伴隨著全球?qū)γ撎己涂稍偕剂蟻?lái)源的推動(dòng)，對(duì)用于控制和監(jiān)管轉(zhuǎn)移的簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、現(xiàn)場(chǎng)安裝的氣相色譜儀產(chǎn)生了強(qiáng)烈的需求。
隨著全球?qū)夂蜃兣蜏厥覛怏w排放的關(guān)注，天然氣市場(chǎng)正在經(jīng)歷范式轉(zhuǎn)變。天然氣正在取代煤炭，成為發(fā)電的主要化石燃料，可再生天然氣正在由生物原料生產(chǎn)出來(lái)，氫氣正與天然氣混合以減少二氧化碳排放。
所有這些努力都產(chǎn)生了對(duì)天然氣流進(jìn)行分析的需求，以確保監(jiān)管轉(zhuǎn)移的天然氣質(zhì)量，并準(zhǔn)確測(cè)量和控制雜質(zhì)。一直以來(lái)，這項(xiàng)任務(wù)都是由工業(yè)氣相色譜儀 (GC) 來(lái)完成的，這種儀器工作出色，但價(jià)格昂貴。
幸運(yùn)的是，更小但功能齊全的氣相色譜儀產(chǎn)品正在進(jìn)入市場(chǎng)，可以更好地滿(mǎn)足這一不斷增長(zhǎng)的需求。本文討論了用戶(hù)在為天然氣應(yīng)用選擇在線(xiàn)氣相色譜儀時(shí)應(yīng)該考慮的關(guān)鍵特性。
一、更復(fù)雜的應(yīng)用需求
直到最近，天然氣應(yīng)用還相當(dāng)簡(jiǎn)單。在天然氣井中產(chǎn)生氣體，去除水、硫化氫和二氧化碳等雜質(zhì)，然后通過(guò)管道運(yùn)送給客戶(hù)。氣體分析儀（通常是氣相色譜儀）通常用于氣體加工區(qū)域，然后與管道一起用于貿(mào)易交接。
隨著全球應(yīng)對(duì)氣候變暖的努力不斷加強(qiáng)，這一過(guò)程變得更復(fù)雜。現(xiàn)在，可以從各種可再生資源中生產(chǎn)天然氣，包括糞便、食物殘?jiān)?dòng)物脂肪、垃圾填埋材料和其它資源。其中的任何一個(gè)來(lái)源都有可能將各種雜質(zhì)帶入氣體，必須檢測(cè)和控制每一種雜質(zhì)。
這一市場(chǎng)轉(zhuǎn)變也使天然氣生產(chǎn)商的數(shù)量增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，突然產(chǎn)生了大量尋求將天然氣注入運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的公司。每個(gè)注入點(diǎn)都需要對(duì)進(jìn)入的天然氣進(jìn)行全面分析，以確保其符合天然氣質(zhì)量規(guī)范以及管網(wǎng)的BTU范圍（圖1）。
▲圖1：在沼氣、氫氣混合和可再生氣體應(yīng)用中的質(zhì)量控制和貿(mào)易交接中，現(xiàn)場(chǎng)安裝的工業(yè)氣相色譜儀正變得不可或缺。
適用于此類(lèi)應(yīng)用的最佳技術(shù)是氣相色譜儀，它引導(dǎo)氣體樣品通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)的填充柱擴(kuò)散。每種氣體組分的沸點(diǎn)不同，會(huì)以不同速率通過(guò)填充柱，當(dāng)它到達(dá)末端的檢測(cè)器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電響應(yīng)，通常稱(chēng)為峰值。通過(guò)測(cè)量峰值的大小和時(shí)間，氣相色譜儀可以確定每種樣品氣體成分的存在和濃度。基于這些結(jié)果，分析儀可以計(jì)算氣體以BTU表示的能量值，并測(cè)量各種其它氣體。
幾十年來(lái)，氣相色譜儀一直部署在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。該設(shè)備體積龐大、價(jià)格高昂，且具有非常高的靈敏度。需要一名訓(xùn)練有素的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員準(zhǔn)備和注入樣品并解釋結(jié)果，這可能需要數(shù)小時(shí)。現(xiàn)在的天然氣行業(yè)需要一種堅(jiān)固耐用、現(xiàn)場(chǎng)安裝的氣相色譜儀，可以在幾分鐘內(nèi)拿到結(jié)果，生成并持續(xù)報(bào)告。這些需求刺激了大量工業(yè)色譜儀產(chǎn)品的出現(xiàn)，通常稱(chēng)為在線(xiàn)氣相色譜儀。
二、選擇工業(yè)氣相色譜儀的四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)
成功的工業(yè)色譜儀裝置需要許多關(guān)鍵功能，可以根據(jù)下文所列舉的特性和標(biāo)準(zhǔn)仔細(xì)評(píng)估候選的分析儀。通常可以將這些特征分為四類(lèi)：
■ 認(rèn)證和測(cè)量；
■ 準(zhǔn)確性和性能；
■ 設(shè)計(jì)和功能；
■ 可靠性、可操作性和易于維護(hù)性。
具體需求取決于不同應(yīng)用的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)介紹與天然氣、沼氣和可再生天然氣的質(zhì)量控制和貿(mào)易交接相關(guān)的需求和應(yīng)用。
1. 認(rèn)證和測(cè)量
在評(píng)估監(jiān)管權(quán)轉(zhuǎn)移應(yīng)用時(shí)，首先要充分了解所需的測(cè)量和經(jīng)過(guò)認(rèn)證的計(jì)算。通常，這包括根據(jù)一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織等制定的標(biāo)準(zhǔn)（例如，ISO 6976）進(jìn)行的計(jì)算。
任何候選的氣相色譜儀必須能夠執(zhí)行應(yīng)用或合同所需的測(cè)量。對(duì)于監(jiān)管權(quán)轉(zhuǎn)移應(yīng)用，C6+分析是一個(gè)典型的應(yīng)用，處理周期為3到4分鐘。在新興的碳捕獲和儲(chǔ)存應(yīng)用中，需要測(cè)量高水平二氧化碳，以及檢測(cè)可能對(duì)氣體壓縮性產(chǎn)生不利影響的雜質(zhì)的能力。可再生天然氣應(yīng)用則需要測(cè)量含氮和二氧化碳量高的低BTU氣體。
2. 準(zhǔn)確性和性能
下一個(gè)需要評(píng)估的領(lǐng)域，應(yīng)是在特定應(yīng)用預(yù)期的環(huán)境條件下裝置的準(zhǔn)確性（氣相色譜儀術(shù)語(yǔ)中的可重復(fù)性）和性能。雖然現(xiàn)場(chǎng)安裝的氣相色譜儀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但事實(shí)是測(cè)量分析仍然非常敏感，必須在嚴(yán)格控制的條件下測(cè)量（圖2）。一個(gè)裝置在實(shí)驗(yàn)室條件下可能非常準(zhǔn)確，在現(xiàn)場(chǎng)天氣和其它條件發(fā)生變化時(shí)，其表現(xiàn)就要差得多。
▲圖2：候選的分析儀必須能夠在各種環(huán)境條件下保持較高的精度。圖中所示的羅斯蒙特470XA氣相色譜儀，在0至130℉的溫度范圍內(nèi)經(jīng)歷了18小時(shí)的溫度循環(huán)，以確認(rèn)其在極端環(huán)境條件下的性能。
在評(píng)估候選的氣相色譜儀時(shí)，最終用戶(hù)應(yīng)考慮在受控和極端環(huán)境條件下的可重復(fù)性。某些型號(hào)可能需要安裝在溫控柜中，以滿(mǎn)足其公布的性能規(guī)格。其它裝置安裝在工業(yè)級(jí)的機(jī)柜中，可用于1級(jí)1區(qū)，為采樣點(diǎn)附近的安裝提供了靈活性，即使在極端天氣條件下也能提供高度可重復(fù)的測(cè)量。在線(xiàn)氣相色譜儀在貿(mào)易交接應(yīng)用中的典型能值規(guī)格為 +/- 0.025% 熱量值，相當(dāng)于 +/- 0.25 BTU/1000 BTU，適用于 -4 至 140 ℉ 的環(huán)境溫度范圍。為確保氣相色譜儀的性能，在制造過(guò)程中通常會(huì)對(duì)其進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。
3. 分析儀的設(shè)計(jì)和功能
當(dāng)所有候選色譜儀都符合必要的認(rèn)證和可重復(fù)性測(cè)量要求時(shí)，差異化因素通常是設(shè)計(jì)以及裝置中的內(nèi)置功能。某些型號(hào)在配置和操作簡(jiǎn)便性方面具有突出的關(guān)鍵功能。
最終用戶(hù)首先應(yīng)該考慮分析儀的基本設(shè)計(jì)特征。一些高級(jí)應(yīng)用可能需要多個(gè)探測(cè)器和非常廣泛的氣體檢測(cè)和分析，在這種情況下，就需要更高級(jí)的氣相色譜儀。然而，大多數(shù)天然氣和沼氣分析儀應(yīng)用需求相對(duì)簡(jiǎn)單，可以采用更簡(jiǎn)單、成本更低的單探測(cè)器設(shè)計(jì)。不過(guò)，分析時(shí)間很重要，因此必須評(píng)估執(zhí)行測(cè)量所需的時(shí)間。通常要求進(jìn)行4分鐘的C6+測(cè)量。
最有用的一個(gè)關(guān)鍵功能可能是本地操作員界面（圖3）。在1級(jí)1區(qū)裝置上，通常找不到完全圖形化的界面，但擁有這樣的界面會(huì)對(duì)配置、操作、校準(zhǔn)和維護(hù)產(chǎn)生重大影響。
▲圖3：設(shè)計(jì)良好的氣相色譜儀操作員界面，可用于監(jiān)測(cè)測(cè)量值、訪(fǎng)問(wèn)報(bào)警和診斷、配置和校準(zhǔn)裝置以及執(zhí)行關(guān)鍵維護(hù)任務(wù)。
功能齊全的操作員界面，應(yīng)允許用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)當(dāng)前和過(guò)去的分析報(bào)告，檢查和確認(rèn)報(bào)警，啟動(dòng)和停止分析，修改配置，運(yùn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證周期，以及訪(fǎng)問(wèn)維護(hù)和診斷數(shù)據(jù)。
除了本地接口外，該裝置還應(yīng)包括一個(gè)軟件應(yīng)用，可用于配置、操作和維護(hù)該裝置，還可以訪(fǎng)問(wèn)詳細(xì)的測(cè)量分析細(xì)節(jié)（圖4）。該軟件應(yīng)支持多個(gè)氣相色譜儀，允許本地和遠(yuǎn)程操作和配置，并能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。
▲圖4:氣相色譜儀軟件應(yīng)包括以下功能：a）簡(jiǎn)單的下拉菜單，b）訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)氣相色譜儀，c）完整的測(cè)量顯示，d）響應(yīng)因子，e）定時(shí)事件表，f）組件列表，g）疊加讀取存檔讀數(shù)，h）保存到硬盤(pán)的功能。
氣相色譜儀應(yīng)包含足夠大的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)數(shù)千個(gè)分析結(jié)果。功能更強(qiáng)大的裝置可以在4分鐘的周期時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)數(shù)上百天的分析結(jié)果，保存一年的校準(zhǔn)和驗(yàn)證記錄，并提供一年或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)多達(dá)250個(gè)變量的小時(shí)、日和周平均值。
在單個(gè)分析儀中切換并處理多個(gè)樣品流的能力，在某些應(yīng)用中可能是一個(gè)有用的功能，利用各種載氣的能力也是如此。標(biāo)準(zhǔn)氣相色譜儀可以接受三種氣流的切換，可以使用氫氣、氦氣，甚至一些專(zhuān)用載氣替代品。請(qǐng)注意，當(dāng)使用切換氣流時(shí)，任何一個(gè)氣流的測(cè)量間隔時(shí)間都會(huì)延長(zhǎng)，因此在測(cè)量多個(gè)氣流時(shí)，快速測(cè)量可能至關(guān)重要。
通常提供本地I/O點(diǎn)和多種通信選項(xiàng)。本地I/O的具體要求因應(yīng)用而異，但通常需要至少一個(gè)或兩個(gè)模擬輸出用于就地控制，可能需要一個(gè)數(shù)字輸出用于報(bào)警。應(yīng)支持多種串行和以太網(wǎng)通信。
氣相色譜儀能否成功應(yīng)用的最重要環(huán)節(jié)之一，是為其提供原料的樣品調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如果樣品沒(méi)有準(zhǔn)備好，任何氣相色譜儀都無(wú)法快速運(yùn)行。設(shè)計(jì)合理的樣品調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以提供及時(shí)、干凈、干燥的樣品，這些樣品在調(diào)節(jié)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化。一些用戶(hù)擁有設(shè)計(jì)自己系統(tǒng)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，但許多用戶(hù)必須依靠外部幫助，才能進(jìn)行這種專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)工作。氣相色譜儀供應(yīng)商或其合作伙伴應(yīng)提供這項(xiàng)關(guān)鍵服務(wù)，并應(yīng)提供將樣品調(diào)節(jié)設(shè)備整合到氣相色譜儀模塊中的簡(jiǎn)單方法。
4. 可靠性、可操作性和易于維護(hù)
與任何分析儀一樣，氣相色譜儀也需要持續(xù)維護(hù)。然而，現(xiàn)代氣相色譜儀已經(jīng)融入了各種各樣的功能和嵌入式軟件應(yīng)用，使它們能夠自主執(zhí)行大部分維護(hù)工作，并幫助技術(shù)人員盡可能輕松快速地執(zhí)行其余工作。
氣相色譜儀中嵌入式軟件的關(guān)鍵功能，包括配置和啟動(dòng)調(diào)試支持，以及自動(dòng)校準(zhǔn)和驗(yàn)證程序。該軟件還應(yīng)提供閥門(mén)時(shí)間自動(dòng)調(diào)整以?xún)?yōu)化性能，并應(yīng)提供指導(dǎo)以簡(jiǎn)化日常維護(hù)，如校準(zhǔn)氣體更換。
設(shè)計(jì)合理的氣相色譜儀可以提供每分鐘最大約20cc的樣品大氣排放流量，來(lái)最大限度地減少樣品排放和載氣使用。典型的氣相色譜儀每10到11個(gè)月才會(huì)使用一個(gè)氦氣瓶，而一個(gè)校準(zhǔn)氣瓶一般可以持續(xù)使用2年（具體情況取決于不同的規(guī)格）。如果應(yīng)用允許，使用氫氣而不是氦氣作為載氣，還可以進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)成本。
當(dāng)氣相色譜儀出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，軟件應(yīng)包括各種報(bào)警和診斷，以幫助技術(shù)人員快速識(shí)別和糾正問(wèn)題。如果發(fā)生重大故障，具有單一、可更換模塊以及大多數(shù)組件可維修的氣相色譜儀，可以快速、簡(jiǎn)單地進(jìn)行更換。可以在現(xiàn)場(chǎng)輕松更換整個(gè)模塊，軟件有一個(gè)嵌入式應(yīng)用，可以在啟動(dòng)時(shí)對(duì)新模塊進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，以恢復(fù)氣相色譜儀服務(wù)。如果需要維修而不是更換，用戶(hù)也可以對(duì)模塊進(jìn)行維修。
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