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(chǎn)中，常使用氣相色譜儀對(duì)變壓器油中的溶解氣體成分進(jìn)行檢測(cè)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(yùn)行。

1 氣相色譜儀的工作原理和構(gòu)成

氣相色譜儀的工作原理是：在固定相和流動(dòng)相構(gòu)成的體系中，有不同的吸附作用和分配作用；當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些物質(zhì)也隨流動(dòng)相一起運(yùn)動(dòng)，并在兩相間進(jìn)行反復(fù)多次的分配，從而達(dá)到使不同組分相互分離的目的。

電力生產(chǎn)中使用的氣相色譜儀可分為2部分，即：氣路進(jìn)樣分離系統(tǒng)和電路檢測(cè)記錄系統(tǒng)。氣路進(jìn)樣分離系統(tǒng)主要指工作載氣和輔助氣體所流經(jīng)的各個(gè)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(jìn)樣器、色譜柱、熱導(dǎo)池、轉(zhuǎn)化爐、檢測(cè)器等。儀器工作時(shí)載氣使用N2，輔助氣體使用H2和空氣。電路檢測(cè)記錄系統(tǒng)主要指供給儀器工作的電源及檢測(cè)部件，包括工作電源、恒溫器、程序控制裝置、收集檢測(cè)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(chǎn)廠家已對(duì)該儀器的電路系統(tǒng)作了檢查調(diào)整，以確保系統(tǒng)能正常運(yùn)行。但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，氣路系統(tǒng)調(diào)試時(shí)常出現(xiàn)工作不正常、不能適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)要求的情況，如基線波動(dòng)不穩(wěn)、樣品保留時(shí)間較長(zhǎng)、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(xiàng)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)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(diǎn)：

(1)所用載氣不純凈，純度達(dá)不到要求；

(2)輔助氣體不純凈，含有油或其他雜質(zhì)；

(3)氣路管道系統(tǒng)受到氣體所含油質(zhì)或其他雜質(zhì)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(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的分離度；

(5)色譜柱沒有針對(duì)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(duì)氣相色譜儀基線不穩(wěn)的問題，采用純度達(dá)99.99 %的高純度N2作載氣，采用純度達(dá)99.99 %的H2作輔助氣體，同時(shí)要求空氣不得含有油質(zhì)或雜質(zhì)。

3.2 改裝氣路流程

清洗氣相色譜儀的氣路系統(tǒng)。

(1)對(duì)各氣源的氣體凈化過濾器進(jìn)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(zhì)。

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

(4)色譜儀主機(jī)內(nèi)部氣路由Φ3×0.5 mm的不銹鋼管組成。對(duì)不銹鋼氣管要進(jìn)行預(yù)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(nèi)烘干備用。

(5)色譜儀主機(jī)內(nèi)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(jìn)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(zhì)干擾物。經(jīng)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(jī)試驗(yàn)出峰問題較多，不能正常分析，需要對(duì)原有的色譜柱進(jìn)行重裝更換，使其適應(yīng)生產(chǎn)需要，能檢測(cè)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(dá)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(jìn)行預(yù)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(nèi)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(nèi)部填充60～80目硅膠吸附劑，用于分析檢測(cè)油氣中的烴類氣體。另一條色譜柱確定為B色譜柱，采用長(zhǎng)Φ4×1 m的不銹鋼管柱子，內(nèi)部填充20～30目活性碳吸附劑，用于分析檢測(cè)油中的CO、CO2、H2等氣體。使用真空泵分別均勻抽灌吸附劑進(jìn)入A，B色譜柱，灌裝吸附劑時(shí)可以均勻振動(dòng)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(jīng)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(jìn)行老化處理。老化時(shí)色譜柱只通入載氣，而且不能接入熱導(dǎo)池和檢測(cè)器，其接頭采用M8×1 mm螺帽加1個(gè)Φ4的耐高溫石墨密封圈進(jìn)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(shí)通氣老化16 h；

(2)B色譜柱(活性碳柱)，在180 ℃時(shí)通氣老化4 h。

色譜柱老化結(jié)束后進(jìn)行安裝，按圖1將A色譜柱分別與氫火焰檢測(cè)器、進(jìn)樣器連接，將B色譜柱分別與熱導(dǎo)池、進(jìn)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(cè)，分別檢查各接頭及管道，防止溶液腐蝕儀器，有利于保護(hù)色譜儀器。

4 改裝后氣相色譜儀的標(biāo)定調(diào)試

4.1 確定標(biāo)準(zhǔn)氣體的組分和含量

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，同時(shí)參考有關(guān)單位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了各種標(biāo)準(zhǔn)氣體的組分和含量，委托標(biāo)氣廠家專門配制標(biāo)準(zhǔn)氣體。各標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氣體組分和含量ppm

表2 幾類標(biāo)準(zhǔn)氣體組分和含量ppm

4.2 色譜儀的開機(jī)調(diào)試操作

經(jīng)過上述準(zhǔn)備工作，可開機(jī)調(diào)試氣相色譜儀。

(1)通入載氣(高純N2)，將其輸出壓力穩(wěn)定調(diào)節(jié)在0.3 MPa，調(diào)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(shè)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(diào)節(jié)在0.3 MPa。

(2)待各部件在其參數(shù)范圍內(nèi)穩(wěn)定工作20 min后，進(jìn)行氫火焰檢測(cè)器(FID)點(diǎn)火操作。按住點(diǎn)火按鈕4～5 s，但時(shí)間不應(yīng)過長(zhǎng)，否則會(huì)燒壞點(diǎn)火線圈，當(dāng)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(dāng)發(fā)現(xiàn)光潔金屬表面有水珠凝結(jié)時(shí)則證明點(diǎn)火成功，否則說明氫火焰檢測(cè)器火焰熄滅，點(diǎn)火失敗。若點(diǎn)火失敗，則應(yīng)檢查點(diǎn)火電路或調(diào)大氫氣的流量，重新進(jìn)行點(diǎn)火操作。

(3)點(diǎn)火成功后打開記錄儀，通過調(diào)節(jié)電位器使記錄筆在適當(dāng)?shù)奈恢脛澇鲆粭l平直的色譜基線。這時(shí)色譜儀的信號(hào)衰減檔應(yīng)調(diào)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(dāng)調(diào)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(dǎo)池(TCD)信號(hào)記錄筆有微小抖動(dòng)是在儀器的正常靈敏度范圍內(nèi)，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(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過多次進(jìn)樣試驗(yàn)和測(cè)量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品的峰高、出峰保留時(shí)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(biāo)定及結(jié)果

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

出峰峰高測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)氣樣出峰峰高數(shù)據(jù)表ppm

由標(biāo)準(zhǔn)氣體的出峰譜圖數(shù)據(jù)可知，該儀器經(jīng)過改裝調(diào)試后完全能夠滿足生產(chǎn)需要，符合氣相色譜儀標(biāo)定的2點(diǎn)原則要求。

(1)樣品出峰完全分離到基線，色譜柱對(duì)所檢測(cè)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(dá)到足夠的靈敏度要求。其中，儀器對(duì)C2H2氣體的最小檢知濃度不大于0.1 ppm，對(duì)H2氣體的最小檢知濃度不大于5 ppm，對(duì)CO氣體的最小檢知濃度不大于20 ppm，對(duì)CO2氣體的最小檢知濃度不大于30 ppm。實(shí)驗(yàn)證明，該氣相色譜儀經(jīng)過改裝調(diào)試后，達(dá)到較高的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確度，完全符合要求。

5 結(jié)束語

在多次現(xiàn)場(chǎng)油品的取樣分析中，該氣相色譜儀的分析數(shù)據(jù)與權(quán)威試驗(yàn)所的分析數(shù)據(jù)相比較，試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差完全符合有關(guān)規(guī)定要求，得到上級(jí)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。該氣相色譜儀可在日后的電力生產(chǎn)中發(fā)揮重要的監(jiān)督作用，能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)變壓器的潛在故障，保證變壓器的安全運(yùn)行。