伴隨著全球?qū)γ撎己涂稍偕剂蟻碓吹耐苿樱瑢τ糜诳刂坪捅O(jiān)管轉(zhuǎn)移的簡單、堅固、現(xiàn)場安裝的氣相色譜儀產(chǎn)生了強烈的需求。
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，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)確測量和控制雜質(zhì)。一直以來，這項任務(wù)都是由工業(yè)氣相色譜儀 (GC) 來完成的，這種儀器工作出色，但價格昂貴。
幸運的是，更小但功能齊全的氣相色譜儀產(chǎn)品正在進(jìn)入市場，可以更好地滿足這一不斷增長的需求。本文討論了用戶在為天然氣應(yīng)用選擇在線氣相色譜儀時應(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)，然后通過管道運送給客戶。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)對氣候變暖的努力不斷加強，這一過程變得更復(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、食物殘渣、動物脂肪、垃圾填埋材料和其它資源。其中的任何一個來源都有可能將各種雜質(zhì)帶入氣體，必須檢測和控制每一種雜質(zhì)。
這一市場轉(zhuǎn)變也使天然氣生產(chǎn)商的數(shù)量增加了一個數(shù)量級，突然產(chǎn)生了大量尋求將天然氣注入運輸網(wǎng)絡(luò)的公司。每個注入點都需要對進(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)場安裝的工業(yè)氣相色譜儀正變得不可或缺。
適用于此類應(yīng)用的最佳技術(shù)是氣相色譜儀，它引導(dǎo)氣體樣品通過一個長的填充柱擴散。每種氣體組分的沸點不同，會以不同速率通過填充柱，當(dāng)它到達(dá)末端的檢測器時，會產(chǎn)生可測量的電響應(yīng)，通常稱為峰值。通過測量峰值的大小和時間，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，分析儀可以計算氣體以BTU表示的能量值，并測量各種其它氣體。
幾十年來，氣相色譜儀一直部署在實驗室內(nèi)。該設(shè)備體積龐大、價格高昂，且具有非常高的靈敏度。需要一名訓(xùn)練有素的實驗室技術(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。現(xiàn)在的天然氣行業(yè)需要一種堅固耐用、現(xiàn)場安裝的氣相色譜儀，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)，通常稱為在線氣相色譜儀。
二、選擇工業(yè)氣相色譜儀的四個標(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)評估候選的分析儀。通常可以將這些特征分為四類：
■ 認(rèn)證和測量；
■ 準(zhǔn)確性和性能；
■ 設(shè)計和功能；
■ 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，本文重點介紹與天然氣、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)證和測量
在評估監(jiān)管權(quán)轉(zhuǎn)移應(yīng)用時，首先要充分了解所需的測量和經(jīng)過認(rèn)證的計算。通常，這包括根據(jù)一些國際標(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)用或合同所需的測量。對于監(jiān)管權(quán)轉(zhuǎn)移應(yīng)用，C6+分析是一個典型的應(yīng)用，處理周期為3到4分鐘。在新興的碳捕獲和儲存應(yīng)用中，需要測量高水平二氧化碳，以及檢測可能對氣體壓縮性產(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
下一個需要評估的領(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)語中的可重復(fù)性）和性能。雖然現(xiàn)場安裝的氣相色譜儀已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化，但事實是測量分析仍然非常敏感，必須在嚴(yán)格控制的條件下測量（圖2）。一個裝置在實驗室條件下可能非常準(zhǔn)確，在現(xiàn)場天氣和其它條件發(fā)生變化時，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。
在評估候選的氣相色譜儀時，最終用戶應(yīng)考慮在受控和極端環(huán)境條件下的可重復(fù)性。某些型號可能需要安裝在溫控柜中，以滿足其公布的性能規(guī)格。其它裝置安裝在工業(yè)級的機柜中，可用于1級1區(qū)，為采樣點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)的測量。在線氣相色譜儀在貿(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，在制造過程中通常會對其進(jìn)行環(huán)境試驗。
3. 分析儀的設(shè)計和功能
當(dāng)所有候選色譜儀都符合必要的認(rèn)證和可重復(fù)性測量要求時，差異化因素通常是設(shè)計以及裝置中的內(nèi)置功能。某些型號在配置和操作簡便性方面具有突出的關(guān)鍵功能。
最終用戶首先應(yīng)該考慮分析儀的基本設(shè)計特征。一些高級應(yīng)用可能需要多個探測器和非常廣泛的氣體檢測和分析，在這種情況下，就需要更高級的氣相色譜儀。然而，大多數(shù)天然氣和沼氣分析儀應(yīng)用需求相對簡單，可以采用更簡單、成本更低的單探測器設(shè)計。不過，分析時間很重要，因此必須評估執(zhí)行測量所需的時間。通常要求進(jìn)行4分鐘的C6+測量。
最有用的一個關(guān)鍵功能可能是本地操作員界面（圖3）。在1級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對配置、操作、校準(zhǔn)和維護(hù)產(chǎn)生重大影響。
▲圖3：設(shè)計良好的氣相色譜儀操作員界面，可用于監(jiān)測測量值、訪問報警和診斷、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)允許用戶訪問當(dāng)前和過去的分析報告，檢查和確認(rèn)報警，啟動和停止分析，修改配置，運行校準(zhǔn)和驗證周期，以及訪問維護(hù)和診斷數(shù)據(jù)。
除了本地接口外，該裝置還應(yīng)包括一個軟件應(yīng)用，可用于配置、操作和維護(hù)該裝置，還可以訪問詳細(xì)的測量分析細(xì)節(jié)（圖4）。該軟件應(yīng)支持多個氣相色譜儀，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）簡單的下拉菜單，b）訪問多個氣相色譜儀，c）完整的測量顯示，d）響應(yīng)因子，e）定時事件表，f）組件列表，g）疊加讀取存檔讀數(shù)，h）保存到硬盤的功能。
氣相色譜儀應(yīng)包含足夠大的內(nèi)存來存儲數(shù)千個分析結(jié)果。功能更強大的裝置可以在4分鐘的周期時間內(nèi)，存儲數(shù)上百天的分析結(jié)果，保存一年的校準(zhǔn)和驗證記錄，并提供一年或更長時間內(nèi)多達(dá)250個變量的小時、日和周平均值。
在單個分析儀中切換并處理多個樣品流的能力，在某些應(yīng)用中可能是一個有用的功能，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，甚至一些專用載氣替代品。請注意，當(dāng)使用切換氣流時，任何一個氣流的測量間隔時間都會延長，因此在測量多個氣流時，快速測量可能至關(guān)重要。
通常提供本地I/O點和多種通信選項。本地I/O的具體要求因應(yīng)用而異，但通常需要至少一個或兩個模擬輸出用于就地控制，可能需要一個數(shù)字輸出用于報警。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)。如果樣品沒有準(zhǔn)備好，任何氣相色譜儀都無法快速運行。設(shè)計合理的樣品調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以提供及時、干凈、干燥的樣品，這些樣品在調(diào)節(jié)過程中沒有發(fā)生化學(xué)變化。一些用戶擁有設(shè)計自己系統(tǒng)的知識和經(jīng)驗，但許多用戶必須依靠外部幫助，才能進(jìn)行這種專門的設(shè)計工作。氣相色譜儀供應(yīng)商或其合作伙伴應(yīng)提供這項關(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，包括配置和啟動調(diào)試支持，以及自動校準(zhǔn)和驗證程序。該軟件還應(yīng)提供閥門時間自動調(diào)整以優(yōu)化性能，并應(yīng)提供指導(dǎo)以簡化日常維護(hù)，如校準(zhǔn)氣體更換。
設(shè)計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個月才會使用一個氦氣瓶，而一個校準(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)一步降低運營成本。
當(dāng)氣相色譜儀出現(xiàn)問題時，軟件應(yīng)包括各種報警和診斷，以幫助技術(shù)人員快速識別和糾正問題。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、簡單地進(jìn)行更換。可以在現(xiàn)場輕松更換整個模塊，軟件有一個嵌入式應(yīng)用，可以在啟動時對新模塊進(jìn)行自動校準(zhǔn)，以恢復(fù)氣相色譜儀服務(wù)。如果需要維修而不是更換，用戶也可以對模塊進(jìn)行維修。
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