氣相色譜儀常見故障的分析及處理

何 濱

（湛江電力有限公司，廣東 湛江 524099）

在電力生產中，常使用氣相色譜儀對變壓器油中的溶解氣體成分進行檢測和分析，以判斷變壓器是否存在潛伏故障，確保變壓器安全穩(wěn)定運行。

1 氣相色譜儀的工作原理和構成

氣相色譜儀的工作原理是：在固定相和流動相構成的體系中，有不同的吸附作用和分配作用；當兩相作相對運動時，這些物質也隨流動相一起運動，并在兩相間進行反復多次的分配，從而達到使不同組分相互分離的目的。

電力生產中使用的氣相色譜儀可分為2部分，即：氣路進樣分離系統(tǒng)和電路檢測記錄系統(tǒng)。氣路進樣分離系統(tǒng)主要指工作載氣和輔助氣體所流經的各個部件，包括氣體管道、氣壓表、穩(wěn)壓閥、氣體凈化過濾器、穩(wěn)流閥、進樣器、色譜柱、熱導池、轉化爐、檢測器等。儀器工作時載氣使用N2，輔助氣體使用H2和空氣。電路檢測記錄系統(tǒng)主要指供給儀器工作的電源及檢測部件，包括工作電源、恒溫器、程序控制裝置、收集檢測裝置、穩(wěn)流電源、電流放大器、記錄儀等。

2 氣相色譜儀常見故障的原因

在氣相色譜儀交付使用前，生產廠家已對該儀器的電路系統(tǒng)作了檢查調整，以確保系統(tǒng)能正常運行。但在現(xiàn)場應用時，氣路系統(tǒng)調試時常出現(xiàn)工作不正常、不能適應實際生產要求的情況，如基線波動不穩(wěn)、樣品保留時間較長、樣品出峰不能徹底分離、出現(xiàn)拖尾峰、樣品出峰不齊全等問題。

綜合各項實驗分析結果，初步判斷造成氣相色譜儀出現(xiàn)上述問題的主要原因有以下幾點：

(1)所用載氣不純凈，純度達不到要求；

(2)輔助氣體不純凈，含有油或其他雜質；

(3)氣路管道系統(tǒng)受到氣體所含油質或其他雜質等污染，造成色譜儀樣品出峰不正常；

(4)色譜柱受到氣體污染而失效，致使色譜柱分離效果達不到標準規(guī)定要求的分離度；

(5)色譜柱沒有針對所要分析的氣體來選用合適的固定相吸附劑材料。

3 解決方案

3.1 消除源污染

針對氣相色譜儀基線不穩(wěn)的問題，采用純度達99.99 %的高純度N2作載氣，采用純度達99.99 %的H2作輔助氣體，同時要求空氣不得含有油質或雜質。

3.2 改裝氣路流程

清洗氣相色譜儀的氣路系統(tǒng)。

(1)對各氣源的氣體凈化過濾器進行清洗，更換里面的凈化劑。

(2)采用硅膠加上分子篩作氣體凈化劑，以除去氣體中的水分和雜質。

(3)各氣源至色譜儀主機的連接氣管采用Φ3×0.5 mm的聚乙烯塑料管，接頭用2個氟橡膠密封環(huán)密封，防止產生污染雜質和氣體漏氣。

(4)色譜儀主機內部氣路由Φ3×0.5 mm的不銹鋼管組成。對不銹鋼氣管要進行預處理：使用5 % NaOH溶液沖洗幾次后，用水沖洗至水為中性，最后在100 ℃的烘箱內烘干備用。

(5)色譜儀主機內部氣路用M8×1 mm的螺帽與管道連接，并加2片氟橡膠密封環(huán)進行密封，以保證系統(tǒng)不漏氣。

通過上述措施，從源頭保證了氣體和管路的潔凈，減少了氣路系統(tǒng)的雜質干擾物。經研究，決定采用較成熟的分析流程作為改裝方案，如圖1所示。

圖1 色譜儀氣路改裝流程

3.3 更換被污染的色譜柱

3.3.1 色譜柱的灌裝

由于氣相色譜儀開機試驗出峰問題較多，不能正常分析，需要對原有的色譜柱進行重裝更換，使其適應生產需要，能檢測分析出變壓器中油的含氣成分(主要包括烴類氣體、CO、CO2、H2等)，達到定量和定性的要求。

根據(jù)使用情況分析后，重新灌裝了2條色譜柱。色譜柱在重新灌裝前同樣要進行預處理：使用5 % NaOH溶液沖洗幾次后，用水沖洗至水為中性，最后在100 ℃的烘箱內烘干備用。其中一條色譜柱確定為A色譜柱，采用Φ4×2 m的不銹鋼管柱子，內部填充60～80目硅膠吸附劑，用于分析檢測油氣中的烴類氣體。另一條色譜柱確定為B色譜柱，采用長Φ4×1 m的不銹鋼管柱子，內部填充20～30目活性碳吸附劑，用于分析檢測油中的CO、CO2、H2等氣體。使用真空泵分別均勻抽灌吸附劑進入A，B色譜柱，灌裝吸附劑時可以均勻振動色譜柱，使吸附劑填滿。

3.3.2 色譜柱的老化處理

灌裝好的色譜柱要經過老化處理后才能用于分析。由于色譜柱的吸附劑不同，要分別進行老化處理。老化時色譜柱只通入載氣，而且不能接入熱導池和檢測器，其接頭采用M8×1 mm螺帽加1個Φ4的耐高溫石墨密封圈進行密封，以保證高溫環(huán)境下不漏氣。

色譜柱的老化過程是：

(1)A色譜柱(硅膠柱)，在80 ℃時通氣老化16 h；

(2)B色譜柱(活性碳柱)，在180 ℃時通氣老化4 h。

色譜柱老化結束后進行安裝，按圖1將A色譜柱分別與氫火焰檢測器、進樣器連接，將B色譜柱分別與熱導池、進樣器連接。氣路系統(tǒng)的密封性可以通過十二烷基硫酸鈉稀溶液來檢測，分別檢查各接頭及管道，防止溶液腐蝕儀器，有利于保護色譜儀器。

4 改裝后氣相色譜儀的標定調試

4.1 確定標準氣體的組分和含量

根據(jù)實際生產要求，同時參考有關單位的試驗數(shù)據(jù)，確定了各種標準氣體的組分和含量，委托標氣廠家專門配制標準氣體。各標準氣體的組分和含量如表1和表2所示。

表1 電廠專用混合標準氣體組分和含量ppm

表2 幾類標準氣體組分和含量ppm

4.2 色譜儀的開機調試操作

經過上述準備工作，可開機調試氣相色譜儀。

(1)通入載氣(高純N2)，將其輸出壓力穩(wěn)定調節(jié)在0.3 MPa，調節(jié)N2流量。打開穩(wěn)流電源、電流放大器、記錄儀等各電氣部件電源，設定各部件參數(shù)值，然后通入H2、空氣，將它們的輸出壓力同樣穩(wěn)定調節(jié)在0.3 MPa。

(2)待各部件在其參數(shù)范圍內穩(wěn)定工作20 min后，進行氫火焰檢測器(FID)點火操作。按住點火按鈕4～5 s，但時間不應過長，否則會燒壞點火線圈，當聽到“啪”的一聲后可松開按鈕。為了判斷FID是否已著火，可以將光潔的金屬表面放在FID頂部出口,當發(fā)現(xiàn)光潔金屬表面有水珠凝結時則證明點火成功，否則說明氫火焰檢測器火焰熄滅，點火失敗。若點火失敗，則應檢查點火電路或調大氫氣的流量，重新進行點火操作。

(3)點火成功后打開記錄儀，通過調節(jié)電位器使記錄筆在適當?shù)奈恢脛澇鲆粭l平直的色譜基線。這時色譜儀的信號衰減檔應調節(jié)在1∶1的位置，即在最大靈敏度的位置。若基線發(fā)生漂移，可適當調節(jié)減少空氣流量，降低基流，穩(wěn)定色譜基線，提高儀器靈敏度。工作中熱導池(TCD)信號記錄筆有微小抖動是在儀器的正常靈敏度范圍內，其不影響儀器的工作性能。

4.3 確定氣相色譜儀工作參數(shù)

在氣相色譜儀工作狀態(tài)穩(wěn)定后，可以用標準氣體進行試驗。經過多次進樣試驗和測量，根據(jù)標準氣體樣品的峰高、出峰保留時間、基線漂移幅度等數(shù)據(jù)以及儀器使用規(guī)程的要求，確定適合儀器各部件的工作參數(shù)，如表3所示。

表3 色譜儀工作參數(shù)表

4.4 樣品標定及結果

選用氣密性好且經過校準的注射器作為樣品氣體的進樣器。進樣時，兩色譜柱各進標準氣體1 mL，進樣操作要迅速、動作一致，以減少每次分析的人為誤差。經過對標準氣體進行多次進樣分析，可以得到氣體樣品的出峰譜圖，其中A色譜柱對CH4，C2H6，C2H4，C2H2都能完全分離到基線，分析時間需要7 min。B色譜柱對CO，CO2，H2都能完全分離到基線，分析時間需要9 min，達到比較滿意的分離效果。各次出峰保留時間一致，各次樣品試驗的峰高穩(wěn)定，峰高誤差均在標準要求范圍內。

出峰峰高測量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 標準氣樣出峰峰高數(shù)據(jù)表ppm

由標準氣體的出峰譜圖數(shù)據(jù)可知，該儀器經過改裝調試后完全能夠滿足生產需要，符合氣相色譜儀標定的2點原則要求。

(1)樣品出峰完全分離到基線，色譜柱對所檢測組分的分離度能夠滿足定量分析的要求。

(2)色譜儀器的基線穩(wěn)定，達到足夠的靈敏度要求。其中，儀器對C2H2氣體的最小檢知濃度不大于0.1 ppm，對H2氣體的最小檢知濃度不大于5 ppm，對CO氣體的最小檢知濃度不大于20 ppm，對CO2氣體的最小檢知濃度不大于30 ppm。實驗證明，該氣相色譜儀經過改裝調試后，達到較高的重現(xiàn)性和準確度，完全符合要求。

5 結束語

在多次現(xiàn)場油品的取樣分析中，該氣相色譜儀的分析數(shù)據(jù)與權威試驗所的分析數(shù)據(jù)相比較，試驗數(shù)據(jù)誤差完全符合有關規(guī)定要求，得到上級試驗機構的認可。該氣相色譜儀可在日后的電力生產中發(fā)揮重要的監(jiān)督作用，能及時準確地發(fā)現(xiàn)變壓器的潛在故障，保證變壓器的安全運行。