激光光谱吸收技术在天然气气质分析中的应用
时间：2021-02-10 00:00:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：在线气质分析仪在天然气行业应用广泛，从气田采气集输到天然气净化处理，再到净化天然气输送等多个生产领域。在线气质分析仪的应用有助于安全生产、提高生产效率；有助于实现节能减排、环境保护等目标；也是检测产品天然气合格与否的重要手段。通过对激光光谱吸收技术的原理介绍，探讨、比较了激光光谱吸收技术和其它检测技术分析仪在天然气领域应用的优缺点，分析了激光光谱吸收技术气体分析仪在天然气领域的应用前景。
关键词：在线气质分析仪；激光光谱；紫外光谱；DLAS
中图分类号： TE37 文献标识码：A
1 在线气体分析仪的应用现状
随着我国天然气处理装置的大型化和整体技术水平的提升，随着对节能降耗、提高质量、治污减排和安全生产的要求不断提高，在线气体分析仪的重要性和使用量与日俱增。在天然气净化厂和长输管道中，主要采用的在线分析仪有：水露点分析仪、硫化氢分析仪、CO2分析仪、烃露点分析仪、H2S/SO2比值分析仪、尾气SO2分析仪、气相色谱分析仪等。在监测天然气质量，降低污染物排放和节能等方面起到了很大作用。
与世界发达工业国家相比，我国新建天然气处理装置在线分析仪器的设置已经接近国际先进水平，但仍有局部差距。国外大量采用在线分析仪器取代实验室仪器，以提高自动化水平，降低人工成本，实现生产的精细化管理。我国在非关键性参数分析上，目前还有相当一部分仍以实验室分析为主，数据实时性差，不能对生产进行优化控制，效率难以提高。
在线分析仪器的制造和应用已有60多年的历史，近20年来，在线分析仪器的两大突破性进展是半导体激光分析仪和近红外光谱仪。激光气体分析仪的最大突破是简化了采样系统，提高了分析速度。近红外光谱是近年来发展最为迅速的分析技术之一，具有快速、高效、无损等诸多优点，在农业、制药等领域得到广泛应用。
2 半导体激光光谱吸收技术简介
2.1 半导体激光光谱吸收技术原理
半导体激光光谱吸收技术简称DLAS（Diode Laser Absorption Spectroscopy）。该技术是利用激光能量被气体分子“选频”吸收，形成吸收光谱原理来测量气体浓度一种技术。半导体激光器发射出特定波长激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收，导致激光强度产生衰减，激光强度衰减与被测气体含量成正比，测量激光强度衰减信息就可以分析获被测气体浓度。 因此，DLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术，半导体激光穿过被测气体的光强度衰减可用朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律来测量气体的浓度。关系式如下：
2.2 激光光谱吸收技术的发展历史
20世纪七、八十年代，激光光谱吸收技术逐步应用于科学实验。九十年代后，随着半导体激光器和光纤元件的迅速发展，性价比大幅度提高，长寿命、单模特性和较宽波长范围半导体激光器面市。一些高灵敏度光谱技术，如调频光谱技术（frequency modulation spectroscopy）、腔吸收光谱技术（cavityringdown spectroscopy）等逐渐成熟。DLAS技术开始被较多应用于工程研究，发达国家一些分析仪公司开始将DLAS技术应用于气体监测。DLAS技术较传统光谱检测技术具有显著技术优势，得到了迅速推广。目前已经上市的半导体激光气体分析仪产品层出不穷，半导体激光技术在天然气分析中得到了广泛运用。主要生产厂家有：杭州聚光科技有限公司、德国E+H公司、英国michell公司、美国GE公司、美国AMETEK公司、德国西门子公司、西克麦哈克公司、美国LGR公司、挪威纳斯克公司等。
2.3 激光气体分析仪基本工作原理
激光气体分析仪主要由激光发射单元、光电传感接收单元和分析控制功能模块组成。其中，分析控制功能模块又包括：数据采集、数据分析及控制和半导体激光驱动电路。其基本工作原理如图1所示，由激光发射单元驱动半导体激光器发射出探测激光，激光穿过含有被测气体的过程气体时，由接收单元获得吸收信号，经过分析控制模块进行数据采集和光谱计算，实现气体浓度的测量。
3 激光光谱的技术特点和优势
3.1 不受背景气体影响
传统光谱吸收技术采用的光谱谱线很宽，光谱不仅被被测介质吸收，还会被被测介质中的其它组份吸收，导致测量的不准确。而激光光谱采用单线吸收光谱技术，谱线宽度窄（约0.0001nm），单色性好，并且激光波长扫描范围仅覆蓋被测气体的吸收光谱，从而避免了气体分析中的交叉干扰，保证了测量的准确性。
3.2 不受粉尘和视窗污染的影响
采用激光光谱分析气质组份时，气体的浓度是由投射光强的二次谐波信号与直流信号的比值决定的。因此，当激光在传输过程中遇到粉尘或视窗脏污时，二次谐波信号与直流信号会同比下降，不会对气体浓度的测量造成影响。
3.3 自动修正温度、压力对测量的影响
对于某些被测过程气体，其温度和压力变化较大，这样会导致二次谐波信号波形的幅值与形状发生相应的变化，影响测量准确度。而DLAS技术可以接受外部输入的温度和压力信号，进行温度和压力补偿计算，自动修正温度和压力变化对气体浓度测量的影响。
4 激光光谱在天然气中的应用
激光光谱技术在天然气行业中主要用于天然气中微量水含量分析。天然气经过脱水处理后，进入管道进行输送。如果水脱除不够，在输送过程中，当温度、压力发生变化时，天然气中的饱和水会凝析出来，堵塞管道，影响管输能力。甚至在分输调压时，由于压力降而导致温度急剧下降，凝析出的水会对调压阀造成“冰堵”现象。因此，对天然气中微量水含量的测量是相当重要和必要的。
目前，对天然气中微量水含量的测量主要有以下几种方法：
4.1 电解法（P2O5）
