激光水露點在線分析儀在溶劑脫水工藝中的應用

陳 龍

（中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川達州635000）

某天然氣凈化廠（以下簡稱凈化廠）采用濕氣集輸技術將原料天然氣輸送至凈化裝置進行處理，氣體中除主要成分甲烷外，還含有硫化氫及地層中夾帶的液體（水、液態烴等）和固體雜質。天然氣中存在水分時，容易形成水合物或酸性物質，不僅會造成管線、閥門、設備等堵塞或腐蝕，同時還會對天然氣輸送及存儲等環節造成影響[1]。因此，天然氣脫水是天然氣凈化工藝中的重要環節，GB 17820—2018《天然氣》對天然氣水含量進行了嚴格的規定，明確在天然氣輸送和使用過程中不應存在液態水。針對原料氣壓力高、流量大的工況特點，凈化廠采用應用較為廣泛的溶劑吸收法對天然氣進行脫硫、脫水，其中，脫水工藝以三甘醇（TEG）作為脫水溶劑，利用濕凈化氣中的主要成分CH4與H2O在三甘醇中溶解度的差異而脫除天然氣中的水分，脫水后天然氣的水露點需滿足夏季低于-10 ℃、冬季低于-15 ℃的控制要求。

石英晶體微平衡水分析儀是較為常見的水露點在線分析儀，但該儀器制造工藝復雜，產品技術長期被國外儀表制造廠商壟斷，石英晶體、干燥劑、過濾膜和水分發生器等耗材需要經常進行更換，儀器運行維護成本高、進口備件采購周期長，成為制約凈化廠平穩生產的瓶頸問題，為此凈化廠引進了1臺國產新型激光水露點在線分析儀。筆者重點介紹了激光水露點在線分析儀的技術特點及在凈化廠的應用情況，并針對兩種分析儀的檢測數據差異進行了分析，給同行業提供借鑒。

1 天然氣脫水工藝流程

凈化廠的天然氣脫水裝置主要由吸收系統和再生系統兩部分構成，其核心設備為吸收塔，天然氣脫水的過程在吸收塔內完成，使用3.5 MPa飽和蒸汽加熱在再生塔內完成三甘醇富液的再生操作。天然氣脫水工藝流程見圖1。

圖1 天然氣脫水工藝流程

2 激光水露點在線分析儀

2.1 工作原理

激光水露點在線分析儀主要由激光發射模塊、光電傳感模塊、數據采集模塊、數據分析及控制模塊、半導體激光驅動電路和氣體檢測室組成。該分析儀利用可調制的半導體激光器作為光源，通過半導體激光驅動電路調節工作電流的強度調制激光頻率，使特定波長的激光束在穿過氣體檢測室時，被氣體中的水分子吸收，導致激光強度產生衰減，激光強度衰減與水含量成正比，通過測量激光強度衰減信息計算出被測氣體中的水含量[2]。激光水露點在線分析儀的結構及工作原理示意見圖2。

圖2 激光水露點在線分析儀結構及工作原理示意

天然氣輸送主管道內的氣體壓力較高、流速較快，其中還含有各類催化反應產生的固體顆粒物，易污染分析儀器，因此應將天然氣先送入樣氣預處理系統進行減壓和過濾。樣氣預處理系統主要由取樣管路、減壓閥、過濾器、伴熱管線、回流管路等組成，天然氣進入預處理系統后，通過多個減壓閥逐級進行降壓節流，確保樣氣壓力和流速符合檢測條件，利用不同過濾精度的陶瓷濾芯分級脫除固體顆粒物，以盡量降低進入分析儀的氣體樣品的雜質含量，同時保證流速平穩。

樣氣從天然氣輸送主管道先引入樣氣預處理系統，進行減壓和過濾后再進入分析儀進行檢測。控制被測氣體在氣體檢測室內的流速和停留時間，由激光發射模塊發出的激光束穿過通有氣體的檢測室，被安裝在軸向上的光電傳感模塊的探測器接收，轉換為電信號進入數據采集模塊，數據分析及控制模塊對獲得的測量信號進行數據分析，計算出水分含量并進一步控制半導體激光驅動電路的輸出強度。

2.2 技術特點

石英晶體微平衡水分析儀采用直接接觸式的測量方法，樣氣流經石英晶體時，其中的水分被晶體吸收，導致晶體質量增加、震蕩頻率降低，通過測定樣氣和參比氣的震蕩頻率變化量，計算出樣氣中的水含量。石英晶體微平衡水分析儀具有非常高的靈敏度，適用于微量物質的檢測，但存在以下缺點：①樣氣和參比氣需要進行反復切換比對，檢測響應時間較長，約為3 s；②需要完成測量和干燥兩個時序，不能實時連續測量；③對樣氣預處理系統的要求較高，樣氣中有雜質時會對測量結果的準確性造成干擾；④需要定期更換耗材備件，運行維護成本高。

與石英晶體微平衡水分析儀相比，激光水露點在線分析儀具有以下技術特點：

1）采用非接觸式測量，激光發射模塊和光電傳感模塊均不直接接觸樣氣，不會被天然氣中的三甘醇、H2S、凝析烴等污染，儀表關鍵部件使用壽命長、運行維護成本較低。

2）利用“單線光譜”測量技術，將激光的光譜寬度調節至遠小于被測氣體的譜線寬度，使激光頻率掃描范圍內只有水分子吸收譜線，能夠快速排除雜質、背景氣體等其他組分的干擾，測量更精準、響應更迅速[3]，檢測響應時間小于1 s。

3）依據激光束照射被測氣體后，其能量衰減程度與氣體中的水含量成正比的特點，通過調整氣體檢測室兩側反射鏡的角度，使激光束在約0.4 m長的檢測室內能夠形成70次以上反射，有效光程達到28 m，進一步縮小了儀器的體積。長光程氣體檢測室光路示意見圖3。

圖3 長光程氣體檢測室光路示意

2.3 儀器性能對比

石英晶體微平衡水分析儀與激光水露點在線分析儀的主要技術指標對比見表1。

表1 儀器主要技術指標對比

與石英晶體微平衡水分析儀相比，激光水露點在線分析儀具有以下優勢：①測量范圍更廣，對低溫工況的適用性更好；②能夠避免其他背景氣組分和雜質的干擾，只針對水分子進行數據采集，其檢測精度大幅提升，重復性檢測誤差率指標僅為石英晶體微平衡水分析儀的20%；③受益于檢測原理上的技術優勢，無需等待樣氣被石英晶體吸收、切換干燥參比氣等時序，光信號能夠直接轉換為電信號進行數據分析，因此響應時間更為迅速，能夠有效降低因為數據滯后性帶來的操作波動影響，更有利于實現生產裝置的自動化操作。

3 應用效果驗證評價

3.1 儀器比對情況

為了驗證激光水露點在線分析儀的檢測靈敏度和準確性，2021年上半年凈化廠在天然氣產品外輸干氣管道上，并聯安裝石英晶體微平衡水分析儀與激光水露點在線分析儀各1臺，使用相同條件的樣氣預處理系統進行水露點測定。在正常生產期間，將上述2臺分析儀的檢測數據接入DCS系統，每天截取10:00和15:00的天然氣水含量進行比對，數據情況見圖4～5。

圖4 2021年2月檢測天然氣水含量數據

由圖4和圖5可以看出，2臺分析儀水露點檢測數據的變化趨勢基本保持一致，均能夠及時反映出氣體中水含量的變化情況，但石英晶體微平衡水分析儀測定的水露點比激光水露點在線分析儀高3～10 ℃。

圖5 2021年3月檢測天然氣水含量數據

3.2 誤差原因分析

針對2臺分析儀測定的水露點數值存在較大差異的問題，凈化廠采用計量檢定合格的便攜式露點儀進行比對。便攜式露點儀基于冷卻鏡凝析濕度計法，是根據水露點的定義來分析，可信度較高[4]。將φ(N2)為99.999%的氮氣標準氣分別通入石英晶體微平衡水分析儀、激光水露點在線分析儀和便攜式露點儀，測定氣體的水露點，測試數據見表2。

表2 不同儀器測定的水露點數據

由表2可以看出，在非生產狀態下上述3臺儀表的檢測數據較為接近，激光水露點在線分析儀測定的水露點稍高于石英晶體微平衡水分析儀測定的數據，而在正常生產狀態下激光水露點在線分析儀的檢測數據卻遠低于石英晶體微平衡水分析儀的測定數據。

對樣氣預處理系統和石英晶體微平衡水分析儀拆解檢查，分析產生上述誤差的原因主要是：樣氣預處理系統未能完全過濾被測氣體攜帶的三甘醇，三甘醇進入石英晶體微平衡水分析儀后吸附在石英晶體傳感器表面，干擾了檢測結果；而激光水露點在線分析儀只對水分子的特定光譜頻段進行掃描，被測氣體攜帶的少量三甘醇不會對檢測結果產生影響。

通過對樣氣預處理系統進行清洗和改進，激光水露點在線分析儀與石英晶體微平衡水分析儀測定的水露點結果基本一致，均在正常誤差范圍內，測定數據情況見圖6。

圖6 2021年7月檢測天然氣水含量數據

3.3 激光水露點在線分析儀使用注意事項

為了有效減少儀器后期的維護工作，保證儀器的檢測準確度，筆者根據水露點分析儀在生產現場的實際應用情況，提出以下建議：

1）嚴格控制氣體的壓力和流速。激光光譜吸收技術對氣體檢測室內的氣體壓力要求較為嚴苛，需要結合主管道壓力在取樣口處設置減壓閥及伴熱裝置，避免氣體經減壓節流后溫度急劇下降產生冷凝水影響檢測結果準確性。

2）根據工況適當設置樣氣預處理系統。激光光譜吸收技術雖不受背景氣體及粉塵等雜質的干擾，但透鏡和反射鏡受到污染會導致光透過率下降，當透過率在10%以下時，會大幅影響測量精度，必須對氣體檢測室進行清理。為保證儀表氣密性，清理氣體檢測室通常需要將整臺分析儀下線返廠進行拆解清理，耗時較長，影響現場使用。

4 結語

現場應用實踐證明，采用激光水露點在線分析儀替代石英晶體微平衡水分析儀，不僅縮短了響應時間，提高了檢測準確度，解決了接觸式測量技術應用于溶劑脫水工藝時存在的誤差問題，而且儀器核心部件的使用壽命更長，降低了備件采購費用和維護工作量，為提升石油石化行業儀器儀表設計制造水平、趕超國外先進技術起到了積極的示范效應，也為今后國內同類型新建裝置提供了借鑒經驗。