气相色谱仪常见故障的分析及处理

何 滨

（湛江电力有限公司，广东 湛江 524099）

在电力生产中，常使用气相色谱仪对变压器油中的溶解气体成分进行检测和分析，以判断变压器是否存在潜伏故障，确保变压器安全稳定运行。

1 气相色谱仪的工作原理和构成

气相色谱仪的工作原理是：在固定相和流动相构成的体系中，有不同的吸附作用和分配作用；当两相作相对运动时，这些物质也随流动相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配，从而达到使不同组分相互分离的目的。

电力生产中使用的气相色谱仪可分为2部分，即：气路进样分离系统和电路检测记录系统。气路进样分离系统主要指工作载气和辅助气体所流经的各个部件，包括气体管道、气压表、稳压阀、气体净化过滤器、稳流阀、进样器、色谱柱、热导池、转化炉、检测器等。仪器工作时载气使用N2，辅助气体使用H2和空气。电路检测记录系统主要指供给仪器工作的电源及检测部件，包括工作电源、恒温器、程序控制装置、收集检测装置、稳流电源、电流放大器、记录仪等。

2 气相色谱仪常见故障的原因

在气相色谱仪交付使用前，生产厂家已对该仪器的电路系统作了检查调整，以确保系统能正常运行。但在现场应用时，气路系统调试时常出现工作不正常、不能适应实际生产要求的情况，如基线波动不稳、样品保留时间较长、样品出峰不能彻底分离、出现拖尾峰、样品出峰不齐全等问题。

综合各项实验分析结果，初步判断造成气相色谱仪出现上述问题的主要原因有以下几点：

(1)所用载气不纯净，纯度达不到要求；

(2)辅助气体不纯净，含有油或其他杂质；

(3)气路管道系统受到气体所含油质或其他杂质等污染，造成色谱仪样品出峰不正常；

(4)色谱柱受到气体污染而失效，致使色谱柱分离效果达不到标准规定要求的分离度；

(5)色谱柱没有针对所要分析的气体来选用合适的固定相吸附剂材料。

3 解决方案

3.1 消除源污染

针对气相色谱仪基线不稳的问题，采用纯度达99.99 %的高纯度N2作载气，采用纯度达99.99 %的H2作辅助气体，同时要求空气不得含有油质或杂质。

3.2 改装气路流程

清洗气相色谱仪的气路系统。

(1)对各气源的气体净化过滤器进行清洗，更换里面的净化剂。

(2)采用硅胶加上分子筛作气体净化剂，以除去气体中的水分和杂质。

(3)各气源至色谱仪主机的连接气管采用Φ3×0.5 mm的聚乙烯塑料管，接头用2个氟橡胶密封环密封，防止产生污染杂质和气体漏气。

(4)色谱仪主机内部气路由Φ3×0.5 mm的不锈钢管组成。对不锈钢气管要进行预处理：使用5 % NaOH溶液冲洗几次后，用水冲洗至水为中性，最后在100 ℃的烘箱内烘干备用。

(5)色谱仪主机内部气路用M8×1 mm的螺帽与管道连接，并加2片氟橡胶密封环进行密封，以保证系统不漏气。

通过上述措施，从源头保证了气体和管路的洁净，减少了气路系统的杂质干扰物。经研究，决定采用较成熟的分析流程作为改装方案，如图1所示。

图1 色谱仪气路改装流程

3.3 更换被污染的色谱柱

3.3.1 色谱柱的灌装

由于气相色谱仪开机试验出峰问题较多，不能正常分析，需要对原有的色谱柱进行重装更换，使其适应生产需要，能检测分析出变压器中油的含气成分(主要包括烃类气体、CO、CO2、H2等)，达到定量和定性的要求。

根据使用情况分析后，重新灌装了2条色谱柱。色谱柱在重新灌装前同样要进行预处理：使用5 % NaOH溶液冲洗几次后，用水冲洗至水为中性，最后在100 ℃的烘箱内烘干备用。其中一条色谱柱确定为A色谱柱，采用Φ4×2 m的不锈钢管柱子，内部填充60～80目硅胶吸附剂，用于分析检测油气中的烃类气体。另一条色谱柱确定为B色谱柱，采用长Φ4×1 m的不锈钢管柱子，内部填充20～30目活性碳吸附剂，用于分析检测油中的CO、CO2、H2等气体。使用真空泵分别均匀抽灌吸附剂进入A，B色谱柱，灌装吸附剂时可以均匀振动色谱柱，使吸附剂填满。

3.3.2 色谱柱的老化处理

灌装好的色谱柱要经过老化处理后才能用于分析。由于色谱柱的吸附剂不同，要分别进行老化处理。老化时色谱柱只通入载气，而且不能接入热导池和检测器，其接头采用M8×1 mm螺帽加1个Φ4的耐高温石墨密封圈进行密封，以保证高温环境下不漏气。

色谱柱的老化过程是：

(1)A色谱柱(硅胶柱)，在80 ℃时通气老化16 h；

(2)B色谱柱(活性碳柱)，在180 ℃时通气老化4 h。

色谱柱老化结束后进行安装，按图1将A色谱柱分别与氢火焰检测器、进样器连接，将B色谱柱分别与热导池、进样器连接。气路系统的密封性可以通过十二烷基硫酸钠稀溶液来检测，分别检查各接头及管道，防止溶液腐蚀仪器，有利于保护色谱仪器。

4 改装后气相色谱仪的标定调试

4.1 确定标准气体的组分和含量

根据实际生产要求，同时参考有关单位的试验数据，确定了各种标准气体的组分和含量，委托标气厂家专门配制标准气体。各标准气体的组分和含量如表1和表2所示。

表1 电厂专用混合标准气体组分和含量ppm

表2 几类标准气体组分和含量ppm

4.2 色谱仪的开机调试操作

经过上述准备工作，可开机调试气相色谱仪。

(1)通入载气(高纯N2)，将其输出压力稳定调节在0.3 MPa，调节N2流量。打开稳流电源、电流放大器、记录仪等各电气部件电源，设定各部件参数值，然后通入H2、空气，将它们的输出压力同样稳定调节在0.3 MPa。

(2)待各部件在其参数范围内稳定工作20 min后，进行氢火焰检测器(FID)点火操作。按住点火按钮4～5 s，但时间不应过长，否则会烧坏点火线圈，当听到“啪”的一声后可松开按钮。为了判断FID是否已着火，可以将光洁的金属表面放在FID顶部出口,当发现光洁金属表面有水珠凝结时则证明点火成功，否则说明氢火焰检测器火焰熄灭，点火失败。若点火失败，则应检查点火电路或调大氢气的流量，重新进行点火操作。

(3)点火成功后打开记录仪，通过调节电位器使记录笔在适当的位置划出一条平直的色谱基线。这时色谱仪的信号衰减档应调节在1∶1的位置，即在最大灵敏度的位置。若基线发生漂移，可适当调节减少空气流量，降低基流，稳定色谱基线，提高仪器灵敏度。工作中热导池(TCD)信号记录笔有微小抖动是在仪器的正常灵敏度范围内，其不影响仪器的工作性能。

4.3 确定气相色谱仪工作参数

在气相色谱仪工作状态稳定后，可以用标准气体进行试验。经过多次进样试验和测量，根据标准气体样品的峰高、出峰保留时间、基线漂移幅度等数据以及仪器使用规程的要求，确定适合仪器各部件的工作参数，如表3所示。

表3 色谱仪工作参数表

4.4 样品标定及结果

选用气密性好且经过校准的注射器作为样品气体的进样器。进样时，两色谱柱各进标准气体1 mL，进样操作要迅速、动作一致，以减少每次分析的人为误差。经过对标准气体进行多次进样分析，可以得到气体样品的出峰谱图，其中A色谱柱对CH4，C2H6，C2H4，C2H2都能完全分离到基线，分析时间需要7 min。B色谱柱对CO，CO2，H2都能完全分离到基线，分析时间需要9 min，达到比较满意的分离效果。各次出峰保留时间一致，各次样品试验的峰高稳定，峰高误差均在标准要求范围内。

出峰峰高测量数据如表4所示。

表4 标准气样出峰峰高数据表ppm

由标准气体的出峰谱图数据可知，该仪器经过改装调试后完全能够满足生产需要，符合气相色谱仪标定的2点原则要求。

(1)样品出峰完全分离到基线，色谱柱对所检测组分的分离度能够满足定量分析的要求。

(2)色谱仪器的基线稳定，达到足够的灵敏度要求。其中，仪器对C2H2气体的最小检知浓度不大于0.1 ppm，对H2气体的最小检知浓度不大于5 ppm，对CO气体的最小检知浓度不大于20 ppm，对CO2气体的最小检知浓度不大于30 ppm。实验证明，该气相色谱仪经过改装调试后，达到较高的重现性和准确度，完全符合要求。

5 结束语

在多次现场油品的取样分析中，该气相色谱仪的分析数据与权威试验所的分析数据相比较，试验数据误差完全符合有关规定要求，得到上级试验机构的认可。该气相色谱仪可在日后的电力生产中发挥重要的监督作用，能及时准确地发现变压器的潜在故障，保证变压器的安全运行。