工業氣相色譜儀在測量燃料氣熱值中的應用

李建國

(富勁納(上海)商貿有限公司，上海 200051)

工業氣相色譜儀在測量燃料氣熱值中的應用

李建國

(富勁納(上海)商貿有限公司，上海 200051)

針對工業氣相色譜儀連續分析燃料氣體積發熱值的應用情況，簡要介紹了工業氣相色譜儀的結構及工作原理，按照標準中混合氣體熱值計算中給出的公式和規定的氣體基礎物性值，演算了計算氣體體積發熱值的過程，基于色譜儀分析出混合氣體的組分，計算出對應的熱值，對混合氣體的組分和發熱值進行了驗證，實踐證明，采用在線式工業氣相色譜儀分析混合氣體發熱值是一種簡單有效的方法。

工業氣相色譜儀 燃料氣 熱值

對混合氣體熱值的在線測量主要有直接測量法和間接測量法。直接測量法是指利用燃燒式熱值分析儀，通過燃燒試樣的方式來測定燃氣的發熱量；間接測量法是指通過氣相色譜快速分析燃料氣的組成，再由混合氣體組成數據計算出對應的熱值。經過近幾十年的發展，氣相色譜技術已經非常成熟,目前市場上的大多數在線工業氣相色譜都可測定混合氣體熱值。對比燃燒式熱值分析儀，氣相色譜儀在設備操作、維護成本以及設備穩定性方面都有較大的優勢。

1 工業氣相色譜儀

1.1特點

在線式工業氣相色譜儀是1套大型的智能化監測分析儀表系統，結合計算機處理技術，采用模塊式集成方案，1臺色譜儀主機能夠同時操控多個柱箱。通過配置多閥、多路技術，單個柱箱均獨立工作，支持多任務進程；同時靈活搭配檢測器，在線式工業氣相色譜儀無需人工干擾即可自動同時完成多個組分的快速分析及定期標定。

與傳統的人工取樣分析相比，在線式工業氣相色譜儀將繁瑣的分析工作變得簡單易行，極大地減輕了工作強度，又能迅速準確地反應出工藝參數的變化，為生產操作人員提供了準確可靠的數據支持。

1.2結構

典型的在線式工業氣相色譜儀主要由以下幾部分組成，如圖1所示。

圖1 工業氣相色譜儀結構示意

1) 預處理單元。具備快速取樣回路的預處理單元負責對分析試樣的預處理，使試樣滿足進入色譜儀進行組分分析的條件，校準氣體也由此進入色譜儀。

2) 柱箱。柱箱包含檢測器、色譜柱、分析閥、定量管等重要部件，柱箱一般采用恒溫模式，一定量的待分析試樣在載氣的攜帶下進入色譜柱箱，在柱箱內由不同的色譜柱分離開，并分別被檢測器檢測。

3) 主機。主機是整個色譜系統的核心，系統所有的數據處理計算、通信、設備狀態的監測，全部由主機單元完成。主機一般都配置有大屏幕顯示器，可同時顯示多個參數；除4～20mA模擬輸出方式外，工業級的冗余數字通信接口也可使色譜儀快速準確地完成與上位機之間的數據鏈接。

2 混合氣體熱值計算標準

1) ISO 6976—1995NaturalGas—CalculationofCalorificValues,Density,RelativeDensityandWobbeIndexFromComposition[1]規定了天然氣、天然氣代用品混合氣體燃料發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法，該標準給出了氣體的各項基礎物性值，計算熱值所需輔助常數的量值則列于附錄B中，并規定真實氣體摩爾發熱量與相應的理想氣體摩爾發熱量在數值上相等；同時，在該標準附錄D中對計算混合氣體熱值過程給出了詳細的示例。

2) GB/T 11062—2014《天然氣 發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》[2]等效采用了ISO 6976—1995。

當已知氣體組分，需要計算其對應的混合氣體體積發熱值時，應先對氣體混合物中所有組分的理想氣體熱值按各自的摩爾分數進行加權，得到理想氣體混合物的熱值，最后通過使用壓縮因子將其轉換為真實氣體的體積發熱值。如果混合氣體組分是以體積分數給出，應將其換算成各自對應的摩爾分數后再進行計算。

3 相關術語及計算中引用的公式

3.1參比條件

1) 燃燒參比條件。指規定的燃料燃燒時的溫度t1和壓力p1。

2) 計量參比條件。指規定的燃料燃燒時計量的溫度t2和壓力p2。

3.2高位發熱值

3.3低位發熱值

3.4計算公式

3.4.1氣體體積分數換算成摩爾分數

在計量參比條件(t2，p2)下，如果氣體組分是以體積分數表示，則按照式(1)可將體積分數換算到摩爾分數：

(1)

式中：xj——混合氣體中組分j的摩爾分數;φj——組分j的體積分數；zj(t2，p2)——組分j在計量參比條件下的壓縮因子。

3.4.2摩爾發熱值

已知組分的混合氣體在t1下的理想摩爾發熱值按式(2)進行計算：

(2)

3.4.3壓縮因子

由于氣體的非理想性，計算真實氣體體積發熱值時需要對氣體體積進行修正。對體積非理想性的修正是使用壓縮因子,計算公式如式(3)：

(3)

3.4.4氣體體積發熱值

1) 理想氣體。已知組分的混合氣體，在t1，t2，p2時的理想氣體體積發熱值按式(4)進行計算：

(4)

2) 真實氣體?；旌蠚怏w在t1，p1，t2，p2時的真實體積發熱值按式(5)計算：

(5)

4 在線式工業氣相色譜儀配置

某工廠燃料氣熱值專用色譜儀采用1臺主機、2個恒溫柱箱，搭配TCD檢測器，載氣選用體積分數為99.999%的高純氦氣，測定的混合氣體組分以體積分數的形式給定，并按照文獻[1]計算相應的體積低位發熱值，計量單位為MJ/m3，燃燒條件和計量參比條件溫度均為0℃，壓力均為1.01325kPa。色譜儀采用冗余的數字化通信方式，將實時分析結果、運行狀態、試樣流量、壓力以及載氣低壓等狀態監測信號一并傳送到中心控制室和色譜工作站。同時，該色譜儀具備自診斷能力，當診測到設備故障時立即自動停止進樣，并觸發報警輸出。該色譜儀安裝在配備有HVAC系統的防爆分析小屋中，為防止有毒及可燃氣體泄漏引發事故，在分析小屋中同時安裝帶有聲光報警功能的有毒氣體和可燃氣體探測儀。

5 分析結果驗證

色譜儀測定混合氣體熱值屬間接測量法，是基于混合氣體組分計算出對應的熱值，因而必須對色譜儀分析出的混合氣體組分數據進行驗證。

5.1混合氣體組分數據驗證

驗證方法為隨機取10組混合氣體的試樣并編號，同時記錄下取樣時當前色譜儀分析出的氣體組分值，見表1所列。

表1 混合氣體工業氣相色譜儀實時分析數據 %

10組試樣則送實驗室由實驗室色譜進行分析，分析結果見表2所列。

表2 混合氣體實驗室色譜分析結果 %

對比表1和表2兩組數據可以看出： 每組試樣的實驗室分析結果與氣相色譜儀實時分析數據之間的誤差都在正常范圍之內，因而可以認為氣相色譜儀分析出的混合氣體組分值是準確可靠的。

5.2混合氣體發熱值驗證

驗證方法為隨機選取該色譜儀計算出的10組熱值數據和對應的混合氣體組分值進行對比，見表3所列。本文僅演算表3第一組數據所示混合氣體組分對應熱值的計算過程，其余9組熱值數據均可按照演示計算獲得；計算中涉及的混合氣體燃燒條件和計量參比條件溫度均為0℃，壓力均為1.01325kPa，氣體基礎物性值、輔助常數量值采用本文第2節所介紹的兩個標準中給定的值。

表3 工業色譜儀混合氣體的測量結果與計算結果對比

5.2.1體積分數換算成摩爾分數

以N2為例，參照式(1)，N2的摩爾分數為

由于換算之前的原始數據保留兩位小數，因而計算數據亦保留兩位小數，即N2的摩爾分數為0.81%。

同理計算出CO摩爾分數為24.40%，CH4摩爾分數為8.21%，H2摩爾分數為66.59%。

5.2.2計算摩爾發熱值

按照式(2)，計算該組混合氣體的摩爾發熱值：

5.2.3計算混合氣體低位體積發熱值

1) 按照式(4)計算理想氣體體積發熱值：

13.1957(MJ/m3)

2) 按照式(5)計算真實氣體體積發熱值：

(6)

由式(3)求出壓縮因子Zmix的值：

將上述計算出的壓縮因子代入式(6)，最終求出混合氣體真實的低位體積發熱值為

取三位小數為13.197MJ/m3。

同理可計算出表3中余下9組混合氣體組分所對應的熱值，所有10組數據的計算結果見表4所列。對比表3、表4中的熱值數據，最大絕對誤差僅為0.001MJ/m3，選用的工業氣相色譜儀的分析值完全符合要求。

表4 基于混合氣體體積百分數計算出的體積發熱值

6 結束語

通過以上驗證過程可以看出，應用工業氣相色譜儀實時分析混合氣體熱值是一種簡單有效的方法。1套采用多柱箱、多任務進程并行運行模式的工業氣相色譜儀，在分析數據刷新周期、準確性方面都展現了較大的優勢。需要注意的是： 工業氣相色譜儀在長時間運行后，色譜柱會出現老化現象，導致對混合氣體組分的測定出現了偏差，直接影響熱值計算結果的準確性；另一方面，分析閥墊片、氣動閥密封等部件也容易老化破損，因而必須對色譜儀進行日常的周期性預防維護。分析工程師應當建立完整的維護檔案，使用過程中應嚴格遵從工業氣相色譜儀操作手冊規定的注意事項，加強管理，確保分析數據的準確性、可靠性。

[1] ISO. ISO 6976—1995 Natural Gas — Calculation of Calorific Values, Density, Relative Density and Wobbe Index from Composition[S]. Switzerland： ISO, 1995.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 11062—2014 天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法[S].北京： 中國標準出版社，2015.

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ApplicationofIndustrialGasChromatographsinFuelGasCalorificValueMeasurement

Li Jianguo

(FJN-Tech(Shanghai) Co. Ltd., Shanghai, 200051, China)

s： Aiming at application of continuous analysis of fuel gas volume calorific value with industrial gas chromatographs, the working principle and structure of industrial gas chromatographs are introduced briefly, According to the given formula for mixed gas calorific value calculation in the criteria and specified gas basic physical property, the calculation process for gas volume calorific value is derived. Based on the analyzed component of mixed gas with gas chromatograph, relative calorific value is calculated. The component and calorific value for mixed gas are verified. The application result indicates it is a simple and efficient mean to analyze mixed gas calorific value with online industrial gas chromatograph.

industrial gas chromatographs; fuel gas; calorific value

TH833

B

1007-7324(2017)05-0060-04

稿件收到日期： 2017-05-24，修改稿收到日期2017-07-25。

李建國，男，2005年畢業于成都理工大學電子測量技術與儀器專業，2009年就職于富勁納(上海)商貿有限公司，任分析儀表維護工程師。