天然氣在線氣相色譜儀

氣相色譜儀廠家，武漢泰特沃斯科技有限公司產(chǎn)品主要包括GC2030系列氣相色譜分析儀、GC966系列在線氣相色譜儀、GC966便攜式氣相色譜儀等設(shè)備，以及相關(guān)配套設(shè)備。廣泛應(yīng)用于石油化工、科研教學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、食品醫(yī)藥安全、高純氣體行業(yè)、生命科學(xué)、司法鑒定等領(lǐng)域。本文由武漢泰特沃斯科技有限公司色譜技術(shù)人員主要介紹天然氣在線氣相色譜儀分析。

天然氣能量計量與計價已成為目前上天然氣貿(mào)易和消費(fèi)計量與結(jié)算的發(fā)展趨勢。發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)90年代建立了較為完善的天然氣貿(mào)易計量法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法，隨著天然氣在線分析技術(shù)的日漸成熟，發(fā)達(dá)國家的大型貿(mào)易計量站，特別是按能量方式計量的大、中型計量站，天然氣色譜儀已成為*的計量設(shè)備。與發(fā)達(dá)國家相比，我國采用的天然氣貿(mào)易計量方式仍以體積計量為主，但由于不同天然氣的組分存在差異，同體積的天然氣所產(chǎn)生的能量不同，因此以體積計量方式進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，無法與標(biāo)準(zhǔn)接軌，不符合天然氣貿(mào)易計量的發(fā)展趨勢。

國內(nèi)部分天然氣長輸管道的計量站通過引進(jìn)*進(jìn)的在線色譜分析技術(shù)，在能量計量方面作出了有效的嘗試。進(jìn)口儀器在某些計量指標(biāo)方面雖具有一定的*性，但是其缺陷也不可忽視：①設(shè)備和耗材價格昂貴，使用成本高；②沒有根據(jù)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定制化開發(fā)；③對基層用戶的培訓(xùn)不足，缺少售后和服務(wù)。由此，導(dǎo)致進(jìn)口儀器在國內(nèi)的推廣應(yīng)用受到很大限制。因此，研制具有*自主知識產(chǎn)權(quán)，性能與國外儀器相媲美的天然氣色譜儀已刻不容緩。本文主要介紹了天然氣色譜分析系統(tǒng)的主要構(gòu)成，并對所研制的在線氣相色譜儀進(jìn)行了實驗室及現(xiàn)場在線測試。

1 儀器系統(tǒng)

1.1 天然氣色譜分析系統(tǒng)

天然氣色譜分析系統(tǒng)主要由氣體供給系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、樣品預(yù)處理系統(tǒng)、在線氣相色譜儀等組成。樣氣由取樣系統(tǒng)取出，通過樣品預(yù)處理系統(tǒng)除雜、除油、穩(wěn)壓、穩(wěn)流后進(jìn)入在線氣相色譜儀，先后經(jīng)過色譜進(jìn)樣器、色譜柱、檢測器、數(shù)據(jù)處理單元等幾部分，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化為濃度信號后再傳輸?shù)竭h(yuǎn)程流量計算機(jī)，用于天然氣能量計算。

(1) 氣體供給系統(tǒng)：為色譜提供運(yùn)行所需的符合分析儀要求的載氣及標(biāo)氣。

(2) 取樣系統(tǒng)：包括采樣探頭和樣品傳輸管線，主要功能是實現(xiàn)取樣、樣氣減壓、過濾及樣品傳輸，連續(xù)把管道內(nèi)樣氣以足夠的壓力和流量不失真地送入預(yù)處理系統(tǒng)和色譜分析系統(tǒng)。

(3) 樣品預(yù)處理系統(tǒng)：對樣品的壓力、溫度、固體微粒粉塵、有害組分等進(jìn)行處理，使之得到符合分析儀要求的樣品。

(4) 在線氣相色譜儀：主要由進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、檢測和記錄系統(tǒng)等組成，實現(xiàn)樣氣組分濃度分析，并將信號通過Modbus通訊協(xié)議傳輸至流量計算機(jī)。

1.2 在線氣相色譜儀

在線氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)主要包括電子壓力控制模塊、色譜模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、接口模塊和顯示模塊，此外還包括防爆模塊等輔助單元。

采用電子壓力控制模塊調(diào)節(jié)載氣和樣氣的壓力，穩(wěn)壓后的載氣攜帶樣氣進(jìn)入色譜模塊。色譜模塊由進(jìn)樣器、色譜柱和檢測器組成，進(jìn)樣器獲取一定量的樣氣后，送入色譜柱分離，終由檢測器輸出檢測信號。數(shù)據(jù)處理模塊用于分析儀的工作流程控制，獲取色譜模塊的檢測器信號，經(jīng)處理得到氣體分析結(jié)果。接口電路實現(xiàn)分析儀和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的通訊，并進(jìn)行反饋控制。顯示模塊提供完善的人機(jī)交互界面，可實時顯示分析儀數(shù)據(jù)，并可通過磁按鍵直接操作分析儀。防爆模塊輔助單元保證了分析儀的正常高效運(yùn)行，并可應(yīng)用于對安全有較高要求的場合。

其中，色譜模塊作為核心部件，采用的是微型色譜技術(shù)，基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)在硅片上制造高質(zhì)量、高精度微細(xì)進(jìn)樣系統(tǒng)和高靈敏度的微細(xì)熱導(dǎo)檢測器。由于所有微細(xì)器件在硅片上完成，故這些器件的化學(xué)性能很穩(wěn)定，惰性好，工藝上重復(fù)性好，制造精度高。進(jìn)樣系統(tǒng)通過雙面刻蝕的硅片和鍵合技術(shù)形成微通道和微閥，將這些微通道和微閥組合起來形成不同類型的進(jìn)樣器。微型熱導(dǎo)檢測器以硅片為基材，采用增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在硅片上生成高質(zhì)量下層鈍化層薄膜，然后用濺射工藝在薄膜上生成鎳薄層，在此基礎(chǔ)上再用增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝生成上層鈍化層薄膜，后用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出需要的燈絲、參考?xì)馔ǖ兰皹悠窔馔ǖ?。同時，用陽極鍵合工藝將一片玻璃片和硅片鍵合在一起，形成微型熱導(dǎo)檢測器部件。采用MEMS技術(shù)的色譜模塊具有分析速度快、系統(tǒng)體積小、耗氣量少、檢測器靈敏度高等特點，非常適用于石化工業(yè)，如天然氣、煉廠氣、石油和天然氣勘探中的氣體分析。

2 儀器性能測試

對研制在線氣相色譜儀的主要性能作了系統(tǒng)的測試，獲得載氣流速穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、分離度、基線噪聲、定性重復(fù)性、定量重復(fù)性、分析周期等性能指標(biāo)參數(shù)。測試結(jié)果如下：載氣流速穩(wěn)定性小于1%；溫度穩(wěn)定性小于0.02 ℃；CH4和N2的分離度大于1.0，正丁烷和異丁烷分離度大于1.5；基線噪聲小于20 μV；靈敏度大于2 000 mV·mL·mg-1；定性重復(fù)性小于0.1%；定量重復(fù)性小于0.1%；分析周期小于2 min。

研制的在線氣相色譜儀具有分析速度快、測量精度高、載氣和標(biāo)氣消耗量小、使用維護(hù)方便和維護(hù)成本低等優(yōu)點，較好地滿足了天然氣能量計量中組分分析的迫切需要，它的推廣將可以較大程度地提高我國天然氣行業(yè)的在線監(jiān)測和能量計量水平，有助于降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。