如何选用天然气在线水分分析仪

摘要：本文介绍了天然气在线水分分析仪的几种工作原理，并对各种原理进行了对比分析，从中选出了技术比较先进、成熟的分析仪，这有助于用户在选择何种分析仪上进行明确的判断。对天然气在线水分分析仪取样系统、样气处理系统、检测分析控制显示及信号传输系统进行了详尽的讲解分析。

关键词：在线水分分析仪原理 取样系统 样气处理 信号传输

中图分类号：F407文献标识码： A

在线水分分析仪是应用于生产过程的在线智能型工业分析仪表，能够自动、连续地测量出天然气中碳氢化合物的露点并作数据处理，并能将其结果传送至计算机控制系统。在线水分分析仪及其辅助设备包括取样系统（包括焊接在工艺管道上的法兰管嘴），样气处理系统，检测分析控制、显示及信号传输系统（分析仪控制器）等。供货商应能成套提供以上设备，并提供与其相关的所有附件。供货商提供的设备若为户外型，应满足当地的环境条件。

目前测量天然气水露点的方法有以下几种：即激光法、电容法Al2O3、电解法P2O5、晶体振荡法、冷镜法。它们的工作原理如下：

1、镜面式露点仪

不同水份含量的气体在不同温度下的镜面上会结露。采用光电检测技术，检测出露层并测量结露时的温度，直接显示露点。镜面制冷的方法有：半导体制冷、液氮制冷和高压空气制冷。镜面式露点仪采用的是直接测量方法，在保证检露准确、镜面制冷高效率和精密测量结露温度前提下，该种露点仪可作为标准露点仪使用。目前国际上最高精度达到±0.1℃(露点温度)，一般精度可达到±0.5℃以内。

2、 电传感器式露点仪

采用亲水性材料或憎水性材料作为介质，构成电容或电阻，在含水份的气体流经后，介电常数或电导率发生相应变化，测出当时的电容值或电阻值，就能知道当时的气体水份含量。建立在露点单位制上设计的该类传感器，构成了电传感器式露点仪。目前国际上最高精度达到±1.0℃(露点温度)，一般精度可达到±3℃以内。

3、电解法露点仪

利用五氧化二磷等材料吸湿后分解成极性分子，从而在电极上积累电荷的特性，设计出建立在绝对含湿量单位制上的电解法微水仪。目前国际上最高精度达到±1.0℃(露点温度)，一般精度可达到±3℃以内。

4、 晶体振荡式露点仪

利用晶体沾湿后振荡频率改变的特性，可以设计晶体振荡式露点仪。这是一项较新的技术，目前尚处于不十分成熟的阶段。国外有相关产品，但精度较差且成本很高。

5、红外露点仪

利用气体中的水份对红外光谱吸收的特性，可以设计红外式露点仪。目前该仪器很难测到低露点，主要是红外探测器的峰值探测率还不能达到微量水吸收的量级，还有气体中其他成份含量对红外光谱吸收的干扰。但这是一项很新的技术，对于环境气体水份含量的非接触式在线监测具有重要的意义。

6、半导体传感器露点仪

每个水分子都具有其自然振动频率，当它进入半导体晶格的空隙时，就和受到充电激励的晶格产生共振，其共振频率与水的摩尔数成正比。水分子的共振能使半导体结放出自由电子，从而使晶格的导电率增大，阻抗减小。利用这一特性设计的半导体露点仪可测到-100℃露点的微量水份。

7、半导体激光水分析仪

半导体激光水分析仪的工作原理是根据气体组分在近红外波段的吸收特性，采用半导体激光光谱吸收技术进行测量的一种光学分析仪器。其技术特点和优势在于：

（1）不受背景气体的影响

红外分析仪使用的红外光束谱带宽度＞0.1微米，而半导体激光分析仪中使用的激光谱宽小于0.001纳米，远小于被测气体一条吸收谱线的谱宽。因而激光分析仪具有单线吸收光谱优势，不受背景气体组分的交叉干扰，测量精度较高。需要注意的是测量天然气时CH4对H2O吸收谱线有重叠干扰，仪器出厂时对其进行了补偿修正，测量时要求CH4浓度＞75%，如果CH4浓度低于75%需要重新设定零点值。

（2）非接触测量

光源和检测器件不与被测气体接触，只要测量气室采用耐腐蚀材料，即可对腐蚀性气体进行测量，天然气中含有的粉尘、重烃及其对光学视窗的污染对于仪器的测量结果影响很小。实验结果表明：当激光光强衰减到20%报警前，测试精确度不受影响，清洗镜面后报警解除。即使粉尘和视窗污染导致光透过率下降到1%时，仪器示值误差仍不超过3%。

随着现代科学技术的发展，人们纷纷把光电技术、新材料技术、红外技术、微波技术、微电子技术、光纤技术、声波技术甚至纳米技术应用到气体中水份的测量，使水份测量这一古老领域焕发出青春。各种干扰气体对不同的测量法影响比较如下表：

在测量原理上，技术人员认定镜面结露的方法是最直接且精度最高的方法，镜面露点仪在技术上将引进近代技术成份。如山东青岛欧必胜科技公司研制的冷镜式激光露点仪首次采用了激光准直技术和CCD技术，在露层判别、露霜图像识别技术上走到了世界前沿。专业人员在传统的传感器材料研究（如氧化铝材料、氯化锂材料、高分子材料和陶瓷材料）基础上，用完全不同的技术手段，陆续发展出许多间接测量气体中微量水份的方式方法，解决了不同领域和不同环境中的微水份测量问题。而在可调谐激光技术上GE公司和阿美泰克公司又各有特色。GE 传感检测科技的 Aurora 分析仪利用可调谐二极管激光吸收光谱技术 (TDLAS)测量天然气中的水份含量。该分析仪适于安装在危险区域并可在多种环境条件下工作。Aurora 的快速响应系统在水份浓度超标时会迅速报警并予以记录。一旦工艺正常且天然气中水份被除去，该快速响应系统可让天然气迅速自由进入“能源网”。GE 传感检测科技在水份测量方面有着丰富的经验，提供的产品包括薄膜氧化铝、高分子电容以及冷镜式传感器技术等。它的发展始自 Robert Hall 博士于 1962 年在纽约 Schenectady 开发出的第一只注入式二极管激光器。这种低廉的紧凑型二极管激光器成就了压缩光盘、激光打印机以及光纤通信。如今，GE 传感检测科技推出的 Aurora 让天然气在加工和输送中可以高度精确和可靠地实时监控水份含量。阿美特克公司生产的5100可调谐激光水分分析仪利用光学吸收原理，选取近红外激光作为光源，通过检测该激光通过样气室后能量的衰减，计算出样气中水分含量的浓度。该技术的特点是：（1）高度专一性: 因为此技术具有非常高的光谱分辨率,所以对测量组分高度专一,可以发射非常窄的波谱宽度,从而避免了光谱吸收重叠。（2）灵敏度高: 因为二极管激光的波长可调谐,灵敏度大大提高。（3）响应速度快:TDLAS是一种光测量技术,反应速度快。（4）激光是高度单色光,可以得到高分辨率光谱 。（5）激光可以调谐一个带宽 。阿美特克公司生产的5100可调谐激光水分分析仪，不仅具有传统光学检测的功能，在此基础上，还增加了标定池，一方面可以随时检测仪器分析结果的准确度，一方面可以锁定激光线，避免因为温度变化导致激光头发出的波长的漂移。

分析仪除了采用先进可靠的技术，还要有配套完整的取样系统。取样系统提供的气体样品是否具有代表性，将直接影响分析仪表的工作质量和检测结果。取样系统应配套提供从取样口到分析仪的整个测量管路。对取样系统的最低要求如下：

1）取样系统的材料、结构必须能够耐取样处的压力、温度、流速冲击和腐蚀，而不改变气体的化学性质。

2）取样系统应设计合理，应设置快速回路，尽量以最小的滞后，把气体样品送入分析仪表中。

3）取样探头应能插入管道直径的1/2 或1/3 处，且不易被堵塞，以保证所采的样气能具有代表性。

4）为保证样气的质量以及仪表和辅助设备的使用效果，取样系统应设样品气预处理分离过滤装置，以初步除去样气中的杂质。该过滤装置应能耐管道气体的压力、温度、流速和腐蚀

性。

5）取样管路应直接与工艺管道连接（包括焊接在工艺管道上的法兰管嘴），供货商应提供相应的取样接头连接管阀件和紧固件（包括焊接在工艺管道上的法兰管嘴），并提供详细的安装方式和图纸。

6）取样系统使用的材料要求：与天然气接触的所有表面一般应选用不锈钢材料，所采用的不锈钢材料既不应影响天然气的组份和物性且不受天然气的影响。密封圈（垫）的材料除应满足压力、温度等条件外，亦应满足其与天然气接触既不会影响天然气的组份和物性且不受天然气的影响的条件。

7）若需要，取样系统减压装置应置于有加热系统的保护箱内，对取样管路进行加热，取样管路的加热温度应至少高于凝析温度10℃，带有加热系统的保护箱由供货商提供。

8）若需要，取样系统应设置压力控制和过压保护装置，以保证样气压力的相对稳定，同

时，应保证仪表和设备的安全、正常工作。

供货商还应提供功能完善的样气处理系统或设备。

1）供货商应根据分析对象的压力、温度、流量及所含杂质选择合理的样气处理系统，对采集的样气进行除尘和压力、流量控制，以满足仪表对样气的技术要求。该系统中所选用的设备在材料、结构等方面能够适应样气的压力、温度范围，并耐腐蚀，而且不改变气体的化学性质。

2）应根据分析对象特点设置气体过滤装置和过滤方式，以除去样气中所含的杂质。宜设置粗过滤和精细过滤两级过滤装置，以保证样气的质量。

3）应设置流量调节装置和压力调节装置，自动控制进入分析仪的样气流量与压力，保证样气的稳定性。

4）为保证分析仪表及设备的安全工作，至少应在减压器下游设置压力安全阀。

5）样气处理系统的流程应易于操作且功能齐全，仪器上还应设置相应的压力表和流量计。

所有仪表及管路应符合样气的压力和温度等级要求，并应耐腐蚀。管路材质应采用316L 材质。

6）如果样气有预热要求，该系统中应设置相应的预热装置。

7）供货商应对分析仪样气排放压力、流量进行说明，并设置相应的样气排放措施。

8）如系统中有电气设备，应满足防爆、防护等级的要求。

此外，分析仪控制器应具有就地LCD显示功能与参数设置功能，通过就地或远程的参数设置可完成对测量范围、设备自校验、设备分析周期等参数的设定。若有必要，供货商应提供相应的操作设置软件。应能自动实时计算出天然气中水分含量，并能通过实际压力补偿完成露点计算，水份含量和露点读数应同时上传至控制系统并现场就地显示。分析仪控制器应具有数据处理、存储与通信等功能，其数据处理与分析结果可通过通信接口上传至上位计算机控制系统。具有自诊断功能，其诊断报告或报警信息结果可通过通信接口上传至上位计算机控制系统，上位计算机控制系统也可对其进行远程在线组态与维护。

参考文献：1、中国石油集团工程设计有限责任西南分公司《克拉苏气田克深天然气处理厂一期工程和克深8区块地面工程》设计图纸

2、山东青岛欧必胜科技公司的新浪微博

3、GE公司的产品宣传手册

4、阿美特克公司的产品宣传手册

作者简介：经春龙 男 1976年5月26日出生，2001年毕业于大庆石油学院，获得工学学士学位。现在辽河油田油建一公司工作，2006年取得工程师职称，主要从事电气、仪表安装和调试工作。