[發明專利]機載天然氣管道泄漏監測系統及監測方法

無效

• 申請號: 200910055334.8
• 申請日: 2009-07-24
• 公開（公告）號: CN101619807A
• 公開（公告）日: 2010-01-06
• 發明（設計）人: 亓洪興;楊一德;舒嶸;李正文;潘明忠;楊俊
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: F17D5/02
• 分類號: F17D5/02;G01N21/39
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 郭 英

技術領域

本發明涉及甲烷氣體檢測技術，具體是指一種能夠用于直升機平臺上的天然氣管道泄漏監測系統及監測方法，它用于漫長天然氣管道的快速、低成本監測。

背景技術

根據國家《天然氣管網布局及“十一五”發展規劃》，到2010年中國將基本形成覆蓋全國的天然氣基干管網，管道總長度將達到4.4萬公里。如此綿長的管道網絡，由于管道老化、地質結構變化等因素造成的天然氣管道泄漏事故不可避免。統計數據表明，天然氣在通過管道輸運過程中泄漏量大約占到輸氣總量的10％。由于天然氣是可燃性氣體，天然氣管道泄漏給國家造成直接經濟損失的同時，也給人民群眾的生命財產安全帶來威脅；另外，天然氣的主要成分甲烷是典型的溫室氣體，其溫室效應大約是相同濃度二氧化碳的20倍，因此天然氣管道的大量泄漏會加劇地球溫室效應。正是基于這些原因，世界各國政府在積極建設天然氣管道的同時，也非常重視天然氣管道泄漏監測工作。資料表明，西方發達國家很早在2004年前就已經開始研究機載天然氣管道泄漏監測方法以代替傳統的手持儀器監測方法，并研制成功了相應的機載監測設備，有的設備已經投入商業運營。國外研究表明，機載監測方法取代傳統手持儀器監測方法可以使得監測成本降低40％。查新表明，國內在天然氣管道泄漏監測方面也做了很多工作，但目前局限于手持式和近距離車載監測。鑒于我國天然氣管道業務的迅猛發展，及早開展機載天然氣管道監測技術的研究具有顯著的社會效益和經濟效益。

從飛機平臺監測天然氣管道泄漏的思路決定了該技術必須采用遙測的手段，而從目前遙測技術應用于氣體探測的發展狀況來看，光學遙測是唯一的選擇。從飛行安全角度考慮，遙測距離不小于100米是合適的；如此距離上的光學遙測可以分為兩類，一類是被動式光學遙測，一類是主動式光學遙測。被動式氣體遙測由于靈敏度低，虛警率高通常不被采用；主動式氣體遙測一個典型實例就是差分吸收激光雷達，這種探測技術通常采用兩束特定波長的激光作為光源，一束激光的波長和氣體的吸收線重合，另一束激光的波長與氣體吸收線之間存在略微的差異，兩束激光同時穿過待測氣體時，其中一束激光由于氣體吸收而衰減，另外一束激光由于氣體不吸收而不被衰減，因此通過兩束激光回波強度的差異可以反演出激光傳輸路徑上待測氣體的含量。具體到天然氣管道泄漏監測，探測對象是天然氣的主要成分甲烷，激光器必須采用窄線寬的中紅外(3.4μm附近)OPO激光器，這種類型的激光器造價昂貴，需要專業維護和使用，不利于機載天然氣管道泄漏監測設備的應用推廣。

發明內容

本發明的目的是要建立一種適于直升機平臺的天然氣管道泄漏監測系統和方法，采用低成本的可調諧半導體激光器作為探測光源，極大的降低了監測儀器整機系統的成本造價，有利于推動機載天然氣管道泄漏監測設備的廣泛使用，以服務于大范圍天然氣管道安全輸運。

如圖1所示，其特征在于：它包括激光器1、光束準直系統2、光學接收器3、光探測器4、電子學信號采集系統5、計算機信號處理系統6。激光器1通過尾纖把激光耦合出來，首先通過光束準直系統2讓激光束以較小的發散角發射出去，達到地面以后反射回來的激光回波被光學接收器3接收，會聚于光探測器4上轉化為電信號，進而被電子學信號采集系統采集轉化為數字信號輸送給計算機信號處理系統6。

本發明機載天然氣管道泄漏監測方法包括下列步驟：

A.激光器1輸出連續光，通過正弦調制激光器的驅動電流使得激光波長在平均波長附近連續變化，激光輸出的平均波長和甲烷氣體在近紅外波段的某條吸收線重合；激光束經過準直以后從直升機平臺照射到地面；

B.激光回波被光學接收器3接收，會聚到光探測器4上轉化為電信號。如果在激光腳印附近存在天然氣管道的泄漏點，則泄漏點附近會形成高濃度甲烷氣體云團，激光束在從機載平臺到地面之間往返傳輸時會穿越甲烷氣體云團，由于激光波長是在甲烷氣體吸收線附近變化，所以激光能量由于被甲烷氣體吸收而衰減；

C.光探測器4輸出的光電信號被電子學信號采集系統5采集轉化為數字信號輸送給計算機信號處理系統6，處理系統從激光回波的原始數據中提取出由于甲烷氣體吸收產生的一次諧波和二次諧波信息，其中只有二次諧波信號的強度是和甲烷氣體濃度成正比的的，而二次諧波和一次諧波信號的比值可以消除路徑背景的影響，進而得到甲烷氣體濃度信息。

本發明的優點是：

(1)采用的可調諧半導體激光器線寬非常窄，典型值是2MHz，遠遠小于甲烷氣體自身的吸收線寬度，如此窄線寬的激光可以有效避免各種背景氣體的吸收干擾，對探測氣體甲烷具有極強的選擇性。