硫化氢浓度激光在线监测装置 一、技术领域
本发明涉及一种检测天然气脱硫装置前后天然气中硫化氢气体浓度变化的装置。属于光谱学和电子学领域，具体地说是采用可调谐半导体激光光谱(TDLAS)技术，利用二极管激光器的窄线宽和可调谐等特性进行天然气脱硫装置前后硫化氢浓度激光在线监测装置。
二、背景技术
目前油气田在开发中遇到许多天然气含H2S很高的区块。特别是油田高含H2S的油井伴生气。由于采用拉油工艺，流程不密闭，造成现场工作环境极其恶劣，值班人员具有较大生命安全隐患。同时，H2S在天然气集输处理过程中是有害介质，在有水存在的情况下会引起管道和设备的严重腐蚀，尤其硫化物属高危害介质，严重危害人身安全，是必须严格控制的环境污染源之一。因此出现了各种原理的天然气脱硫装置，可是如何评价天然气脱硫装置的脱硫效果，这就需要对天然气脱硫装置前后的天然气进行硫化氢气体浓度实时在线监测。目前国内用于H2S气体浓度监测的方法大多是采用取样化验的方法，该方法必须通过采样和预处理才能进行检测，从而使测量值的准确性和实时性降低，其技术手段为化学方法，主要有碘量法、亚甲基蓝法、醋酸铅反应速率法等。光学检测技术与传统方法相比主要优点是高选择性和高灵敏度，能够实时、动态、快速的进行监测，系统运行成本低等。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种天然气脱硫装置前后硫化氢浓度激光在线监测装置，实现在线检测天然气经过脱硫前后的硫化氢气体的含量并进行预警，保证天然气集输管网的安全运行。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的：
硫化氢浓度激光在线监测装置分为硫化氢浓度在100～10000ppm之间使用的高浓度硫化氢气体激光在线监测装置和硫化氢浓度100ppm以下使用的低浓硫化氢气体在线监测装置。
硫化氢浓度激光在线监测装置主要由现场检测单元机柜和信号处理单元机柜两台单元机柜组成，现场检测单元机柜安装在危险区域，采用光信号传输数据，安全可靠。信号处理单元机柜安装在控制室内，实现气体的分析检测、显示报警等功能。
所述的现场检测单元机柜分为高浓度和低浓度现场检测单元机柜两种。
高浓度现场检测单元机柜内装有气体处理装置和光学处理装置。其中气体处理装置包括干燥过滤装置、减压稳压装置、计量装置，气体采样器。光学处理装置包括自动聚焦透镜和光纤耦合器。集输管线中的检测气体通过的不锈钢管引入现场检测单元机柜的气路接头上，检测气体经过减压稳压、干燥过滤处理后进入气体采样器，在气体采样器的两端分别装有自动聚焦透镜和光纤耦合器，激光通过光纤传输到自动聚焦透镜经聚焦后进入气体采样器，由对面窗片出射并由光纤耦合器耦合到单模光纤中，传输到信号处理单元机柜进行信号的解调与处理，实时得到检测气体浓度。
低浓度现场检测单元机柜内装有气体处理装置和光学处理装置。其中气体处理装置包括干燥过滤装置、减压稳压装置、计量装置，光学处理装置包括自动聚焦透镜、多次反射池和光纤耦合器。集输管线中的检测气体通过的不锈钢管引入现场检测单元机柜的气路接头上，检测气体经过减压稳压、干燥过滤处理后进入带有透明视窗的多次反射池。反射池的一端有进气孔，另一端有出气孔；多次反射池内部进气孔两侧各安装一面次反射镜，另一端安装有主反射镜，出气孔的两侧开有装配透明窗片的激光入射孔和出射孔，被测气体从进气孔进入多次反射池，从出气孔离开反射池。次反射镜与主反射镜均为半径为R的球面镜，放置的相对距离为R，激光从入射孔进入，在次反射镜和主反射镜之间多次反射，再从出射孔射出。通过调整其中一块次反射镜的位置，使该次反射镜向另一次反射镜方向转动，投射到主反射镜上的光点数增加，可以不断的调整增加光程，最大光程可以达到30m，达到提高系统测量灵敏度的目的。激光从出射孔射出由光纤耦合器耦合到单模光纤中，传输到信号处理单元机柜进行信号的解调与处理，实时得到检测气体浓度。
高浓度和低浓度的硫化氢激光在线监测装置的信号处理单元机柜基本相同，其柜内装有激光调制单元、信号处理单元、显示单元等。激光调制单元内采用中心波长为1576nm的近红外DFB半导体激光器作为H2S的检测激光源，利用激光器温度和电流控制模块将激光器输出中心波长调谐到1576.37nm附近的H2S吸收线中心，信号发生电路产生的50Hz锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过H2S气体的吸收线，信号发生电路同时产生5KHz正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行高频调制。激光通过光纤到达现场检测单元机柜中的气体采样器(或多次反射池)，气体采样器(或多次反射池)两端有链接输入单模光纤与输出单模光纤的微型光学传感器，经过气体吸收的光信号通过输出单模光纤到信号处理单元机柜，吸收的激光进入气体标定池，气体标定池中充满了一个大气压下标准浓度的H2S气体，用于对检测吸收信号的实时标定，并对比标准气体波长和实测激光器波长，通过激光器温度和电流控制模块对激光波长漂移进行自适应调整，实现H2S气体近红外吸收线的锁定。经过标定池的激光信号由红外光电探测器接受，经光电转换后输出电信号，一路送锁相放大器进行二次谐波信号检测，锁相放大器的参考信号来自于所述的信号发生电路产生的正弦调制信号，另一路直接送信号处理单元地数据采集、处理和控制模块，首先进行数字低通滤波，然后对其作线性拟合作为激光光强信号，锁相放大器输出的二次谐波信号利用拟合光强信号进行归一化处理以消除光强波动对浓度检测的影响。归一化后的二次谐波信号经多次累加平均得到一条检测吸收谱，利用预先保存的气体标定池的标准吸收信号对检测的吸收谱进行最小二次乘积拟合得到检测点硫化氢气体的光程积分浓度，或除以总光程得到光程平均气体浓度。信号处理单元把检测气体的浓度值传送到显示单元的液晶显示器上，在液晶屏上进行实时显示浓度值和浓度曲线，并实现声光报警。现场检测单元机柜与信号处理单元机柜之间采用2根光纤进行连接，可实现安全可靠运行。
本发明采用了先进的可调谐红外二极管激光器作为光源，利用吸收光谱技术和激光波长调制技术实时在线检测天然气中H2S浓度，并进行声光报警。克服了传统实验室检测H2S浓度灵敏度低、准确度低、定期标定维护量大、成本高以及不能实现准确实时检测等缺点。本发明具有以下优点：
1、灵敏度高：仪器在硬件上采用波长扫描、高频调制、锁相放大、背景对消、高次谐波信号检测和平衡探测技术，有效地提高了该技术的检测灵敏度，监测灵敏度小于ppm量级，远远高于其它传感器的灵敏度指标。
2、准确性：利用分子的吸收线来实现对其浓度的测量，消除了其它任何气体的干扰，实现了准确测量。
3、快速性：激光器的波长调谐极限为1ms左右，也就是说，最快可实现一个ms测量一个浓度值。
4、可靠性：由于使用的是光通讯中所使用的激光器和其它部件，在寿命和性能的可靠性方面是完全可以信赖的。
5、安全性：近红外光谱区的一个明显的优势就是与光纤的低损耗窗口匹配，该仪器利用商用的单模Si光纤进行远距离的传输，采用光纤传输信号确保天然气集输站场设备的本质安全。
6、标定方便快捷：无需标气校准的自标定系统设计。
四、附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是波长调制系统原理图
图3是多次反射池结构图
图4是红外调谐二极管激光器的调谐线宽与吸收峰宽度的关系
图5是二次谐波检测原理示意图
图6是现场检测单元机柜气路流程图
五、实施方式
为进一步公开本发明的技术方案，下面结合说明书附图，通过实施例作详细说明。
图1中：1、信号处理单元机柜的激光调制单元机箱，2、主电源开关，3、气体标定池，4、总电源插座，5、激光输出法兰，6、激光输入法兰，7、电信号输出接口，8、风扇，9、直流稳压电源，10、半导体激光电流控制模块，11、半导体激光温度控制模块，12、1576nm近红外半导体激光器，13、信号发生器，14、锁相放大器，以上元件均安装在信号处理单元机柜的激光调制单元机箱内。15、输出单模光纤，24、输入单模光纤。以下元件均安装在现场处理单元机柜内，16、现场处理单元机柜，17、输入光纤法兰，18、输入光纤，19、自动聚焦透镜，20、气体采样器(多次反射池)，21、光纤耦合器，22、输出光纤，23、输出光纤法兰。
本发明如图1、2所示采用中心波长为1576nm的近红外半导体激光器12作为H2S的检测激光光源，利用激光器温度控制模块11和电流控制模块10输出中心波长调谐到1576.37nm附近的H2S吸收线中心，信号发生器13产生的50Hz锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过H2S气体的吸收线，信号发生器13同时产生5KHz正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光波长进行高频调制。激光通过激光输出法兰5和输出单模光纤15，传输到现场检查单元机柜中16的激光输入法兰17，输入光纤18把激光送到自动聚焦透镜19处，激光经过自动聚焦进入装有待测气体的气体采样器(多次反射池)20中，由安装在气体采样器(多次反射池)20另一端的光纤耦合器21把激光耦合到输出光纤22中，通过安装在现场检测单元机柜的输出光纤法兰23与输入单模光纤24结合把吸收过的激光送回信号处理单元机柜中的激光调制单元机箱内的激光输入法兰6处。吸收过的激光进入气体标定池3，气体标定池3中充满一个大气压标准浓度的H2S气体，用于检查吸收信号的实时标定，并对比标准气体波长和实测激光器波长，通过激光器温度控制模块11和电流控制模块10对激光波长漂移进行自适应调整，实现H2S气体近红外吸收线的锁定。经过标定池3的激光信号由红外光电探测器接受，经光电转换后输出电信号，一路送锁相放大器14进行二次谐波信号检测，锁相放大器14的参考信号来自于所述的信号发生电路产生的正弦调制信号，另一路直接送信号处理单元的数据采集、处理和控制模块，首先进行数字低通滤波，然后对其作线性拟合作为激光光强信号，锁相放大器14输出的二次谐波信号利用拟合光强信号进行归一化处理以消除光强波动对浓度检测的影响。归一化后的二次谐波信号经多次累加平均得到一条检测吸收谱，利用预先保存的气体标定池3的标准吸收信号对检测的吸收谱进行最小二次乘积拟合并扣除定标气体浓度得到气体的光程积分浓度，或除以总光程得到光程平均气体浓度。信号处理单元把检测气体的浓度值传送到显示单元的液晶显示器上，在液晶屏上进行实时显示浓度值和浓度曲线，并实现声光报警。
图3中，1′-进气孔，2′-固定座，3′A-次反射镜，4′B-次反射镜，5′-圆柱型玻璃罩，6′-主反射镜，7′-入口透镜，8′-出气孔，9′-出口透镜，10′-固定座，11′-4根拉杆。
激光透过入口透镜7′射到次反射镜4′B上，次反射镜4′B将光束反射聚焦到主反射镜6′上，再由主反射镜6′将光束反射到次反射镜3′A上，次反射镜3′A把光束通过出口透镜9′反射出去。调制次反射镜3′A的位置，使次反射镜3′A环绕垂直于纸平面的轴转动，投射到主反射镜6′上的光点数增加，不断的调整光程。气体由进气口1进入到多次反射池中，从出气孔8′出去。
图4中50MHz为调谐线宽，500MHz对应的是吸收峰宽度。
图5中A为直接吸收光谱，B为一次谐波谱线，C为二次谐波谱线。
在图6中，16-现场检测单元机柜，1″-穿板进口接头，2″-两通球阀，3″-过滤器，4″-压力表，5″-减压阀，6″-样品流量计，7″-采样器进口阀门，20-气体采样器，8″-采样器出口阀门，9″-安全阀，10″-穿板出口接头，11″-安全放空管线。
天然气管线中的检测气体通过的不锈钢管引入现场检测单元机柜16的进口接头1″上，检测气体经过两通球阀2″进入过滤器3″对检测气体进行过滤，压力表4″显示过滤后的气体压力，干燥过滤处理后检测气体经过减压阀5″进行处理，然后样品流量计6″计量通过进气阀7″进入气体采样器20，气体采样器20内的气体通过采样器出口阀门8″排到放空管线11″中，同时主管道内的压力如果超过安全阀9″的设定压力，安全阀9″会打开，气体直接排入放空管线11″中，然后通过现场检测单元机柜16的出口接头10″排出。