气体红外监测技术在煤制油领域的研究与应用

王亚雄

（国家能源集团鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

随着石油资源的日益紧张，煤化工必将在今后的长期发展中占据重要的地位。煤化工企业的有毒有害、易燃易爆气体无处不在，存在较大风险。煤化工领域中炼焦工业、煤气化-合成氨、煤基甲醇、煤制合成油等都对可燃气体和有毒气体监测产品有广泛的需求，尤其是对二氧化硫、硫化氢、一氧化碳、氯气、氨气等气体传感器需求量非常大。目前工业上常规的接触传感型气体监测设备大多是根据接触到的气体浓度进行声光报警，需要经常更换传感器等耗材，且需要频繁和复杂的校准；
此外，接触传感型气体监测设备还有一个显著的缺点是被动式的接触，只有气体扩散到接触点才可以监测到，而且监测的范围较小，监测的种类比较单一，在装置突发多种气体泄漏时需要人工监测判断。因此，研制生产一类性能可靠，可非接触、远距离监测泄漏的气体监测系统，成为当下煤化工领域可燃气体、有毒气体监测需要高度关注和亟需解决的焦点问题。国家能源集团鄂尔多斯煤制油分公司进行了煤制油气体红外监测技术的研发，研发的气体红外监测技术在一定程度上解决了这一难题，该监测仪可安装在室外，其主要优点为可实现远距离、非接触式、实时监测。

为加快推动煤制油气体红外监测系统研制项目，国家能源集团鄂尔多斯煤制油分公司于2020 年3 月申报了科研项目——煤制油气体红外监测系统研制项目，上级公司于2020 年3 月底进行了批复并同意立项。项目基础技术来源于北方夜视科技研究院集团有限公司（乙方）的军品技术。煤制油气体红外监测技术是在现有军品技术基础上进行工程化研究和技术改造，利用傅里叶红外光谱原理对气体特征进行识别，使用红外宽波段响应的热成像技术开展半定量煤制油化工气体泄漏监测[1]，具体包括FTIR 红外光谱分析仪工业监测应用技术、远程通讯技术、气体红外监测系统主被动组合技术、有毒有害气体现场监测技术等内容。

该项技术研究以国家能源集团鄂尔多斯煤制油公司（甲方）应用为背景，完成红外光谱产品的制作，实现了数十种工业有毒有害气体的识别。技术已拥有多项自主知识产权，填补了目前国内煤化工领域红外气体监测技术的空白，并具备成果转化和产业化的前景。未来，气体红外监测技术将进一步扩展红外技术在工业安全、消防救援和环境保护等国民经济市场中的应用，为煤化工科技服务乃至经济社会发展作出积极贡献。

气体红外监测系统组成示意图见图1，该系统主要由监测仪主机、云台、计算机等组成。监测仪主机、重载变速云台、主控计算机与电源转换器之间通过电缆实现供电和通讯连接。

图1 气体红外监测系统组成示意图

将FTIR 红外光谱分析仪、广谱红外光源分别固定在厂区的某个位置，根据需要监测的重点区域或监测突发事件现场，将广谱红外光源投射系统、监测仪安装在固定平台上，通过云台控制水平或俯仰对目标工业气体进行实时监测，并将数据远程传输至室内上位机进行数据处理，监测结果实时显示，可以实现厂区监控。

煤制油红外监测仪主要用于遥测厂区半径3 km以内的7.6 μm～14.5 μm 波段被动红外光谱[2]，对于危险气体的泄漏实现非接触式、远距离、迅速识别，并及时发出报警以保证生产和人身安全。该监测仪可固定安装组网监测，也可以安装在车辆上巡逻监控，是环境监测、大型活动安防、工业园区监控等领域一种新的解决方案。

气体红外监测系统利用大多数危险气体在红外波段具有其特定的吸收（或发射）光谱的特征，在监测过程中不需要任何外部的激发光源，即使在漆黑的夜晚也可以正常监测。

从技术角度来说，采用傅里叶转换红外光谱技术（Fourier-transform infrared spectroscopy）进行环境化学气体探测，具有响应速度快、高信噪比和高光谱分辨率、工作稳定、适合连续实时在线监测等显著优点。

鉴别器是核心信息处理单元，对监测仪获取的气体云团红外干涉图进行光谱转换、预处理、特征提取和智能鉴别，将鉴别结果输入报警单元。干涉仪选用时间调制式的FTIR 干涉仪，鉴别器选用特殊的智能自动鉴别器。干涉仪和鉴别器均成功应用于民用环境气体监测仪中，在质量、可靠性及环境适应性方面均满足了使用需要。

惟实干方可书写青年担当。青年人身上所富含的拼搏精神、挑战意识、创新因子等特质，必将对国之重器施与生生不息的动力，也必将深刻地影响新时代的进程与走向。

遥测报警器在镇江绿色化工工业园区进行过工业气体光谱采集，在军用产品的基础上扩充工业危险气体、背景及干扰物的红外光谱数据库，并已经在民用环境气体监测仪上进行过相关验证，从功能和性能上来说都能满足工业环境现场监控使用要求。可监测工业危险气体种类包括在常温（15 ℃～35 ℃）、常湿（相对湿度不大于70%）条件下的硫化氢、二氧化硫、丙烷、氨气、乙烯、甲烷、六氟化硫、二氯甲烷、乙醚、甲醇等10 余种气体，还可根据使用需求及探测器工作波段扩展可探测气体的种类，在国家能源集团鄂尔多斯煤制油公司的现场试验中，探测测试气体为氨气。

遥测报警装置具有以下功能：系统自检功能；
修改、设置工作参数功能；
在线辐射定标功能；
方位俯仰二维空间扫描功能；
向主控计算机输出信息及通过计算机软件操控遥测装置功能；
输出遥测结果功能；
仪器内部低温环控功能；
可见光辅助观察功能。

根据项目需求，研制出实用化的煤制油红外监测仪探测器/集成式制冷组件，其主要优点有：（1）可靠性大幅提高。原来使用分置式制冷机，制冷机系统在失效前的平均工作时间（mean time to failure，MTTF）为2 500 h，探测器组件整体的MTTF 为1 500 h。新研制的集成整体式制冷机，由于制冷机内部运动结构的优化改进和加工工艺技术的改进，应用工质隔离专利技术，实现制冷机内部工质与电机定子的隔离，降低工质污染，提高运行可靠性；
活塞表面镀制高硬度耐磨材料，实现制冷机高可靠、无油润滑及制冷工质的间隙密封；
采用弹性合金成型金属密封圈，保证制冷机高可靠的工质密封性能。通过以上措施使制冷机单体的MTTF 提高到12 000 h，考虑到探测器芯片等其他部件的寿命，探测器组件整体的MTTF 提高到10 000 h以上。（2）体积小、质量轻。原来使用分置式制冷机，整个制冷机质量为1.3 kg，改为集成整体式制冷机后质量不超过0.65 kg。结构设计方面，为直流无刷旋转电机驱动制冷机压缩活塞和膨胀机冷指推移活塞，压缩机和膨胀机位于同一曲轴箱壳体内，实现了体积小、质量轻的技术指标。（3）功耗减小。集成整体式制冷机由于制冷效率提高，在制冷量输出相同的情况下，制冷机输入电功率降至≤16 W，制冷机进入控温状态后的稳态功率≤8 W，电功耗减少后，可延长续航时间。

另外，针对该项目探测器组件对可靠性的要求，对探测器的性能在以下两个方面进行提升：一方面是提高抗冲击振动能力，提高环境适应性；
另一方面提高抗干扰能力。

4.1 环境适应性设计

4.1.1 多种复杂环境的适应性

煤制油工业现场环境复杂，监测仪主机所面临的工作环境相当恶劣。同时，工业气体常是多种气体同时存在，报警容易受到干扰。因此，从组部件设计出发，有效提高各组部件的可靠性，进而提高监测仪整机的可靠性，增加其免维修间隔时间，是提高监测仪工作寿命的关键。

4.1.2 遥测装置的环境温度适应性

设备设计充分考虑了遥测装置组合运输、贮存、工业现场使用的环境条件和全寿命周期的环境剖面，同时兼顾现有技术水平和费效比，解决了监测仪低温贮存和低温工作的问题，对达不到温度要求的激光器单独加热，使监测仪能够满足在环境温度-35 ℃～50 ℃下贮存和工作的技术要求[3]。

4.1.3 云台的环境适应性

该云台在工作过程中不能很好地满足监测仪的使用要求，尤其是在低温工作时，常出现卡顿现象。根据监测仪的使用要求和工作环境要求，选用了满足使用要求的重载变速云台，并具备以下功能：机身具有足够的强度和刚度，整体采用相应抗强风结构设计；
云台需要具有掉电自锁功能，运行平衡，可360 °旋转；
内部电缆能够抗大电流冲击，在低温时云台仍然能够平稳运行，不出现卡顿现象；
由于红外监测仪安装使用环境多在室外或空旷的地方，云台还具备防雷功能。

4.2 电磁兼容性设计

遥测装置的电磁兼容符合性设计需要包括主机和云台自身的电磁兼容性、电缆的电磁能量泄漏控制和系统接地措施等三个主要方面。

4.2.1 在电路设计方面，充分考虑了电路的电源完整性设计、信号完整性设计和整机输入输出信号滤波隔离设计，并结合电路仿真优化电磁兼容性。同时，在工艺上采用刚柔混合电路技术减少接插件和电路板数量，改善内部电路互联方式，解决由此引起的板间线缆布线杂乱产生的串扰，以及线缆互联方式不易解决的高速信号回路路径过长导致的共模干扰难题。

4.2.2 电缆接线回路及屏蔽策略设计，选用符合标准要求的接插件解决主机和显示控制器间电缆互联的电磁密闭端接要求，并根据接口芯片信号传输阻抗要求，选用与之匹配的插头/ 座和线缆类型，控制由于电缆阻抗失配引起的电磁能量泄漏。同时，对电缆采取适当的屏蔽护套设计，严格控制电缆各级屏蔽层的接地处理，提高电缆对高频泄漏能量的抑制能力。

4.3 标准化、计量保证措施

在设计过程中，最大限度地采用了标准件、通用件、借用件、外购件，以提高产品的标准化程度。按照标准化大纲规定，贯彻了国家有关机械、电气、光学、材料、试验、可靠性、维修性等方面的标准，设计标准按国家专用标准、国家标准、行业标准、企业标准、国外标准的顺序正确选用。通过认真贯彻执行标准化大纲，提高了产品的通用化、系列化、组合化水平。技术图样、文件的编制按标准化大纲等相关文件的要求，执行相关的国家标准和行业标准，做到正确、统一、文实相符，能客观反映产品的技术状态。

2020 年6 月下旬，利用红外监测仪在煤制油现场进行了气体鉴别训练、高点探测、远处探测等试验。

第一试验：气体鉴别训练。在煤制油厂前区喷洒氨水，利用煤制油红外监测仪样机进行了氨气鉴别训练试验。氨水与监测仪试验距离约100 m。

第二试验：高点探测。将监测仪放置于煤制油装置某个高点位置，呈俯瞰状态，煤制油红外监测仪样机监测到装置上方约294 m，水平距离1.15 km 处的硫化氢气体。

第三试验：远处探测。将监测仪放置于厂前区地坪某个位置，呈仰视状态，煤制油红外监测仪样机监测到距离装置2.1 km 处氨气。

通过以上试验，检验了红外监测仪的性能，表明其能够满足目前现场实际需求。但鉴于现场环境复杂，需要进一步检验设备满足防尘、防雨及防爆等特殊要求的性能。

煤制油气体红外监测技术设计思路明晰，设计结果合理可行，研制技术和各项关键技术的实施途径正确，是煤化工、环境监测、大型活动安防、工业园区监控等领域预防和避免事故一种新的解决方案。该系统在煤制油、煤化工易燃易爆及毒性气体如氨气、硫化氢、甲烷、一氧化碳，高压输变电六氟化硫监测等特殊领域具有广阔的应用前景。