè)儀在煤制油現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)

2020 年6 月下旬，利用紅外監(jiān)測(cè)儀在煤制油現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了氣體鑒別訓(xùn)練、高點(diǎn)探測(cè)、遠(yuǎn)處探測(cè)等試驗(yàn)。

第一試驗(yàn)：氣體鑒別訓(xùn)練。在煤制油廠前區(qū)噴灑氨水，利用煤制油紅外監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)進(jìn)行了氨氣鑒別訓(xùn)練試驗(yàn)。氨水與監(jiān)測(cè)儀試驗(yàn)距離約100 m。

第二試驗(yàn)：高點(diǎn)探測(cè)。將監(jiān)測(cè)儀放置于煤制油裝置某個(gè)高點(diǎn)位置，呈俯瞰狀態(tài)，煤制油紅外監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)監(jiān)測(cè)到裝置上方約294 m，水平距離1.15 km 處的硫化氫氣體。

第三試驗(yàn)：遠(yuǎn)處探測(cè)。將監(jiān)測(cè)儀放置于廠前區(qū)地坪某個(gè)位置，呈仰視狀態(tài)，煤制油紅外監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)監(jiān)測(cè)到距離裝置2.1 km 處氨氣。

通過以上試驗(yàn)，檢驗(yàn)了紅外監(jiān)測(cè)儀的性能，表明其能夠滿足目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。但鑒于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，需要進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)備滿足防塵、防雨及防爆等特殊要求的性能。

6 結(jié) 語

煤制油氣體紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)思路明晰，設(shè)計(jì)結(jié)果合理可行，研制技術(shù)和各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施途徑正確，是煤化工、環(huán)境監(jiān)測(cè)、大型活動(dòng)安防、工業(yè)園區(qū)監(jiān)控等領(lǐng)域預(yù)防和避免事故一種新的解決方案。該系統(tǒng)在煤制油、煤化工易燃易爆及毒性氣體如氨氣、硫化氫、甲烷、一氧化碳，高壓輸變電六氟化硫監(jiān)測(cè)等特殊領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。