激光水露點在線分析儀在溶劑脫水工藝中的應(yīng)用

陳 龍

（中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川達州635000）

某天然氣凈化廠（以下簡稱凈化廠）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，容易形成水合物或酸性物質(zhì)，不僅會造成管線、閥門、設(shè)備等堵塞或腐蝕，同時還會對天然氣輸送及存儲等環(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》對天然氣水含量進行了嚴(yán)格的規(guī)定，明確在天然氣輸送和使用過程中不應(yīng)存在液態(tài)水。針對原料氣壓力高、流量大的工況特點，凈化廠采用應(yīng)用較為廣泛的溶劑吸收法對天然氣進行脫硫、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在線分析儀，但該儀器制造工藝復(fù)雜，產(chǎn)品技術(shù)長期被國外儀表制造廠商壟斷，石英晶體、干燥劑、過濾膜和水分發(fā)生器等耗材需要經(jīng)常進行更換，儀器運行維護成本高、進口備件采購周期長，成為制約凈化廠平穩(wěn)生產(chǎn)的瓶頸問題，為此凈化廠引進了1臺國產(chǎn)新型激光水露點在線分析儀。筆者重點介紹了激光水露點在線分析儀的技術(shù)特點及在凈化廠的應(yīng)用情況，并針對兩種分析儀的檢測數(shù)據(jù)差異進行了分析，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 激光水露點在線分析儀

2.1 工作原理

激光水露點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)動電路和氣體檢測室組成。該分析儀利用可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器作為光源，通過半導(dǎo)體激光驅(qū)動電路調(diào)節(jié)工作電流的強度調(diào)制激光頻率，使特定波長的激光束在穿過氣體檢測室時，被氣體中的水分子吸收，導(dǎo)致激光強度產(chǎn)生衰減，激光強度衰減與水含量成正比，通過測量激光強度衰減信息計算出被測氣體中的水含量[2]。激光水露點在線分析儀的結(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)進行減壓和過濾。樣氣預(yù)處理系統(tǒng)主要由取樣管路、減壓閥、過濾器、伴熱管線、回流管路等組成，天然氣進入預(yù)處理系統(tǒng)后，通過多個減壓閥逐級進行降壓節(jié)流，確保樣氣壓力和流速符合檢測條件，利用不同過濾精度的陶瓷濾芯分級脫除固體顆粒物，以盡量降低進入分析儀的氣體樣品的雜質(zhì)含量，同時保證流速平穩(wěn)。

樣氣從天然氣輸送主管道先引入樣氣預(yù)處理系統(tǒng)，進行減壓和過濾后再進入分析儀進行檢測?？刂票粶y氣體在氣體檢測室內(nèi)的流速和停留時間，由激光發(fā)射模塊發(fā)出的激光束穿過通有氣體的檢測室，被安裝在軸向上的光電傳感模塊的探測器接收，轉(zhuǎn)換為電信號進入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)分析及控制模塊對獲得的測量信號進行數(shù)據(jù)分析，計算出水分含量并進一步控制半導(dǎo)體激光驅(qū)動電路的輸出強度。

2.2 技術(shù)特點

石英晶體微平衡水分析儀采用直接接觸式的測量方法，樣氣流經(jīng)石英晶體時，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，通過測定樣氣和參比氣的震蕩頻率變化量，計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，但存在以下缺點：①樣氣和參比氣需要進行反復(fù)切換比對，檢測響應(yīng)時間較長，約為3 s；②需要完成測量和干燥兩個時序，不能實時連續(xù)測量；③對樣氣預(yù)處理系統(tǒng)的要求較高，樣氣中有雜質(zhì)時會對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成干擾；④需要定期更換耗材備件，運行維護成本高。

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

1）采用非接觸式測量，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、運行維護成本較低。

2）利用“單線光譜”測量技術(shù)，將激光的光譜寬度調(diào)節(jié)至遠(yuǎn)小于被測氣體的譜線寬度，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，測量更精準(zhǔn)、響應(yīng)更迅速[3]，檢測響應(yīng)時間小于1 s。

3）依據(jù)激光束照射被測氣體后，其能量衰減程度與氣體中的水含量成正比的特點，通過調(diào)整氣體檢測室兩側(cè)反射鏡的角度，使激光束在約0.4 m長的檢測室內(nèi)能夠形成70次以上反射，有效光程達到28 m，進一步縮小了儀器的體積。長光程氣體檢測室光路示意見圖3。

圖3 長光程氣體檢測室光路示意

2.3 儀器性能對比

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

表1 儀器主要技術(shù)指標(biāo)對比

與石英晶體微平衡水分析儀相比，激光水露點在線分析儀具有以下優(yōu)勢：①測量范圍更廣，對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，只針對水分子進行數(shù)據(jù)采集，其檢測精度大幅提升，重復(fù)性檢測誤差率指標(biāo)僅為石英晶體微平衡水分析儀的20%；③受益于檢測原理上的技術(shù)優(yōu)勢，無需等待樣氣被石英晶體吸收、切換干燥參比氣等時序，光信號能夠直接轉(zhuǎn)換為電信號進行數(shù)據(jù)分析，因此響應(yīng)時間更為迅速，能夠有效降低因為數(shù)據(jù)滯后性帶來的操作波動影響，更有利于實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的自動化操作。

3 應(yīng)用效果驗證評價

3.1 儀器比對情況

為了驗證激光水露點在線分析儀的檢測靈敏度和準(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在線分析儀各1臺，使用相同條件的樣氣預(yù)處理系統(tǒng)進行水露點測定。在正常生產(chǎn)期間，將上述2臺分析儀的檢測數(shù)據(jù)接入DCS系統(tǒng)，每天截取10:00和15:00的天然氣水含量進行比對，數(shù)據(jù)情況見圖4～5。

圖4 2021年2月檢測天然氣水含量數(shù)據(jù)

由圖4和圖5可以看出，2臺分析儀水露點檢測數(shù)據(jù)的變化趨勢基本保持一致，均能夠及時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定的水露點比激光水露點在線分析儀高3～10 ℃。

圖5 2021年3月檢測天然氣水含量數(shù)據(jù)

3.2 誤差原因分析

針對2臺分析儀測定的水露點數(shù)值存在較大差異的問題，凈化廠采用計量檢定合格的便攜式露點儀進行比對。便攜式露點儀基于冷卻鏡凝析濕度計法，是根據(jù)水露點的定義來分析，可信度較高[4]。將φ(N2)為99.999%的氮氣標(biāo)準(zhǔn)氣分別通入石英晶體微平衡水分析儀、激光水露點在線分析儀和便攜式露點儀，測定氣體的水露點，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同儀器測定的水露點數(shù)據(jù)

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

對樣氣預(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)未能完全過濾被測氣體攜帶的三甘醇，三甘醇進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，干擾了檢測結(jié)果；而激光水露點在線分析儀只對水分子的特定光譜頻段進行掃描，被測氣體攜帶的少量三甘醇不會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。

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

圖6 2021年7月檢測天然氣水含量數(shù)據(jù)

3.3 激光水露點在線分析儀使用注意事項

為了有效減少儀器后期的維護工作，保證儀器的檢測準(zhǔn)確度，筆者根據(jù)水露點分析儀在生產(chǎn)現(xiàn)場的實際應(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)對氣體檢測室內(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導(dǎo)致光透過率下降，當(dāng)透過率在10%以下時，會大幅影響測量精度，必須對氣體檢測室進行清理。為保證儀表氣密性，清理氣體檢測室通常需要將整臺分析儀下線返廠進行拆解清理，耗時較長，影響現(xiàn)場使用。

4 結(jié)語

現(xiàn)場應(yīng)用實踐證明，采用激光水露點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)時間，提高了檢測準(zhǔn)確度，解決了接觸式測量技術(shù)應(yīng)用于溶劑脫水工藝時存在的誤差問題，而且儀器核心部件的使用壽命更長，降低了備件采購費用和維護工作量，為提升石油石化行業(yè)儀器儀表設(shè)計制造水平、趕超國外先進技術(shù)起到了積極的示范效應(yīng)，也為今后國內(nèi)同類型新建裝置提供了借鑒經(jīng)驗。