劉海泉，吳景寶，林達(dá)明，胡小戰(zhàn)

(1. 中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610000；2. 四川寶石花鑫盛油氣運(yùn)營服務(wù)有限公司，四川 成都 610051)

隨著化工裝置的大型化和整體裝備技術(shù)水平的提升，以及節(jié)能降耗、治污減排和安全生產(chǎn)方面要求的提高，在線分析儀的重要性和使用量與日俱增[1]。目前市場用于測量氣相組分的在線分析儀通常采用光吸收原理，其最大優(yōu)點(diǎn)是傳感器不直接與介質(zhì)接觸，從而使傳感器的壽命更長、更穩(wěn)定，但是對(duì)光學(xué)器件的穩(wěn)定性要求很高[2]。在現(xiàn)代光電探測技術(shù)中，紫外波段越來越受到人們的關(guān)注，成為繼激光探測技術(shù)和紅外探測技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種重要的光電探測技術(shù)[3]。某天然氣凈化廠脫硫裝置采用了硫化氫在線分析儀，利用該分析儀分析管道天然氣中的硫化氫含量并進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，當(dāng)硫化氫含量超標(biāo)時(shí)，會(huì)觸發(fā)裝置聯(lián)鎖，阻止不合格天然氣外輸。在使用過程中該分析儀主要存在光源衰減快，使用壽命短、維護(hù)成本高等問題。為了解決該類問題，提出了深度優(yōu)化光源系統(tǒng)的方法，延長了分析儀使用壽命。

1 分析儀介紹

1.1 原 理

硫化氫在線分析儀是基于紫外線照射分光吸收原理，利用物質(zhì)的分子對(duì)波長為200～800 nm的光的吸收特性進(jìn)行測定的方法[4]，當(dāng)紫外線照射通過樣氣室，根據(jù)朗伯比爾定律(Beer-Lambert Law)可知被測試樣吸光度如式(1)所示：

(1)

式中：A——吸光度；T——透光率；K——吸光系數(shù)；b——光路長度，cm；c——吸光介質(zhì)的濃度，mol/L；I0——原始光強(qiáng)度；I——透過光強(qiáng)度。

1.2 光學(xué)分析系統(tǒng)

該分析儀光學(xué)系統(tǒng)包括： 2只紫外光源燈、濾光輪(6個(gè)窗口中只有1，3，5，6窗口裝有濾光鏡片)、透鏡、光束分離鏡、測量氣室、2只匹配的光電倍增管(PMT)，分析儀光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 分析儀光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)示意

進(jìn)行測量時(shí)，樣氣流經(jīng)樣品處理系統(tǒng)色譜柱，將乙硫醇、芳烴兩種組分截留下來，只允許H2S，COS(羰基硫)，MeSH(甲基硫醇)三種組分進(jìn)入測量氣室。該分析儀光學(xué)系統(tǒng)采用雙光束參比技術(shù)和多波長差分吸收技術(shù)。

2只紫外閃爍光源分別是鎘燈(檢測H2S，COS)和銅燈(檢測MeSH)，發(fā)射出波長為200～400 nm的脈沖信號(hào)。濾光輪上的其中3個(gè)濾光鏡片透過波長為： 214 nm，228 nm，249 nm，分別對(duì)應(yīng)H2S，COS，MeSH三種組分的敏感吸收波長；另外一個(gè)濾光鏡片透過波長為326 nm的參比波長，即沒有被H2S，COS，MeSH 組分吸收的波長[6]。

當(dāng)紫外光源發(fā)出每個(gè)脈沖時(shí)，光束分離鏡將50%的光引導(dǎo)至參比PMT，PMT是一種利用光電發(fā)射和次級(jí)發(fā)射的原理，將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)并加以放大的真空電子器件[7]，實(shí)現(xiàn)雙光束參比技術(shù)，以克服包括電源電壓波動(dòng)、光源器件老化、光學(xué)鏡片污染等光學(xué)系統(tǒng)波動(dòng)造成的測量誤差；另外50%的光通過測量氣室引導(dǎo)至測量PMT，通過精確控制紫外光源的閃爍發(fā)光和濾光輪旋轉(zhuǎn)，使鎘燈、銅燈和濾光鏡片緊密配合，實(shí)現(xiàn)H2S，COS，MeSH三種組分的差分吸收檢測，以克服被測樣氣背景組分干擾，溫度、壓力波動(dòng)等造成的測量誤差[8]。

如圖1所示，光信號(hào)處理電路為光源燈供電，并將光電信號(hào)進(jìn)行放大后傳輸至微控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，然后，微控制系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)通信，經(jīng)主控制系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)與用戶I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 實(shí)際應(yīng)用問題

該分析儀使用過程中，存在問題有： 鎘燈光源故障率高、使用壽命短、更換頻率高，鎘燈的正常使用壽命為9～12個(gè)月。2020年該分析儀鎘燈更換情況統(tǒng)計(jì)見表1所列。

表1 2020年在線分析儀鎘燈更換數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1中可以看出該分析儀鎘燈都達(dá)不到正常使用壽命，最高使用壽命為6個(gè)月。一個(gè)鎘燈的價(jià)格約為4萬元人民幣，一年共計(jì)更換9個(gè)，維護(hù)費(fèi)用達(dá)36萬元人民幣?？梢妼?duì)光源系統(tǒng)的優(yōu)化尤為重要。

3 光源優(yōu)化方法

該分析儀鎘燈光源出現(xiàn)故障后，一般更換新的光源燈，但是亮度太高，存在光源利用過剩的現(xiàn)象，使用一段時(shí)間后，光源燈亮度會(huì)逐漸衰減，導(dǎo)致對(duì)光源的利用率降低。光源是該分析儀光學(xué)系統(tǒng)中的主要組件，光源的強(qiáng)弱程度會(huì)影響該分析儀分析效果?？赏ㄟ^光源參數(shù)設(shè)置與PMT增益跳線帽調(diào)整等措施達(dá)到光源系統(tǒng)的優(yōu)化。

3.1 光源參數(shù)優(yōu)化

通過分析儀軟件，查看光源數(shù)據(jù)與光源設(shè)置菜單，確保數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)。自動(dòng)光源脈沖控制信號(hào)不超過自動(dòng)光源控制設(shè)置最大信號(hào)范圍，該分析儀系統(tǒng)電壓設(shè)置為8.51 V；光電倍增測量與光電倍增參比的電壓超出正常范圍(2.50～9.84 V)時(shí)系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，如果在校準(zhǔn)控制中，其電壓一直不小于10 V時(shí)，需降低PMT電壓，讓分析儀處于穩(wěn)定狀態(tài)后再執(zhí)行自動(dòng)設(shè)置；查看光源設(shè)置菜單中光電倍增電平與光電倍增平衡參數(shù)都在2.5～8.0 V范圍內(nèi)。

每次自動(dòng)設(shè)置后需檢查光電倍增電平和光電倍增平衡值，并做好記錄。如果在自動(dòng)設(shè)置完成后，PMT電壓仍在2.50～9.84 V范圍之外，還需進(jìn)行以下檢查：

1)零點(diǎn)氣流經(jīng)過采樣系統(tǒng)，自動(dòng)設(shè)置是否完成。

2)測量氣室是否干凈。

3)測量氣室是否存在泄漏，如果有，檢查光路系統(tǒng)和測量氣室中的光學(xué)過濾器、光束分離鏡、透鏡、窗口、透鏡和O型環(huán)的情況(包括反射鏡組件)。

4)PMT增益是否在原來的位置，例如較高的PMT增益是否在測量途徑中。

5)光源燈是否需要更換，如果不需要，檢查光源是否校準(zhǔn)。

3.2 PMT增益跳線帽調(diào)整

調(diào)節(jié)光電倍增平衡參數(shù)，根據(jù)光源電路板PMT增益跳線帽設(shè)置，其中1～6為濾光輪上的窗口位號(hào)，×為跳線帽，如圖2所示。光源電路板上有PMT增益跳線帽標(biāo)記位置P300和P301，在更換跳線時(shí)，P300和P301上至少保持一個(gè)跳線帽在上面。特別注意的是操作P301的跳線時(shí)，可以采取安裝好跳線帽后，拔掉其中一個(gè)跳線帽的方法。由于光電板安裝空間較窄，跳線帽操作不便，可采取在設(shè)置圖中預(yù)選一項(xiàng)便于操作的跳線帽設(shè)置法來調(diào)節(jié)光電倍增平衡參數(shù)。

圖2 光源電路板PMT增益跳線設(shè)置示意

3.3 優(yōu)化措施步驟

在線分析儀光源優(yōu)化措施如下：

1)設(shè)置光源菜單對(duì)話框中的Lamp Based值為1.001 V，光過濾窗口4設(shè)置為-1.001 V。

2)重新設(shè)置PMT增益，將OpBench菜單對(duì)話框中ALC On選項(xiàng)去掉，數(shù)據(jù)更新后光電倍增電平值為6.559 V，光電倍增平衡值為6.49 V，若光電倍增平衡的數(shù)據(jù)值偏高，需要下調(diào)。

3)當(dāng)跳線帽初始設(shè)置位置較低，光電倍增平衡參數(shù)值為2.097 V，已經(jīng)偏離2.5～8.0 V范圍值，需提高光電倍增平衡值。操作步驟同第二步。

4)當(dāng)光電倍增平衡值下降至5.313 V時(shí)，接近廠家提供的推薦值5.0 V，不再調(diào)整PMT增益。

5)單擊標(biāo)準(zhǔn)工具欄上的設(shè)置圖標(biāo)，打開設(shè)置程序文件“LampSetup.dyc”，此時(shí)2個(gè)趨勢(shì)圖顯示在屏幕上，上半部分顯示參比PMT信息，下半部分顯示測量PMT信息，單擊標(biāo)準(zhǔn)工具欄的“Go”圖標(biāo)，開始測量和參比PMT信息的掃描。通過調(diào)整燈座微調(diào)螺釘，觀察屏幕上的測量PMT曲線變化，將測量PMT信息調(diào)至最大即可。

6)對(duì)光源執(zhí)行優(yōu)化操作，參數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定校準(zhǔn)合格后，再投入自動(dòng)狀態(tài)，最后投入裝置運(yùn)行。

對(duì)分析儀光源采用上述優(yōu)化方法，杜絕了光源利用過剩現(xiàn)象。當(dāng)光源出現(xiàn)衰減，亮度變?nèi)醯那闆r下，需要重新手動(dòng)設(shè)置PMT平衡電壓參數(shù)值范圍為4.0～6.0 V，PMT參比電壓范圍為2.50～9.84 V。該優(yōu)化措施使光源燈亮度增強(qiáng)，既有效提高了光源的利用率，又使光源燈壽命延長。

4 結(jié)束語

該裝置硫化氫在線分析儀光源系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，出現(xiàn)的光源故障率高、使用壽命短等問題，通過設(shè)置光源參數(shù)及調(diào)整PMT增益跳線帽等優(yōu)化措施。實(shí)現(xiàn)了延長光源使用壽命、節(jié)省維護(hù)成本的目的，同時(shí)保證了該分析儀的可靠運(yùn)行，對(duì)裝置的安全生產(chǎn)有著重要的意義。