硫化氫在線分析儀光源深度優化方法

劉海泉，吳景寶，林達明，胡小戰

(1. 中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610000；2. 四川寶石花鑫盛油氣運營服務有限公司，四川 成都 610051)

隨著化工裝置的大型化和整體裝備技術水平的提升，以及節能降耗、治污減排和安全生產方面要求的提高，在線分析儀的重要性和使用量與日俱增[1]。目前市場用于測量氣相組分的在線分析儀通常采用光吸收原理，其最大優點是傳感器不直接與介質接觸，從而使傳感器的壽命更長、更穩定，但是對光學器件的穩定性要求很高[2]。在現代光電探測技術中，紫外波段越來越受到人們的關注，成為繼激光探測技術和紅外探測技術之后發展起來的又一種重要的光電探測技術[3]。某天然氣凈化廠脫硫裝置采用了硫化氫在線分析儀，利用該分析儀分析管道天然氣中的硫化氫含量并進行持續監測，當硫化氫含量超標時，會觸發裝置聯鎖，阻止不合格天然氣外輸。在使用過程中該分析儀主要存在光源衰減快，使用壽命短、維護成本高等問題。為了解決該類問題，提出了深度優化光源系統的方法，延長了分析儀使用壽命。

1 分析儀介紹

1.1 原 理

硫化氫在線分析儀是基于紫外線照射分光吸收原理，利用物質的分子對波長為200～800 nm的光的吸收特性進行測定的方法[4]，當紫外線照射通過樣氣室，根據朗伯比爾定律(Beer-Lambert Law)可知被測試樣吸光度如式(1)所示：

(1)

式中：A——吸光度；T——透光率；K——吸光系數；b——光路長度，cm；c——吸光介質的濃度，mol/L；I0——原始光強度；I——透過光強度。

1.2 光學分析系統

該分析儀光學系統包括： 2只紫外光源燈、濾光輪(6個窗口中只有1，3，5，6窗口裝有濾光鏡片)、透鏡、光束分離鏡、測量氣室、2只匹配的光電倍增管(PMT)，分析儀光學系統架構如圖1所示。

圖1 分析儀光學系統架構示意

進行測量時，樣氣流經樣品處理系統色譜柱，將乙硫醇、芳烴兩種組分截留下來，只允許H2S，COS(羰基硫)，MeSH(甲基硫醇)三種組分進入測量氣室。該分析儀光學系統采用雙光束參比技術和多波長差分吸收技術。

2只紫外閃爍光源分別是鎘燈(檢測H2S，COS)和銅燈(檢測MeSH)，發射出波長為200～400 nm的脈沖信號。濾光輪上的其中3個濾光鏡片透過波長為： 214 nm，228 nm，249 nm，分別對應H2S，COS，MeSH三種組分的敏感吸收波長；另外一個濾光鏡片透過波長為326 nm的參比波長，即沒有被H2S，COS，MeSH 組分吸收的波長[6]。

當紫外光源發出每個脈沖時，光束分離鏡將50%的光引導至參比PMT，PMT是一種利用光電發射和次級發射的原理，將微弱的光信號轉變成電信號并加以放大的真空電子器件[7]，實現雙光束參比技術，以克服包括電源電壓波動、光源器件老化、光學鏡片污染等光學系統波動造成的測量誤差；另外50%的光通過測量氣室引導至測量PMT，通過精確控制紫外光源的閃爍發光和濾光輪旋轉，使鎘燈、銅燈和濾光鏡片緊密配合，實現H2S，COS，MeSH三種組分的差分吸收檢測，以克服被測樣氣背景組分干擾，溫度、壓力波動等造成的測量誤差[8]。

如圖1所示，光信號處理電路為光源燈供電，并將光電信號進行放大后傳輸至微控制系統進行處理，然后，微控制系統與主控制系統通信，經主控制系統處理的數據與用戶I/O接口進行數據傳輸。

2 實際應用問題

該分析儀使用過程中，存在問題有： 鎘燈光源故障率高、使用壽命短、更換頻率高，鎘燈的正常使用壽命為9～12個月。2020年該分析儀鎘燈更換情況統計見表1所列。

表1 2020年在線分析儀鎘燈更換數據統計

從表1中可以看出該分析儀鎘燈都達不到正常使用壽命，最高使用壽命為6個月。一個鎘燈的價格約為4萬元人民幣，一年共計更換9個，維護費用達36萬元人民幣。可見對光源系統的優化尤為重要。

3 光源優化方法

該分析儀鎘燈光源出現故障后，一般更換新的光源燈，但是亮度太高，存在光源利用過剩的現象，使用一段時間后，光源燈亮度會逐漸衰減，導致對光源的利用率降低。光源是該分析儀光學系統中的主要組件，光源的強弱程度會影響該分析儀分析效果。可通過光源參數設置與PMT增益跳線帽調整等措施達到光源系統的優化。

3.1 光源參數優化

通過分析儀軟件，查看光源數據與光源設置菜單，確保數據在正常范圍內。自動光源脈沖控制信號不超過自動光源控制設置最大信號范圍，該分析儀系統電壓設置為8.51 V；光電倍增測量與光電倍增參比的電壓超出正常范圍(2.50～9.84 V)時系統會報警，如果在校準控制中，其電壓一直不小于10 V時，需降低PMT電壓，讓分析儀處于穩定狀態后再執行自動設置；查看光源設置菜單中光電倍增電平與光電倍增平衡參數都在2.5～8.0 V范圍內。

每次自動設置后需檢查光電倍增電平和光電倍增平衡值，并做好記錄。如果在自動設置完成后，PMT電壓仍在2.50～9.84 V范圍之外，還需進行以下檢查：

1)零點氣流經過采樣系統，自動設置是否完成。

2)測量氣室是否干凈。

3)測量氣室是否存在泄漏，如果有，檢查光路系統和測量氣室中的光學過濾器、光束分離鏡、透鏡、窗口、透鏡和O型環的情況(包括反射鏡組件)。

4)PMT增益是否在原來的位置，例如較高的PMT增益是否在測量途徑中。

5)光源燈是否需要更換，如果不需要，檢查光源是否校準。

3.2 PMT增益跳線帽調整

調節光電倍增平衡參數，根據光源電路板PMT增益跳線帽設置，其中1～6為濾光輪上的窗口位號，×為跳線帽，如圖2所示。光源電路板上有PMT增益跳線帽標記位置P300和P301，在更換跳線時，P300和P301上至少保持一個跳線帽在上面。特別注意的是操作P301的跳線時，可以采取安裝好跳線帽后，拔掉其中一個跳線帽的方法。由于光電板安裝空間較窄，跳線帽操作不便，可采取在設置圖中預選一項便于操作的跳線帽設置法來調節光電倍增平衡參數。

圖2 光源電路板PMT增益跳線設置示意

3.3 優化措施步驟

在線分析儀光源優化措施如下：

1)設置光源菜單對話框中的Lamp Based值為1.001 V，光過濾窗口4設置為-1.001 V。

2)重新設置PMT增益，將OpBench菜單對話框中ALC On選項去掉，數據更新后光電倍增電平值為6.559 V，光電倍增平衡值為6.49 V，若光電倍增平衡的數據值偏高，需要下調。

3)當跳線帽初始設置位置較低，光電倍增平衡參數值為2.097 V，已經偏離2.5～8.0 V范圍值，需提高光電倍增平衡值。操作步驟同第二步。

4)當光電倍增平衡值下降至5.313 V時，接近廠家提供的推薦值5.0 V，不再調整PMT增益。

5)單擊標準工具欄上的設置圖標，打開設置程序文件“LampSetup.dyc”，此時2個趨勢圖顯示在屏幕上，上半部分顯示參比PMT信息，下半部分顯示測量PMT信息，單擊標準工具欄的“Go”圖標，開始測量和參比PMT信息的掃描。通過調整燈座微調螺釘，觀察屏幕上的測量PMT曲線變化，將測量PMT信息調至最大即可。

6)對光源執行優化操作，參數運行穩定校準合格后，再投入自動狀態，最后投入裝置運行。

對分析儀光源采用上述優化方法，杜絕了光源利用過剩現象。當光源出現衰減，亮度變弱的情況下，需要重新手動設置PMT平衡電壓參數值范圍為4.0～6.0 V，PMT參比電壓范圍為2.50～9.84 V。該優化措施使光源燈亮度增強，既有效提高了光源的利用率，又使光源燈壽命延長。

4 結束語

該裝置硫化氫在線分析儀光源系統在實際應用中，出現的光源故障率高、使用壽命短等問題，通過設置光源參數及調整PMT增益跳線帽等優化措施。實現了延長光源使用壽命、節省維護成本的目的，同時保證了該分析儀的可靠運行，對裝置的安全生產有著重要的意義。