激光光譜吸收技術(shù)在天然氣氣質(zhì)分析中的應(yīng)用

宋希國（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川　成都　610041）

激光光譜吸收技術(shù)在天然氣氣質(zhì)分析中的應(yīng)用

宋希國
（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041）

摘要：在線氣質(zhì)分析儀在天然氣行業(yè)應(yīng)用廣泛，從氣田采氣集輸?shù)教烊粴鈨艋幚恚俚絻艋烊粴廨斔偷榷鄠€(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在線氣質(zhì)分析儀的應(yīng)用有助于安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率；有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等目標(biāo)；也是檢測產(chǎn)品天然氣合格與否的重要手段。通過對(duì)激光光譜吸收技術(shù)的原理介紹，探討、比較了激光光譜吸收技術(shù)和其它檢測技術(shù)分析儀在天然氣領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了激光光譜吸收技術(shù)氣體分析儀在天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：在線氣質(zhì)分析儀；激光光譜；紫外光譜；DLAS

1　在線氣體分析儀的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國天然氣處理裝置的大型化和整體技術(shù)水平的提升，隨著對(duì)節(jié)能降耗、提高質(zhì)量、治污減排和安全生產(chǎn)的要求不斷提高，在線氣體分析儀的重要性和使用量與日俱增。在天然氣凈化廠和長輸管道中，主要采用的在線分析儀有：水露點(diǎn)分析儀、硫化氫分析儀、CO2分析儀、烴露點(diǎn)分析儀、H2S/SO2比值分析儀、尾氣SO2分析儀、氣相色譜分析儀等。在監(jiān)測天然氣質(zhì)量，降低污染物排放和節(jié)能等方面起到了很大作用。

與世界發(fā)達(dá)工業(yè)國家相比，我國新建天然氣處理裝置在線分析儀器的設(shè)置已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，但仍有局部差距。國外大量采用在線分析儀器取代實(shí)驗(yàn)室儀器，以提高自動(dòng)化水平，降低人工成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的精細(xì)化管理。我國在非關(guān)鍵性參數(shù)分析上，目前還有相當(dāng)一部分仍以實(shí)驗(yàn)室分析為主，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差，不能對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化控制，效率難以提高。

在線分析儀器的制造和應(yīng)用已有60多年的歷史，近20年來，在線分析儀器的兩大突破性進(jìn)展是半導(dǎo)體激光分析儀和近紅外光譜儀。激光氣體分析儀的最大突破是簡化了采樣系統(tǒng)，提高了分析速度。近紅外光譜是近年來發(fā)展最為迅速的分析技術(shù)之一，具有快速、高效、無損等諸多優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、制藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖1　激光氣體分析儀組成和工作原理

2　半導(dǎo)體激光光譜吸收技術(shù)簡介

2.1半導(dǎo)體激光光譜吸收技術(shù)原理

半導(dǎo)體激光光譜吸收技術(shù)簡稱DLAS （DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy）。該技術(shù)是利用激光能量被氣體分子“選頻”吸收，形成吸收光譜原理來測量氣體濃度一種技術(shù)。半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長激光束穿過被測氣體時(shí)，被測氣體對(duì)激光束進(jìn)行吸收，導(dǎo)致激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，激光強(qiáng)度衰減與被測氣體含量成正比，測量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分析獲被測氣體濃度。因此，DLAS技術(shù)是一種高分辨率的光譜吸收技術(shù)，半導(dǎo)體激光穿過被測氣體的光強(qiáng)度衰減可用朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律來測量氣體的濃度。關(guān)系式如下：

2.2激光光譜吸收技術(shù)的發(fā)展歷史

20世紀(jì)七、八十年代，激光光譜吸收技術(shù)逐步應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。九十年代后，隨著半導(dǎo)體激光器和光纖元件的迅速發(fā)展，性價(jià)比大幅度提高，長壽命、單模特性和較寬波長范圍半導(dǎo)體激光器面市。一些高靈敏度光譜技術(shù)，如調(diào)頻光譜技術(shù)（frequency modulationspectroscopy）、腔吸收光譜技術(shù)（cavityringdownspectroscopy）等逐漸成熟。DLAS技術(shù)開始被較多應(yīng)用于工程研究，發(fā)達(dá)國家一些分析儀公司開始將DLAS技術(shù)應(yīng)用于氣體監(jiān)測。DLAS技術(shù)較傳統(tǒng)光譜檢測技術(shù)具有顯著技術(shù)優(yōu)勢，得到了迅速推廣。目前已經(jīng)上市的半導(dǎo)體激光氣體分析儀產(chǎn)品層出不窮，半導(dǎo)體激光技術(shù)在天然氣分析中得到了廣泛運(yùn)用。主要生產(chǎn)廠家有：杭州聚光科技有限公司、德國E+H公司、英國michell公司、美國GE公司、美國AMETEK公司、德國西門子公司、西克麥哈克公司、美國LGR公司、挪威納斯克公司等。

2.3激光氣體分析儀基本工作原理

激光氣體分析儀主要由激光發(fā)射單元、光電傳感接收單元和分析控制功能模塊組成。其中，分析控制功能模塊又包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及控制和半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電路。其基本工作原理如圖1所示，由激光發(fā)射單元驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)射出探測激光，激光穿過含有被測氣體的過程氣體時(shí)，由接收單元獲得吸收信號(hào)，經(jīng)過分析控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和光譜計(jì)算，實(shí)現(xiàn)氣體濃度的測量。

3　激光光譜的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢

3.1不受背景氣體影響

傳統(tǒng)光譜吸收技術(shù)采用的光譜譜線很寬，光譜不僅被被測介質(zhì)吸收，還會(huì)被被測介質(zhì)中的其它組份吸收，導(dǎo)致測量的不準(zhǔn)確。而激光光譜采用單線吸收光譜技術(shù)，譜線寬度窄（約0.0001nm），單色性好，并且激光波長掃描范圍僅覆蓋被測氣體的吸收光譜，從而避免了氣體分析中的交叉干擾，保證了測量的準(zhǔn)確性。

3.2不受粉塵和視窗污染的影響

采用激光光譜分析氣質(zhì)組份時(shí)，氣體的濃度是由投射光強(qiáng)的二次諧波信號(hào)與直流信號(hào)的比值決定的。因此，當(dāng)激光在傳輸過程中遇到粉塵或視窗臟污時(shí)，二次諧波信號(hào)與直流信號(hào)會(huì)同比下降，不會(huì)對(duì)氣體濃度的測量造成影響。

3.3自動(dòng)修正溫度、壓力對(duì)測量的影響

對(duì)于某些被測過程氣體，其溫度和壓力變化較大，這樣會(huì)導(dǎo)致二次諧波信號(hào)波形的幅值與形狀發(fā)生相應(yīng)的變化，影響測量準(zhǔn)確度。而DLAS技術(shù)可以接受外部輸入的溫度和壓力信號(hào)，進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償計(jì)算，自動(dòng)修正溫度和壓力變化對(duì)氣體濃度測量的影響。

4　激光光譜在天然氣中的應(yīng)用

激光光譜技術(shù)在天然氣行業(yè)中主要用于天然氣中微量水含量分析。天然氣經(jīng)過脫水處理后，進(jìn)入管道進(jìn)行輸送。如果水脫除不夠，在輸送過程中，當(dāng)溫度、壓力發(fā)生變化時(shí)，天然氣中的飽和水會(huì)凝析出來，堵塞管道，影響管輸能力。甚至在分輸調(diào)壓時(shí)，由于壓力降而導(dǎo)致溫度急劇下降，凝析出的水會(huì)對(duì)調(diào)壓閥造成“冰堵”現(xiàn)象。因此，對(duì)天然氣中微量水含量的測量是相當(dāng)重要和必要的。

目前，對(duì)天然氣中微量水含量的測量主要有以下幾種方法：

4.1電解法（P2O5）

電解法是一種絕對(duì)測量法，無需檢定。但P2O5會(huì)與胺發(fā)生反應(yīng)，傳感器容易受污染，需要定期校正、清洗和更換，造成不必要的停工。另外，由于電極棒容易受輕質(zhì)油、醇類等液體雜質(zhì)和其它固體雜質(zhì)污染，一般3-6個(gè)月需清洗鍍膜一次。因此，采用電解法分析天然氣中水含量維護(hù)工作量大，影響生產(chǎn)。

4.2電容法（Al2O3）

電容法分析儀體積小，靈敏度高，可測氣體中的微量水和常量水分。但探頭容易污染，需要定期校正、清洗和更換。核心傳感器只能在中性氣體條件下工作，長期在酸性或堿性條件下工作容易失效。在投產(chǎn)后期需要定期校正，時(shí)常停工清洗或更換探頭，維護(hù)工作和費(fèi)用高。

4.3石英晶體法

石英晶體振蕩法測量天然氣中微量水，測量下限低。但天然氣中的雜質(zhì)容易影響石英晶體振動(dòng)頻率，造成測量精度下降。探頭容易受污染，需定期更換探頭，并且探頭費(fèi)用高。若氣體中含有H2S，探頭會(huì)被污染，加快探頭更換頻率，維護(hù)費(fèi)用高。另外，采用石英晶體振蕩法測天然氣中微量水，在工程初期設(shè)備費(fèi)用也較高。

4.4光纖折射率法

探頭插入天然氣管道，管徑須大于100mm。接觸式測量，凝析烴、粉塵等雜質(zhì)容易堵塞探頭中傳感器的微孔。

4.5激光光譜吸收法

井口采出的天然氣需經(jīng)脫硫和脫水工藝再輸送至用戶，天然氣脫硫工藝主要采用胺類水溶液吸收法為主，脫水工藝主要采用三甘醇水溶液吸收法或分子篩吸附法。因此，經(jīng)處理后的天然氣中會(huì)含有微量的胺類、醇類物質(zhì)。采用激光光譜吸收法測量微量水含量具有如下特點(diǎn)：

（1）激光光譜吸收法無交叉干擾。激光微量水分析儀采用單譜線技術(shù)原理，從而避免了背景氣和雜質(zhì)對(duì)測量的干擾。對(duì)于其它接觸式測量的分析儀而言，樣氣中未脫除的雜質(zhì)必定會(huì)粘附、堵塞傳感器表面，嚴(yán)重影響測量精度。

（2）激光光譜吸收法是一種真正非接觸式測量，天然氣中三甘醇、H2S、凝析烴等對(duì)儀表關(guān)鍵部件（激光器和光探測器）不會(huì)造成污染問題。即使透鏡和反射鏡受到污染而導(dǎo)致透光率下降，由于分析儀采用了調(diào)制光譜技術(shù)，只要透過率達(dá)到10%以上，就不影響測量精度。

（3）激光光譜吸收法響應(yīng)速度快，可以連續(xù)測量，無吸附和再生時(shí)間。一般分析儀的測量響應(yīng)時(shí)間＜5s，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間＜30s。

（4）激光光譜吸收法運(yùn)行維護(hù)工作量小，運(yùn)行維護(hù)成本低。儀表漂移量小，一般來說無需定期標(biāo)定。

（5）采用激光光譜吸收法，性價(jià)比高。激光光譜吸收法由于簡化了樣氣系統(tǒng)，設(shè)備成本低。從目前市場價(jià)格來看，僅略高于電解法和電容法，但其使用性能上比其它幾種方式好。

結(jié)語

激光光譜吸收分析儀和傳統(tǒng)分析儀相比，有諸多不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它是最新一代在線氣體分析儀，是氣體分析儀的升級(jí)換代產(chǎn)品。隨著激光光譜技術(shù)的不斷成熟，它將引領(lǐng)潮流，在天然氣濕度分析上不斷取締傳統(tǒng)式在線分析儀，得到更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]王森．在線分析儀器手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

圖2　激光光譜譜線圖

中圖分類號(hào)：TE37

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A