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（DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy）。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。
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（frequencymodulationspectroscopy）、腔吸收光谱技术（cavityringdownspectroscopy）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盖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）
电解法是一种绝对测量法，无需检定。但P2O5会与胺发生反应，传感器容易受污染，需要定期校正、清洗和更换，造成不必要的停工。另外，由于电极棒容易受轻质油、醇类等液体杂质和其它固体杂质污染，一般3-6个月需清洗镀膜一次。因此，采用电解法分析天然气中水含量维护工作量大，影响生产。
4.2电容法（Al2O3）
电容法分析仪体积小，灵敏度高，可测气体中的微量水和常量水分。但探头容易污染，需要定期校正、清洗和更换。核心传感器只能在中性气体条件下工作，长期在酸性或碱性条件下工作容易失效。在投产后期需要定期校正，时常停工清洗或更换探头，维护工作和费用高。
4.3石英晶体法
石英晶体振荡法测量天然气中微量水，测量下限低。但天然气中的杂质容易影响石英晶体振动频率，造成测量精度下降。探头容易受污染，需定期更换探头，并且探头费用高。若气体中含有H2S，探头会被污染，加快探头更换频率，维护费用高。另外，采用石英晶体振荡法测天然气中微量水，在工程初期设备费用也较高。
4.4光纤折射率法
探头插入天然气管道，管径须大于100mm。接触式测量，凝析烃、粉尘等杂质容易堵塞探头中传感器的微孔。
4.5激光光谱吸收法
井口采出的天然气需经脱硫和脱水工艺再输送至用户，天然气脱硫工艺主要采用胺类水溶液吸收法为主，脱水工艺主要采用三甘醇水溶液吸收法或分子筛吸附法。因此，经处理后的天然气中会含有微量的胺类、醇类物质。采用激光光谱吸收法测量微量水含量具有如下特点：（1）激光光谱吸收法无交叉干扰。激光微量水分析仪采用单谱线技术原理，从而避免了背景气和杂质对测量的干扰。对于其它接触式测量的分析仪而言，样气中未脱除的杂质必定会粘附、堵塞传感器表面，严重影响测量精度。（2）激光光谱吸收法是一种真正非接触式测量，天然气中三甘醇、H2S、凝析烃等对仪表关键部件（激光器和光探测器）不会造成污染问题。即使透镜和反射镜受到污染而导致透光率下降，由于分析仪采用了调制光谱技术，只要透过率达到10%以上，就不影响测量精度。（3）激光光谱吸收法响应速度快，可以连续测量，无吸附和再生时间。一般分析仪的测量响应时间<5s，系统响应时间<30s。（4）激光光谱吸收法运行维护工作量小，运行维护成本低。仪表漂移量小，一般来说无需定期标定。（5）采用激光光谱吸收法，性价比高。激光光谱吸收法由于简化了样气系统，设备成本低。从目前市场价格来看，仅略高于电解法和电容法，但其使用性能上比其它几种方式好。
激光光谱吸收分析仪和传统分析仪相比，有诸多不可比拟的优点。它是最新一代在线气体分析仪，是气体分析仪的升级换代产品。随着激光光谱技术的不断成熟，它将引领潮流，在天然气湿度分析上不断取缔传统式在线分析仪，得到更加广泛的应用。
作者：宋希国 单位：中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司
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