近紅外(NIR)光譜技術在油品分析中的研究

成海英(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

近紅外光是指波長介于可見光與中紅外區之間的電磁波，其波長范圍為780～2 500 nm，波數范圍為12 800～4 000 cm-1。NIR光譜區與有機分子中含氫基團(O-H、N-H、C-H)振動的合頻和各級倍頻的吸收區一致，通過掃描樣品的NIR光譜，可以得到樣品中有機分子含氫基團的特征信息。NIR分析是指利用近紅外譜區包含的物質信息，用于有機物質定性和定量分析的一種分析技術。對于主要是由有機化合物組成的石油及其產品性質分析，NIR技術非常適合。在煉化企業中，如能實時掌握進料原油性質變化，對生產提前調整有積極的意義。

在煉化行業中，NIR快速分析技術因其在短時間內可以分析樣品的眾多化驗性質，一方面，減輕了化驗室工作壓力；另一方面，可以及時為生產操作、裝置優化及調合提供重要的數據基礎。因NIR光譜快速分析技術具有方便、快速、高效、準確、不破壞樣品、不消耗化學試劑、不污染環境等優點，使該技術得到越來越多的推廣。

1 NIR快速分析技術及其實際應用

NIR光譜分析技術既可用于原油、餾分油、中間產物的在線測定，也可以在實驗室中進行日常中控分析的離線檢測。

在實際應用中，中國石油天然氣集團公司大連石化最早采用NIR快評技術實現原油快速評價，而后NIR快速評價技術廣泛應用于原油快速檢測、在線調和、煉廠先進控制技術等方面，已成為中國石油建設數字化煉廠的必要前置條件之一。在中國石油化工股份有限公司中，石科院開展原油光譜快速評價研究，已經建立了原油NIR光譜庫、NIR定量模型庫、擬合模型和庫識別模型。經過多年的研究和推廣應用，NIR油品快速分析技術已經非常成熟，得到石化行業的廣泛認同。

1.1 原油性質快速檢測

針對原油物性，NIR快速技術可以測量性質包括API、TBP、閃點、凝點、殘炭、膠質、瀝青質、粘度、金屬在內的各種物性。原油可快速評價主要性質及其檢測指標如表1所示。

表1 原油重要性質近紅外檢測指標(部分)

截止目前，NIR原油光譜數據庫內已積累1 300個原油樣本，原油庫幾乎涵蓋了所有區域的原油，為NIR建模提供大量樣本數據庫，確保預測數據準確。

1.2 餾分油快速檢測

NIR油品快速檢測系統，擁有獨立自主的軟件著作權，是個十分成熟的軟件產品。可在短時間內預測樣品的眾多性質，減輕化驗室工作壓力，及時為生產及調合提供數據基礎。

2 NIR快速分析具體過程

2.1 原油分析過程

原油快速評價系統由原油樣品自動預處理系統、近紅外光譜儀、建模軟件及原油光譜數據庫組成。樣品預處理系統避免了溫度、雜質和氣泡等因素對分析過程的影響，滿足NIR分析測試的要求，保證分析結果的準確性和重復性。對原油樣品的分析，從制樣到最終原油詳細評價報告的給出，耗時僅為15 min左右，快速方便。

2.2 中間餾分油分析過程

根據餾分油的輕重、粘度、凝點的不同，采取不同的技術分析手段。鑒于泰州石化生產潤滑油產品的情況，主要需求是對高粘度、高凝點的蠟油組分樣品分析。NIR技術可采用比色皿進行裝樣分析，以滿足企業需求。NIR快速分析有調試分析溫度、制樣、掃譜分析三個過程，完成所有分析耗時僅為5 min左右，且不需要消耗其他化學試劑，能真正達到分析的快速、準確、環保、節約的效果。

3 泰州石化現場應用情況

3.1 泰州石化化驗中心分析情況

目前，對泰州石化建模300萬常減壓裝置，其日常分析情況統計表如表2所示。

如采用NIR快速分析技術，僅需3～5 min便可分析一個樣品所有建模性質。傳統分析每周需要240 h的工作，通過NIR分析技術每周僅需要22.5 h，一個人即可完成這部分工作，可減輕大部分工作量，提高工作效率。同時，分析的結果可快速反饋給裝置操作人員，為裝置生產提供操作依據。

表2 泰州石化常減壓裝置油品傳統分析情況

3.2 油樣分析預測數據比對

2018年12月1日—2019年1月10日，對建立的所有模型進行測試。對數據的預測統計結果，常用統計學上的預測標準偏差(以下簡稱SEP)來判斷其精度，SEP越小，表明所建模型的預測能力越強。

SEP標準偏差的計算公式如下：

式中：m為驗證集的樣品數；yi,actual為化驗值；yi,predicted為預測值。

對于300萬噸減三線油品性質，其SEP數據結果如表3所示，可知：

表3 300萬噸常減壓裝置減三線模型精度表

(1)在餾程方面，之前5月份比對時，其初餾點SEP超出重復性指標要求，現階段通過增加樣本數與優化模型，初餾點SEP由之前的4.38提升為現在的1.68，同時其他餾程性質精度也得到顯著提高。(2)運動粘度(100 ℃)SEP由之前的0.17提升為現在的0.06，達到傳統化驗標準的重復性要求。其預測對比趨勢如圖1所示，預測結果與化驗值趨勢相一致，預測結果與化驗值偏差很小，可滿足化驗室日常分析檢測要求。

3.3 NIR儀器重復性測試

在測試盲樣過程中，對300萬噸常減壓裝置減三線油品進行了重復性測試，具體結果與指標如表4所示，測試結果顯示：NIR儀器重復性測試性能優越，所有性質的二次偏差遠小于國標重復性指標中要求。

圖1 300萬減三線運動粘度預測值與化驗值趨勢圖

表4 300萬噸常減壓裝置減三線重復性測試結果

4 結語

應用對原油、餾分油性質檢測的NIR快速分析技術，經過建模、盲樣測試對比，能滿足石化企業對物料快速分析評價的要求。相比傳統化驗分析及其他快速分析技術，NIR快速分析技術有安全環保、節約成本、操作簡單、省時省力等優勢。