天然氣中水蒸氣和二氧化碳的測量技術

摘要：濕氣和二氧化碳含量是管道天然氣中控制氣體質量的眾多指標中的兩個。使用了可調二極管激光光譜技術是檢測天然氣中這些組分的一個有效方法。基于此項技術的分析儀，其花費合理，能提高產量，充分利用資源，并為用戶提供操作的靈活性。

        濕氣和二氧化碳含量是管道天然氣中控制氣體質量的眾多指標中的兩個。其他監測指標包括氣體成分、熱值和相對密度（比重）。

        基于眾多因素，天然氣中濕氣和二氧化碳的量可能發生變化。可用不同方法來控制氣體的組成，已有多種儀器可用于保證控制方法的有效性。

        本文集中介紹可調二極管激光光譜技術：一種測量水汽和二氧化碳的技術。基于該技術的分析儀可降低成本、能提高產量、充分利用資源，并為用戶提供操作的靈活性。

1 系統描述

        Laser Chek 2100 系列氣體分析儀（Chandler Engineering Co., L.L.C., Broken Arrow, OK）是近紅外區運行的可調二極管激光（TDL）吸收光譜儀（圖1）。每臺儀器含一個TDL 光源、緊湊型高靈敏度監測器、集成了先進的操作及數據處理算法的軟件。該儀器經現場證明十分耐用，提供了非接觸式檢測，不受氣流中典型的乙二醇、氨、甲醇等的影響和污染。

        其他特征包括零維護（費用）、響應快速及不依賴流速等等。

2 運行理論

        在特定的靠近2 μm 的近紅外區域監測激光束的吸收可同時測量H2O 和CO2。人眼能響應大約0.4 μ m （深紫色）到0.8 μm（深紅色）范圍的光波，但是大多數分子則“響應”近紅外區對人眼來說是不可見的光。

        利用一束精確地運行于H2O 和CO2 吸收波長的激光，有可能通過檢測分子吸收的光的量來準確測量存在的分子的量。

        通過測量氣體樣品在每個特定波長下的吸光率，可利用Beer 定律的簡單的吸收定律對H2O 和CO2 進行直接定量，既沒有相關的化學轉化，也沒有與樣品氣接觸的傳感元件，就提供了一個直接而明確的測量技術（圖2）。

3 特色/優點

3.1 非接觸測量

        分析儀使用非接觸測量技術，使其能完全耐受蒸氣相的污染，且不受流速的影響。該技術能夠連續地監測酸性、刺激性或受污染的氣體，對氣態氨、乙二醇、甲醇污染不敏感。因為吸收信號總是對全部激光能量及其在窄波長上發射的能量進行歸一化，所以系統能夠處理高度的鏡面污染而監測靈敏度和精度無任何下降。

        如能適當注意上游進樣系統并嚴格按要求使用過濾裝置，該分析儀就能夠耐受鏡面反射率的大幅度下降。如果過濾系統失效或發生了總污染，Laser Chek 2100允許接觸鏡面作簡單清洗。

        這些特點使得系統無須重新校準即可迅速再次投入運行。

3.2 響應速率

        尤其是在監測低濃度的水汽時，分析儀的響應速率是個關鍵因素。

        即使在低于ppmv 級的濃度下，儀器也能在數秒內達到穩定狀態。在6s 內98％階躍變化的響應速度可使用戶對很濕的氣體短期的“塊”進行檢測并使其得到迅速恢復，而這種濕氣“塊”往往可導致化學傳感器類型的分析儀測量不準確，或在傳感器干燥或者恢復期間數小時無法使用。天然氣的在線系統表明，在脫水處理廠分析儀發生一次故障后恢復響應或達到低于可接受的濕氣濃度范圍需要4～ 6 h。這使儀器能安全、有效地用于現場監測過程，且恢復到正常狀態比其他技術快數小時。

3.3 在線精度

        分析儀±2.0% 的閱讀精度保證了其在線精度。與其他基于傳感器的分析儀的已經報道的精度數據相比較，顯示出Laser Chek 2100 測量的質量更高。另外，由于不使用隨時間而漂移的消耗性零部件或傳感器，因此在低維護費用的情況下仍能長期保持良好的在線精度。

3.4 顯示選擇

        分析儀可用3 種單位顯示測得的水汽含量：lb/MMscf、露點和ppmv。用戶可在面板上簡單地設定這3 個單位中的任何1 個。另外，單位可以設置成以英制或國際單位顯示。

3.5 多電源模式選擇

        分析儀配備多種電源選擇：115 V 60 Hz、240 V 50 Hz 交流電或12V 、24 V 直流輸入，當然儀器也可方便地使用太陽能。

        儀器電流下降非常低：120 V交流電最大1A。無論由于何種原因導致儀器斷電，它都會在再次通電時重新啟動，利用EEPROM，可將全部校驗及參數設置都保存在永久性存儲器中。

3.6 多種輸出

        分析儀各通道均有如下輸出：獨立的4～20 mA 模擬回線及一個RS232 系列輸出。RS232 能為多個裝置生成數據鏈， 典型裝置是運行HyperTerminal 的計算機終端或其他系列接口軟件。這些數據提供的信息有助于進行監測和/ 或排除故障。

4 結論

        Laser Chek 2100 為天然氣產業提供諸多好處。它為用戶削減運行、維護費用從而大幅降低成本，并且消除了儀器返修及必須購買傳感器備件（傳感器備件具有特定壽命且并不便宜）的花費和由此造成的停工。

        因為其操作簡便、響應快捷并且能耐受天然氣中通常存在的濕氣沾染，該分析儀靈敏度得以改善。由于系統能抵御所有這些污染，用戶完全不用停工，因而增加了生產能力。

        如果使用高度可靠、耐用且可重現的Laser Chek 2100，用戶盡可放心，水汽和/ 或二氧化碳的測量是準確的并處在規定的靈活性及安全的操作濕氣濃度之下。分析儀在操作安全、健康方面為用戶提供高度的可靠性，經測量及控制保證不會出現凝固現象及由此導致的管線爆裂和腐蝕。