陳 龍

（中國(guó)石化達(dá)州天然氣凈化有限公司，四川達(dá)州635000）

某天然氣凈化廠（以下簡(jiǎn)稱凈化廠）采用濕氣集輸技術(shù)將原料天然氣輸送至凈化裝置進(jìn)行處理，氣體中除主要成分甲烷外，還含有硫化氫及地層中夾帶的液體（水、液態(tài)烴等）和固體雜質(zhì)。天然氣中存在水分時(shí)，容易形成水合物或酸性物質(zhì)，不僅會(huì)造成管線、閥門、設(shè)備等堵塞或腐蝕，同時(shí)還會(huì)對(duì)天然氣輸送及存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)造成影響[1]。因此，天然氣脫水是天然氣凈化工藝中的重要環(huán)節(jié)，GB 17820—2018《天然氣》對(duì)天然氣水含量進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，明確在天然氣輸送和使用過(guò)程中不應(yīng)存在液態(tài)水。針對(duì)原料氣壓力高、流量大的工況特點(diǎn)，凈化廠采用應(yīng)用較為廣泛的溶劑吸收法對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫、脫水，其中，脫水工藝以三甘醇（TEG）作為脫水溶劑，利用濕凈化氣中的主要成分CH4與H2O在三甘醇中溶解度的差異而脫除天然氣中的水分，脫水后天然氣的水露點(diǎn)需滿足夏季低于-10 ℃、冬季低于-15 ℃的控制要求。

石英晶體微平衡水分析儀是較為常見的水露點(diǎn)在線分析儀，但該儀器制造工藝復(fù)雜，產(chǎn)品技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外儀表制造廠商壟斷，石英晶體、干燥劑、過(guò)濾膜和水分發(fā)生器等耗材需要經(jīng)常進(jìn)行更換，儀器運(yùn)行維護(hù)成本高、進(jìn)口備件采購(gòu)周期長(zhǎng)，成為制約凈化廠平穩(wěn)生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題，為此凈化廠引進(jìn)了1臺(tái)國(guó)產(chǎn)新型激光水露點(diǎn)在線分析儀。筆者重點(diǎn)介紹了激光水露點(diǎn)在線分析儀的技術(shù)特點(diǎn)及在凈化廠的應(yīng)用情況，并針對(duì)兩種分析儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)差異進(jìn)行了分析，給同行業(yè)提供借鑒。

1 天然氣脫水工藝流程

凈化廠的天然氣脫水裝置主要由吸收系統(tǒng)和再生系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其核心設(shè)備為吸收塔，天然氣脫水的過(guò)程在吸收塔內(nèi)完成，使用3.5 MPa飽和蒸汽加熱在再生塔內(nèi)完成三甘醇富液的再生操作。天然氣脫水工藝流程見圖1。

圖1 天然氣脫水工藝流程

2 激光水露點(diǎn)在線分析儀

2.1 工作原理

激光水露點(diǎn)在線分析儀主要由激光發(fā)射模塊、光電傳感模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析及控制模塊、半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電路和氣體檢測(cè)室組成。該分析儀利用可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器作為光源，通過(guò)半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)工作電流的強(qiáng)度調(diào)制激光頻率，使特定波長(zhǎng)的激光束在穿過(guò)氣體檢測(cè)室時(shí)，被氣體中的水分子吸收，導(dǎo)致激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，激光強(qiáng)度衰減與水含量成正比，通過(guò)測(cè)量激光強(qiáng)度衰減信息計(jì)算出被測(cè)氣體中的水含量[2]。激光水露點(diǎn)在線分析儀的結(jié)構(gòu)及工作原理示意見圖2。

圖2 激光水露點(diǎn)在線分析儀結(jié)構(gòu)及工作原理示意

天然氣輸送主管道內(nèi)的氣體壓力較高、流速較快，其中還含有各類催化反應(yīng)產(chǎn)生的固體顆粒物，易污染分析儀器，因此應(yīng)將天然氣先送入樣氣預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行減壓和過(guò)濾。樣氣預(yù)處理系統(tǒng)主要由取樣管路、減壓閥、過(guò)濾器、伴熱管線、回流管路等組成，天然氣進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)后，通過(guò)多個(gè)減壓閥逐級(jí)進(jìn)行降壓節(jié)流，確保樣氣壓力和流速符合檢測(cè)條件，利用不同過(guò)濾精度的陶瓷濾芯分級(jí)脫除固體顆粒物，以盡量降低進(jìn)入分析儀的氣體樣品的雜質(zhì)含量，同時(shí)保證流速平穩(wěn)。

樣氣從天然氣輸送主管道先引入樣氣預(yù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行減壓和過(guò)濾后再進(jìn)入分析儀進(jìn)行檢測(cè)?？刂票粶y(cè)氣體在氣體檢測(cè)室內(nèi)的流速和停留時(shí)間，由激光發(fā)射模塊發(fā)出的激光束穿過(guò)通有氣體的檢測(cè)室，被安裝在軸向上的光電傳感模塊的探測(cè)器接收，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)分析及控制模塊對(duì)獲得的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出水分含量并進(jìn)一步控制半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電路的輸出強(qiáng)度。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

石英晶體微平衡水分析儀采用直接接觸式的測(cè)量方法，樣氣流經(jīng)石英晶體時(shí)，其中的水分被晶體吸收，導(dǎo)致晶體質(zhì)量增加、震蕩頻率降低，通過(guò)測(cè)定樣氣和參比氣的震蕩頻率變化量，計(jì)算出樣氣中的水含量。石英晶體微平衡水分析儀具有非常高的靈敏度，適用于微量物質(zhì)的檢測(cè)，但存在以下缺點(diǎn)：①樣氣和參比氣需要進(jìn)行反復(fù)切換比對(duì)，檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，約為3 s；②需要完成測(cè)量和干燥兩個(gè)時(shí)序，不能實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量；③對(duì)樣氣預(yù)處理系統(tǒng)的要求較高，樣氣中有雜質(zhì)時(shí)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成干擾；④需要定期更換耗材備件，運(yùn)行維護(hù)成本高。

與石英晶體微平衡水分析儀相比，激光水露點(diǎn)在線分析儀具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1）采用非接觸式測(cè)量，激光發(fā)射模塊和光電傳感模塊均不直接接觸樣氣，不會(huì)被天然氣中的三甘醇、H2S、凝析烴等污染，儀表關(guān)鍵部件使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)成本較低。

2）利用“單線光譜”測(cè)量技術(shù)，將激光的光譜寬度調(diào)節(jié)至遠(yuǎn)小于被測(cè)氣體的譜線寬度，使激光頻率掃描范圍內(nèi)只有水分子吸收譜線，能夠快速排除雜質(zhì)、背景氣體等其他組分的干擾，測(cè)量更精準(zhǔn)、響應(yīng)更迅速[3]，檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間小于1 s。

3）依據(jù)激光束照射被測(cè)氣體后，其能量衰減程度與氣體中的水含量成正比的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整氣體檢測(cè)室兩側(cè)反射鏡的角度，使激光束在約0.4 m長(zhǎng)的檢測(cè)室內(nèi)能夠形成70次以上反射，有效光程達(dá)到28 m，進(jìn)一步縮小了儀器的體積。長(zhǎng)光程氣體檢測(cè)室光路示意見圖3。

圖3 長(zhǎng)光程氣體檢測(cè)室光路示意

2.3 儀器性能對(duì)比

石英晶體微平衡水分析儀與激光水露點(diǎn)在線分析儀的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 儀器主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

與石英晶體微平衡水分析儀相比，激光水露點(diǎn)在線分析儀具有以下優(yōu)勢(shì)：①測(cè)量范圍更廣，對(duì)低溫工況的適用性更好；②能夠避免其他背景氣組分和雜質(zhì)的干擾，只針對(duì)水分子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其檢測(cè)精度大幅提升，重復(fù)性檢測(cè)誤差率指標(biāo)僅為石英晶體微平衡水分析儀的20%；③受益于檢測(cè)原理上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無(wú)需等待樣氣被石英晶體吸收、切換干燥參比氣等時(shí)序，光信號(hào)能夠直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，因此響應(yīng)時(shí)間更為迅速，能夠有效降低因?yàn)閿?shù)據(jù)滯后性帶來(lái)的操作波動(dòng)影響，更有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置的自動(dòng)化操作。

3 應(yīng)用效果驗(yàn)證評(píng)價(jià)

3.1 儀器比對(duì)情況

為了驗(yàn)證激光水露點(diǎn)在線分析儀的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性，2021年上半年凈化廠在天然氣產(chǎn)品外輸干氣管道上，并聯(lián)安裝石英晶體微平衡水分析儀與激光水露點(diǎn)在線分析儀各1臺(tái)，使用相同條件的樣氣預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行水露點(diǎn)測(cè)定。在正常生產(chǎn)期間，將上述2臺(tái)分析儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)接入DCS系統(tǒng)，每天截取10:00和15:00的天然氣水含量進(jìn)行比對(duì)，數(shù)據(jù)情況見圖4～5。

圖4 2021年2月檢測(cè)天然氣水含量數(shù)據(jù)

由圖4和圖5可以看出，2臺(tái)分析儀水露點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本保持一致，均能夠及時(shí)反映出氣體中水含量的變化情況，但石英晶體微平衡水分析儀測(cè)定的水露點(diǎn)比激光水露點(diǎn)在線分析儀高3～10 ℃。

圖5 2021年3月檢測(cè)天然氣水含量數(shù)據(jù)

3.2 誤差原因分析

針對(duì)2臺(tái)分析儀測(cè)定的水露點(diǎn)數(shù)值存在較大差異的問(wèn)題，凈化廠采用計(jì)量檢定合格的便攜式露點(diǎn)儀進(jìn)行比對(duì)。便攜式露點(diǎn)儀基于冷卻鏡凝析濕度計(jì)法，是根據(jù)水露點(diǎn)的定義來(lái)分析，可信度較高[4]。將φ(N2)為99.999%的氮?dú)鈽?biāo)準(zhǔn)氣分別通入石英晶體微平衡水分析儀、激光水露點(diǎn)在線分析儀和便攜式露點(diǎn)儀，測(cè)定氣體的水露點(diǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同儀器測(cè)定的水露點(diǎn)數(shù)據(jù)

由表2可以看出，在非生產(chǎn)狀態(tài)下上述3臺(tái)儀表的檢測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，激光水露點(diǎn)在線分析儀測(cè)定的水露點(diǎn)稍高于石英晶體微平衡水分析儀測(cè)定的數(shù)據(jù)，而在正常生產(chǎn)狀態(tài)下激光水露點(diǎn)在線分析儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)卻遠(yuǎn)低于石英晶體微平衡水分析儀的測(cè)定數(shù)據(jù)。

對(duì)樣氣預(yù)處理系統(tǒng)和石英晶體微平衡水分析儀拆解檢查，分析產(chǎn)生上述誤差的原因主要是：樣氣預(yù)處理系統(tǒng)未能完全過(guò)濾被測(cè)氣體攜帶的三甘醇，三甘醇進(jìn)入石英晶體微平衡水分析儀后吸附在石英晶體傳感器表面，干擾了檢測(cè)結(jié)果；而激光水露點(diǎn)在線分析儀只對(duì)水分子的特定光譜頻段進(jìn)行掃描，被測(cè)氣體攜帶的少量三甘醇不會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。

通過(guò)對(duì)樣氣預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行清洗和改進(jìn)，激光水露點(diǎn)在線分析儀與石英晶體微平衡水分析儀測(cè)定的水露點(diǎn)結(jié)果基本一致，均在正常誤差范圍內(nèi)，測(cè)定數(shù)據(jù)情況見圖6。

圖6 2021年7月檢測(cè)天然氣水含量數(shù)據(jù)

3.3 激光水露點(diǎn)在線分析儀使用注意事項(xiàng)

為了有效減少儀器后期的維護(hù)工作，保證儀器的檢測(cè)準(zhǔn)確度，筆者根據(jù)水露點(diǎn)分析儀在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況，提出以下建議：

1）嚴(yán)格控制氣體的壓力和流速。激光光譜吸收技術(shù)對(duì)氣體檢測(cè)室內(nèi)的氣體壓力要求較為嚴(yán)苛，需要結(jié)合主管道壓力在取樣口處設(shè)置減壓閥及伴熱裝置，避免氣體經(jīng)減壓節(jié)流后溫度急劇下降產(chǎn)生冷凝水影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。

2）根據(jù)工況適當(dāng)設(shè)置樣氣預(yù)處理系統(tǒng)。激光光譜吸收技術(shù)雖不受背景氣體及粉塵等雜質(zhì)的干擾，但透鏡和反射鏡受到污染會(huì)導(dǎo)致光透過(guò)率下降，當(dāng)透過(guò)率在10%以下時(shí)，會(huì)大幅影響測(cè)量精度，必須對(duì)氣體檢測(cè)室進(jìn)行清理。為保證儀表氣密性，清理氣體檢測(cè)室通常需要將整臺(tái)分析儀下線返廠進(jìn)行拆解清理，耗時(shí)較長(zhǎng)，影響現(xiàn)場(chǎng)使用。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐證明，采用激光水露點(diǎn)在線分析儀替代石英晶體微平衡水分析儀，不僅縮短了響應(yīng)時(shí)間，提高了檢測(cè)準(zhǔn)確度，解決了接觸式測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于溶劑脫水工藝時(shí)存在的誤差問(wèn)題，而且儀器核心部件的使用壽命更長(zhǎng)，降低了備件采購(gòu)費(fèi)用和維護(hù)工作量，為提升石油石化行業(yè)儀器儀表設(shè)計(jì)制造水平、趕超國(guó)外先進(jìn)技術(shù)起到了積極的示范效應(yīng)，也為今后國(guó)內(nèi)同類型新建裝置提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。