天然气中水蒸气和二氧化碳的测量技术

摘要：湿气和二氧化碳含量是管道天然气中控制气体质量的众多指标中的两个。使用了可调二极管激光光谱技术是检测天然气中这些组分的一个有效方法。基于此项技术的分析仪，其花费合理，能提高产量，充分利用资源，并为用户提供操作的灵活性。

        湿气和二氧化碳含量是管道天然气中控制气体质量的众多指标中的两个。其他监测指标包括气体成分、热值和相对密度（比重）。

        基于众多因素，天然气中湿气和二氧化碳的量可能发生变化。可用不同方法来控制气体的组成，已有多种仪器可用于保证控制方法的有效性。

        本文集中介绍可调二极管激光光谱技术：一种测量水汽和二氧化碳的技术。基于该技术的分析仪可降低成本、能提高产量、充分利用资源，并为用户提供操作的灵活性。

1 系统描述

        Laser Chek 2100 系列气体分析仪（Chandler Engineering Co., L.L.C., Broken Arrow, OK）是近红外区运行的可调二极管激光（TDL）吸收光谱仪（图1）。每台仪器含一个TDL 光源、紧凑型高灵敏度监测器、集成了先进的操作及数据处理算法的软件。该仪器经现场证明十分耐用，提供了非接触式检测，不受气流中典型的乙二醇、氨、甲醇等的影响和污染。

        其他特征包括零维护（费用）、响应快速及不依赖流速等等。

2 运行理论

        在特定的靠近2 μm 的近红外区域监测激光束的吸收可同时测量H₂O 和CO₂。人眼能响应大约0.4 μ m （深紫色）到0.8 μm（深红色）范围的光波，但是大多数分子则“响应”近红外区对人眼来说是不可见的光。

        利用一束精确地运行于H₂O 和CO₂ 吸收波长的激光，有可能通过检测分子吸收的光的量来准确测量存在的分子的量。

        通过测量气体样品在每个特定波长下的吸光率，可利用Beer 定律的简单的吸收定律对H₂O 和CO₂ 进行直接定量，既没有相关的化学转化，也没有与样品气接触的传感元件，就提供了一个直接而明确的测量技术（图2）。

3 特色/优点

3.1 非接触测量

        分析仪使用非接触测量技术，使其能完全耐受蒸气相的污染，且不受流速的影响。该技术能够连续地监测酸性、刺激性或受污染的气体，对气态氨、乙二醇、甲醇污染不敏感。因为吸收信号总是对全部激光能量及其在窄波长上发射的能量进行归一化，所以系统能够处理高度的镜面污染而监测灵敏度和精度无任何下降。

        如能适当注意上游进样系统并严格按要求使用过滤装置，该分析仪就能够耐受镜面反射率的大幅度下降。如果过滤系统失效或发生了总污染，Laser Chek 2100允许接触镜面作简单清洗。

        这些特点使得系统无须重新校准即可迅速再次投入运行。

3.2 响应速率

        尤其是在监测低浓度的水汽时，分析仪的响应速率是个关键因素。

        即使在低于ppmv 级的浓度下，仪器也能在数秒内达到稳定状态。在6s 内98％阶跃变化的响应速度可使用户对很湿的气体短期的“块”进行检测并使其得到迅速恢复，而这种湿气“块”往往可导致化学传感器类型的分析仪测量不准确，或在传感器干燥或者恢复期间数小时无法使用。天然气的在线系统表明，在脱水处理厂分析仪发生一次故障后恢复响应或达到低于可接受的湿气浓度范围需要4～ 6 h。这使仪器能安全、有效地用于现场监测过程，且恢复到正常状态比其他技术快数小时。

3.3 在线精度

        分析仪±2.0% 的阅读精度保证了其在线精度。与其他基于传感器的分析仪的已经报道的精度数据相比较，显示出Laser Chek 2100 测量的质量更高。另外，由于不使用随时间而漂移的消耗性零部件或传感器，因此在低维护费用的情况下仍能长期保持良好的在线精度。

3.4 显示选择

        分析仪可用3 种单位显示测得的水汽含量：lb/MMscf、露点和ppmv。用户可在面板上简单地设定这3 个单位中的任何1 个。另外，单位可以设置成以英制或国际单位显示。

3.5 多电源模式选择

        分析仪配备多种电源选择：115 V 60 Hz、240 V 50 Hz 交流电或12V 、24 V 直流输入，当然仪器也可方便地使用太阳能。

        仪器电流下降非常低：120 V交流电最大1A。无论由于何种原因导致仪器断电，它都会在再次通电时重新启动，利用EEPROM，可将全部校验及参数设置都保存在永久性存储器中。

3.6 多种输出

        分析仪各通道均有如下输出：独立的4～20 mA 模拟回线及一个RS232 系列输出。RS232 能为多个装置生成数据链， 典型装置是运行HyperTerminal 的计算机终端或其他系列接口软件。这些数据提供的信息有助于进行监测和/ 或排除故障。

4 结论

        Laser Chek 2100 为天然气产业提供诸多好处。它为用户削减运行、维护费用从而大幅降低成本，并且消除了仪器返修及必须购买传感器备件（传感器备件具有特定寿命且并不便宜）的花费和由此造成的停工。

        因为其操作简便、响应快捷并且能耐受天然气中通常存在的湿气沾染，该分析仪灵敏度得以改善。由于系统能抵御所有这些污染，用户完全不用停工，因而增加了生产能力。

        如果使用高度可靠、耐用且可重现的Laser Chek 2100，用户尽可放心，水汽和/ 或二氧化碳的测量是准确的并处在规定的灵活性及安全的操作湿气浓度之下。分析仪在操作安全、健康方面为用户提供高度的可靠性，经测量及控制保证不会出现凝固现象及由此导致的管线爆裂和腐蚀。