2.2 監(jiān)測含硫化氫天然氣的泄漏

　　現(xiàn)有的硫化氫檢測多采用化學(xué)方法，需要將儀器放在硫化氫氣體中或者對環(huán)境中的氣體進行采樣來分析其濃度，既無法保證實時監(jiān)測，同時威脅到檢測人員的安全。而遠距離紅外甲烷檢測技術(shù)同樣可以用在對硫化氫的遠距離實時探測上。從HITRAN 2008[1]氣體分子紅外吸收光譜數(shù)據(jù)庫可以知道，硫化氫在2.6μm和7.7μm附近有較強的吸收帶，在4μm處有相對較弱的吸收譜(圖4)。在空氣中檢測隨天然氣泄漏的硫化氫氣體，首先要克服空氣中的水蒸氣和殘余的甲烷氣體的干擾。水蒸氣在2.6μm處存在強吸收譜，同時甲烷在7.65μm也存在比硫化氫吸收強度大幾十倍的吸收譜線。

　　對泄漏在空氣中的硫化氫氣體進行遠距離檢測，空氣中殘留的甲烷、水蒸氣的干擾不可忽略。紅外光譜是分子振動轉(zhuǎn)動的特征譜線，不同分子因為化學(xué)鍵的不同，具有不同波長的吸收譜。同時氣體分子的吸收光譜并不是連續(xù)分布的，而是在一個波長范圍里離散的存在。譜線的寬度受到壓力的影響而有不同程度的展寬，在不同的壓力下具有高斯、Voigt或者洛倫茲分布。氣體分子的吸收譜線之間可以因為相近而存在交疊，或者由于分布較遠而留有空白區(qū)。因此，通過詳細分析水蒸氣、甲烷、硫化氫氣體在不同波長下吸收譜線之間的交疊情況，來選擇不受或者受水蒸氣、甲烷吸收譜線影響較小的硫化氫吸收譜線，并以此來進行檢測，從而確定出所要采用的光源波長、類型以及檢測方法等。圖5給出了根據(jù)HITRAN 2008分子光譜數(shù)據(jù)庫對硫化氫、水蒸氣和甲烷分子吸收譜線進行分析之后選定的硫化氫吸收譜線，圈中的譜線為硫化氫吸收譜線附近的弱吸收強度的水蒸氣或甲烷吸收譜線。從圖5可以看出，硫化氫在2.64μm(圖5-a)和7.46μm(圖5-b)附近能夠得到不受水蒸氣或甲烷明顯干擾的吸收譜線，用來實現(xiàn)紅外硫化氫檢測。

　　天然氣泄漏后，因為分子質(zhì)量的不同，甲烷向上漂浮，而硫化氫則向地表沉積。由于氣體分子的擴散、對流，使得地面附近的硫化氫氣團中混合有少量的甲烷氣體。即使通過分析HITRAN分子光譜數(shù)據(jù)庫，選擇了低強度甲烷吸收譜線附近的硫化氫紅外吸收譜，但是當較高濃度甲烷同低濃度硫化氫同時存在時，在7460.5nm附近的硫化氫的吸收依然會被甲烷的吸收信號所淹沒，因此本文提出r一種新的數(shù)值分析方法，用來在甲烷干擾下提取出硫化氫的吸收情況。圖6給出了不同濃度甲烷和151.8mg/m3硫化氫共同存在時的吸收情況(紅色曲線表示甲烷的吸收，藍色曲線表示硫化氫的吸收，綠色曲線表示實際測鼉中測得的兩種氣體的總吸收)，圖中標出的點表示選取的特征點，用來計算兩種氣體的濃度。

　　從圖6可以看出，兩種氣體吸收譜線相互交疊，實際測得的吸收是兩種氣體共同的吸收結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)庫給出的譜線信息和實際測量結(jié)果，選取3個特征點，通常選擇總吸收的峰值和谷底數(shù)值。根據(jù)它們之間的相互關(guān)系建立起一個二元一次方程組，來計算甲烷和硫化氫的濃度，同時能夠消除掉測量過程中環(huán)境或其他因素所引起的誤差：

　　式中Ap1、Ap2和Av分別為總吸收曲線上兩個吸收峰頂點(從左至右依次為頂點1和頂點2)以及兩峰中間谷底拐點的吸收率，CC和CH分別為甲烷和硫化氫的濃度，α為對應(yīng)于總吸收曲線上不同特征點的吸收系數(shù)，這些特征點的吸收系數(shù)可以根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的理論計算獲得。在測量結(jié)果中選擇特征點并代入到公式(2)中，可以很容易的同時計算出硫化氫和甲烷的濃度。即使對于圖6(d)所示的甲烷濃度比硫化氫濃度高出10余倍的情況，也能夠很好地根據(jù)公式(2)計算出被甲烷吸收所淹沒的硫化氫濃度。

　　根據(jù)公式(2)計算，對151.8mg/m3硫化氫氣體在71.4mg/m3～857.1mg/m3甲烷氣體干擾下，進行了實驗測量。甲烷濃度越大時，測量結(jié)果的誤差越大，對硫化氫的干擾越嚴重。但是誤差能夠控制在10%以下，依然可以獲得較好的測量結(jié)果。在71.4mg/m3的甲烷干擾氣體存在時，可以獲得的最低可探測硫化氫濃度為15.2mg/m3，能夠滿足天然氣工業(yè)中對于高含硫天然氣開采、運輸、加工等過程中的安全監(jiān)測，保障工作人員和附近居民的健康安全。

　　筆者從原理和檢測方法上結(jié)合天然氣行業(yè)的實際情況，分析了紅外氣體檢測技術(shù)在天然氣安全生產(chǎn)中的應(yīng)用。對于天然氣管道傳輸中甲烷氣體泄漏，采用可調(diào)諧激光光譜技術(shù)結(jié)合波長調(diào)制技術(shù)，可以有效地克服遠距離檢測中激光照射到地表物體之后存在的嚴重光散射和光吸收所帶來的系統(tǒng)誤差，全方位地對輸氣管道進行監(jiān)控;對含硫天然氣井泄漏時溢出的硫化氫氣體，通過分析調(diào)諧技術(shù)下獲得的吸收譜線的特征，對存在甲烷干擾的情況下，通過選擇吸收峰值和谷值來建立二元一次方程，在不同濃度甲烷氣體的干擾下都能夠同時計算出兩種氣體的濃度。在71.4mg/m3的甲烷干擾氣體存在時，可以獲得的最低可探測硫化氫濃度為15.2mg/m3，達到了安全生產(chǎn)的要求。以此技術(shù)對含硫化氫的天然氣井建立從鉆井到生產(chǎn)全過程全方位的監(jiān)控設(shè)施，確保天然氣生產(chǎn)的本質(zhì)安全。由此可見，紅外氣體檢測技術(shù)是一種有效的、高靈敏度的檢測方法，在天然氣行業(yè)的安全生產(chǎn)中有非常大的應(yīng)用潛力。

　　致謝：感謝英國Strathclyde大學(xué)微系統(tǒng)與光子學(xué)中心George Stewart教授、Brian Culshaw教授、Graham Thursby博士等對本文的大力支持。感謝國家留學(xué)基金委員會對作者的資助。

　　參考文獻

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