基于TDLAS的管式GGH微泄漏监测系统研发及应用

沈忠明 张越 叶飞

【摘 要】TDLAS技术主要是利用可调谐半导体激光器的波长与窄线宽随注入电流改变的特性，对单个或者距离相近的几个难以分辨的吸收线进行测量;具有高选择性、同时测量多组分、反应速度快、灵敏度高等方面的优点;本文具体分析了TDLAS技术应用在管式GGH微泄漏监测系统。

【关键词】TDLAS技术;监测系统;测量

一、背景

1.管式GGH在电厂广泛应用

目前，在国家节能环保政策力度加大的大环境下，各燃煤火电企业都实现了超低排放，很多电厂进行了烟气消白技术改造，为了节能和环保的需要，管式烟气冷却器（GGH）在火电企业得到了广泛的应用。但随之也带来了一些设备问题，影响电厂机组运行的可靠性。其中，管式烟气冷却器泄漏引发的问题最为明显，已经形成制约发电机组连续安全运行的重要因素。

2.传统监测手段局限性太大

目前常规微泄漏监测手段都无法满足生产现场要求及时发现的需求，因此，急需研发一种泄漏监测系统，对烟冷器泄漏情况进行实时检测，及时发现泄漏模块并隔离，防止故障扩大。

传统技术手段+原理+局限性。

3.TDLAS技术优点及研究现状

TDLAS技术，即Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，该种技术的二极管采用半导体材料制成，因此也被称之为“可调谐半导体激光吸收光谱技术”。该项技术主要从上世纪90年代开始，发展速度非常快，并且由于其具有灵敏度高、反应速度快、对所有的红外都有吸收的活跃分子都有效、高选择性等众多优点，能够有效地解决传统大气在线检测系统存在的缺陷，致使其被广泛地推广和应用在环境大气检测中。

TDLAS技术的优势主要表现在以下几个方面：1）具有灵敏度高、反应速度快的特点，在不失灵敏度的基础上，其时间分辨率能够控制在毫秒量级;2）对所有的红外都有吸收的活跃分子都有效的通用技术，并且能够更加方便的改成测量其他组分的仪器，能够将其改成同时测量多组分的检测仪器;3）高选择性，高分辨的光谱技术，不受其它气体的干扰，这一特点与大气在线检测系统相比具有明显的优势;4）能够自动修正压力变化、环境温度变化对测量结果的影响;5）仪器没有运动元件，维护方便、可靠性相对较高;6）不需要进行采样预处理，就能够对生产过程进行控制，并且响应速度非常快;7）测试仪器内部设定有标定腔，在检测过程中可以定时自动标定，不需要进行手动操作。

上世纪七十年代，美国科学家Hinkley和Reid首次提出TDLAS技术以来在短短十几年的时间里，该技术得到了极大的发展，具体表现在作为检测光源的近红外半导体激光器工作性能更加稳定，使用寿命更长，体积更小型化。同时TDLAS气体检测技术正朝着高精度，高灵敏度，低检测限，使用环境更加丰富等方向发展，己经可以被广泛用于尾气检查，气体检漏，燃烧排放量检测等多种场合。欧美日等一些发达国家的气体分析仪公司也开始将TDLAS检测技术作为一种重要的气体检测方式用于产品制造。国内对干TDLAS技术研究始于日丝纪八十年代，1999年国内第一台红外差分激光吸收雷达由中科院安徽光机所研制成功，在之后的时间里该技术在国内取得了较快发展。2018年Yin 基于TDLAS检测原理设计出一套符合石油工业检测标准的要求测量丙烷和丁烷含量的传感器系统，计算出的丙烷和丁烷浓度（在气体混合物样品中）的所有爆炸下限相对误差低于3%。

二、TDLAS技术原理

直接吸收法是通过检测气体透射光强或者反射光强的变化强弱达到检测气体浓度的目的，每个气体分子都有自己的吸收谱即对特定频率的激光进行选频吸收，当光源的发射波长和气体的吸收波长重合时，光强会被部分吸收，根据这一点，利用可调谐半导体激光器波长可调谐的特点，使激光器的输出波长能在被测气体分子的吸收峰附近扫描，得到待测气体分子的吸收谱线，进行浓度分析。

谐波检测法技术，波长调制技术（谐波检测法）可以通过一个扫描信号和正弦信号的叠加信号改变半导体激光器的波长。当被测气体的最强吸收峰所在波长的位置与激光器输出波长重合的时候，可以得到所需吸收光谱，这种方法相比与直接吸收法具有更高的灵敏度。其检测过程为，在扫描信号上叠加高频正弦信号，通常还需要添加直流信号，（偏置电压），加载到半导体激光器上，扫描信号的作用为改变半导体激光器温度和电流进而改变激光器的输出波长和输出功率，利用该办法进行波长改变和连续扫描，确保激光的输出波长在扫描过程中总能够在某个工作点与气体吸收峰重合。正弦信号作为调制信号主要起信号检测的作用，经过气体吸收产生包含了被测气体浓度信息的高次谐波信号，通过对高次谐波信号分析获取被测气体的浓度。高次谐波信号的提取主要有三种不同方式，一种是通过锁相放大器的方式，将与频率为调制信号整数倍的正弦信号或者方波信号作为参考信号，将经过气体吸收的光信号转化成的电信号作为被检测信号，利用锁相放大器提取出所需各次谐波信号。

二次谐波反演气体浓度，二次谐波的幅值正比于待测气体浓度乘以有效光程，因此在有效光程不变情况下可以直接利用处理后的二次谐波信号幅值用来反演待测气体的浓度，需要注意的是，在反演前，我们需要找到一个标准，提取己知的气体二次谐波幅值，通过标准气体的二次谐波信号与标准浓度值来进行最小二乘法直线拟合，获得拟合直线和拟合度，之后我们通过这个拟合方程结合被测气体二次谐波幅值即可推断待测气体的浓度。TDLAS检测检测平台的性能是需要通过拟合度来判断的，当激光器输出波长等于在甲烷吸收峰对应波长处二次谐波幅值甲烷浓度成正比，即完全线性即拟合度为1，但实际系统中，受到各种条件的限制，拟合度不可能完全等于1。

基于TDLAS检测的基本原理，本系统将分不同的功能模块，每一个模块应一种或若干种实验设备，同一模块在功能相同的情况下可以根据测量精度及实验室现有条件，选用不同的设备。TDLAS系统可以分为硬件和软件两个部分。硬件部分包括：信号发生模块，光源模块，光电转换模块，气体吸收池模块，二次谐波提取模块。其中信号发生模块负责提供激光器的调制电压，调制信号和扫描信号，在直接测量法中，可以直接将扫描信号输入激光器中，在示波器下直接观察经过光电探测器接收的吸收信号。在谐波检测法中，需要将调制信号叠加在扫描信号上作为输入信号接入到激光器中。光源模块负责输出可调谐的激光，气体吸收模块的作用是让光信号经过气体充分吸收。光电转换模块将光信号再转换成电信号，之后再利用二次谐波提取模块从电信号中解调出二次谐波分量。通过在CCS7.0平臺下利用C语言编写相应DSP算法，利用DSP开发板完成将获取到二次谐波信号转换成相应的浓度且进行实时显示功能。

基于本系统下谐波检测法，具体检测过程为利用函数信号发生器输出一个低频扫描信号和一个高频的调制信号，利用加法器进行叠加作为可调谐半导体激光器输入信号，使得激光器输出激光的频率和光强同时受到输入电压的调制，输出的激光经过准直镜进行准直再通过装有甲烷气体吸收池，经过光电探测器接收的信号中包含有气体浓度的二次谐波信号，而谐波检测法的关键在于解调二次谐波信号。

三、dTDLAS技术在嘉华电厂的具体应用

1.项目概况

本次测量系统安装在浙江浙能嘉华发电有限公司7号锅炉（1000MW）C和D两个管式GGH烟道出口处，每个烟道安装两套设备，共四套，安装采用对穿式，发射端和接收端安装在烟道两侧同一中心线上。

2.测量流程

TDLSA技术采用可调谐二极管激光光谱吸收技术，因此谱线的选择至关重要。谱线选择的原则包括：选择测量的吸收谱线既需要适合用于TDL的中心波长，还应该在吸收区域与其他气体分子不存在交叉吸收现象，这样能够排除其他气体分子对测量结果的影响;谱线不能位于多种气体吸收的交叉谱带，这样会导致其他气体分子干扰测量精度;谱线中心波长必须和光探测器的响应波长、TDL中心波长相适应。

激光由TDLAS控制箱发出，每个控制箱发出两道激光，四道激光对应四个发射端，激光发出由光纤传输到接收端，经准直器准直后通过光学楔片被安装在烟道对面的接收端接收（激光经非球面透镜聚焦后被光电探测器接收），接收端接收到激光信号后经同轴电缆将信号传回TDLAS控制箱中，控制箱接收到信号后通过板卡线将信号传输到工控机内进行处理，最终把光强曲线和水蒸气浓度曲线在显示器上显示出来。空调可保证设备在恶劣环境下连续工作，UPS保证设备在断电的情况下持续运行，不间断监测泄漏情况。

参考文献：

[1]信丰鑫. 基于TDLAS的大气CO_2监测技术研究[D].中国海洋大学，2014.

[2]何祥林，潘勇刚. TDLAS技术的发展现状及其应用研究[J]. 鄂州大学学报，2017，24（01）：102-104+109.

[3]吴家勇，李海娜，王立坤，许斌，王洪超，蔡永军，刘胜楠，陶志刚. 管道泄漏监测系统的性能评价指标[J]. 油气储运，2017，36（02）：209-213.

[4]赵竹，董红军，吴琼，徐亮，潘志榆，王立坤，王洪超，岳春英. 泄漏监测系统应用中的认识误区[J]. 油气储运，2019，38（01）：87-92.

（作者單位：浙江浙能嘉华发电有限公司）