激光水露点在线分析仪在溶剂脱水工艺中的应用

陈 龙

（中国石化达州天然气净化有限公司，四川达州635000）

某天然气净化厂（以下简称净化厂）采用湿气集输技术将原料天然气输送至净化装置进行处理，气体中除主要成分甲烷外，还含有硫化氢及地层中夹带的液体（水、液态烃等）和固体杂质。天然气中存在水分时，容易形成水合物或酸性物质，不仅会造成管线、阀门、设备等堵塞或腐蚀，同时还会对天然气输送及存储等环节造成影响[1]。因此，天然气脱水是天然气净化工艺中的重要环节，GB 17820—2018《天然气》对天然气水含量进行了严格的规定，明确在天然气输送和使用过程中不应存在液态水。针对原料气压力高、流量大的工况特点，净化厂采用应用较为广泛的溶剂吸收法对天然气进行脱硫、脱水，其中，脱水工艺以三甘醇（TEG）作为脱水溶剂，利用湿净化气中的主要成分CH4与H2O在三甘醇中溶解度的差异而脱除天然气中的水分，脱水后天然气的水露点需满足夏季低于-10 ℃、冬季低于-15 ℃的控制要求。

石英晶体微平衡水分析仪是较为常见的水露点在线分析仪，但该仪器制造工艺复杂，产品技术长期被国外仪表制造厂商垄断，石英晶体、干燥剂、过滤膜和水分发生器等耗材需要经常进行更换，仪器运行维护成本高、进口备件采购周期长，成为制约净化厂平稳生产的瓶颈问题，为此净化厂引进了1台国产新型激光水露点在线分析仪。笔者重点介绍了激光水露点在线分析仪的技术特点及在净化厂的应用情况，并针对两种分析仪的检测数据差异进行了分析，给同行业提供借鉴。

1 天然气脱水工艺流程

净化厂的天然气脱水装置主要由吸收系统和再生系统两部分构成，其核心设备为吸收塔，天然气脱水的过程在吸收塔内完成，使用3.5 MPa饱和蒸汽加热在再生塔内完成三甘醇富液的再生操作。天然气脱水工艺流程见图1。

图1 天然气脱水工艺流程

2 激光水露点在线分析仪

2.1 工作原理

激光水露点在线分析仪主要由激光发射模块、光电传感模块、数据采集模块、数据分析及控制模块、半导体激光驱动电路和气体检测室组成。该分析仪利用可调制的半导体激光器作为光源，通过半导体激光驱动电路调节工作电流的强度调制激光频率，使特定波长的激光束在穿过气体检测室时，被气体中的水分子吸收，导致激光强度产生衰减，激光强度衰减与水含量成正比，通过测量激光强度衰减信息计算出被测气体中的水含量[2]。激光水露点在线分析仪的结构及工作原理示意见图2。

图2 激光水露点在线分析仪结构及工作原理示意

天然气输送主管道内的气体压力较高、流速较快，其中还含有各类催化反应产生的固体颗粒物，易污染分析仪器，因此应将天然气先送入样气预处理系统进行减压和过滤。样气预处理系统主要由取样管路、减压阀、过滤器、伴热管线、回流管路等组成，天然气进入预处理系统后，通过多个减压阀逐级进行降压节流，确保样气压力和流速符合检测条件，利用不同过滤精度的陶瓷滤芯分级脱除固体颗粒物，以尽量降低进入分析仪的气体样品的杂质含量，同时保证流速平稳。

样气从天然气输送主管道先引入样气预处理系统，进行减压和过滤后再进入分析仪进行检测。控制被测气体在气体检测室内的流速和停留时间，由激光发射模块发出的激光束穿过通有气体的检测室，被安装在轴向上的光电传感模块的探测器接收，转换为电信号进入数据采集模块，数据分析及控制模块对获得的测量信号进行数据分析，计算出水分含量并进一步控制半导体激光驱动电路的输出强度。

2.2 技术特点

石英晶体微平衡水分析仪采用直接接触式的测量方法，样气流经石英晶体时，其中的水分被晶体吸收，导致晶体质量增加、震荡频率降低，通过测定样气和参比气的震荡频率变化量，计算出样气中的水含量。石英晶体微平衡水分析仪具有非常高的灵敏度，适用于微量物质的检测，但存在以下缺点：①样气和参比气需要进行反复切换比对，检测响应时间较长，约为3 s；②需要完成测量和干燥两个时序，不能实时连续测量；③对样气预处理系统的要求较高，样气中有杂质时会对测量结果的准确性造成干扰；④需要定期更换耗材备件，运行维护成本高。

与石英晶体微平衡水分析仪相比，激光水露点在线分析仪具有以下技术特点：

1）采用非接触式测量，激光发射模块和光电传感模块均不直接接触样气，不会被天然气中的三甘醇、H2S、凝析烃等污染，仪表关键部件使用寿命长、运行维护成本较低。

2）利用“单线光谱”测量技术，将激光的光谱宽度调节至远小于被测气体的谱线宽度，使激光频率扫描范围内只有水分子吸收谱线，能够快速排除杂质、背景气体等其他组分的干扰，测量更精准、响应更迅速[3]，检测响应时间小于1 s。

3）依据激光束照射被测气体后，其能量衰减程度与气体中的水含量成正比的特点，通过调整气体检测室两侧反射镜的角度，使激光束在约0.4 m长的检测室内能够形成70次以上反射，有效光程达到28 m，进一步缩小了仪器的体积。长光程气体检测室光路示意见图3。

图3 长光程气体检测室光路示意

2.3 仪器性能对比

石英晶体微平衡水分析仪与激光水露点在线分析仪的主要技术指标对比见表1。

表1 仪器主要技术指标对比

与石英晶体微平衡水分析仪相比，激光水露点在线分析仪具有以下优势：①测量范围更广，对低温工况的适用性更好；②能够避免其他背景气组分和杂质的干扰，只针对水分子进行数据采集，其检测精度大幅提升，重复性检测误差率指标仅为石英晶体微平衡水分析仪的20%；③受益于检测原理上的技术优势，无需等待样气被石英晶体吸收、切换干燥参比气等时序，光信号能够直接转换为电信号进行数据分析，因此响应时间更为迅速，能够有效降低因为数据滞后性带来的操作波动影响，更有利于实现生产装置的自动化操作。

3 应用效果验证评价

3.1 仪器比对情况

为了验证激光水露点在线分析仪的检测灵敏度和准确性，2021年上半年净化厂在天然气产品外输干气管道上，并联安装石英晶体微平衡水分析仪与激光水露点在线分析仪各1台，使用相同条件的样气预处理系统进行水露点测定。在正常生产期间，将上述2台分析仪的检测数据接入DCS系统，每天截取10:00和15:00的天然气水含量进行比对，数据情况见图4～5。

图4 2021年2月检测天然气水含量数据

由图4和图5可以看出，2台分析仪水露点检测数据的变化趋势基本保持一致，均能够及时反映出气体中水含量的变化情况，但石英晶体微平衡水分析仪测定的水露点比激光水露点在线分析仪高3～10 ℃。

图5 2021年3月检测天然气水含量数据

3.2 误差原因分析

针对2台分析仪测定的水露点数值存在较大差异的问题，净化厂采用计量检定合格的便携式露点仪进行比对。便携式露点仪基于冷却镜凝析湿度计法，是根据水露点的定义来分析，可信度较高[4]。将φ(N2)为99.999%的氮气标准气分别通入石英晶体微平衡水分析仪、激光水露点在线分析仪和便携式露点仪，测定气体的水露点，测试数据见表2。

表2 不同仪器测定的水露点数据

由表2可以看出，在非生产状态下上述3台仪表的检测数据较为接近，激光水露点在线分析仪测定的水露点稍高于石英晶体微平衡水分析仪测定的数据，而在正常生产状态下激光水露点在线分析仪的检测数据却远低于石英晶体微平衡水分析仪的测定数据。

对样气预处理系统和石英晶体微平衡水分析仪拆解检查，分析产生上述误差的原因主要是：样气预处理系统未能完全过滤被测气体携带的三甘醇，三甘醇进入石英晶体微平衡水分析仪后吸附在石英晶体传感器表面，干扰了检测结果；而激光水露点在线分析仪只对水分子的特定光谱频段进行扫描，被测气体携带的少量三甘醇不会对检测结果产生影响。

通过对样气预处理系统进行清洗和改进，激光水露点在线分析仪与石英晶体微平衡水分析仪测定的水露点结果基本一致，均在正常误差范围内，测定数据情况见图6。

图6 2021年7月检测天然气水含量数据

3.3 激光水露点在线分析仪使用注意事项

为了有效减少仪器后期的维护工作，保证仪器的检测准确度，笔者根据水露点分析仪在生产现场的实际应用情况，提出以下建议：

1）严格控制气体的压力和流速。激光光谱吸收技术对气体检测室内的气体压力要求较为严苛，需要结合主管道压力在取样口处设置减压阀及伴热装置，避免气体经减压节流后温度急剧下降产生冷凝水影响检测结果准确性。

2）根据工况适当设置样气预处理系统。激光光谱吸收技术虽不受背景气体及粉尘等杂质的干扰，但透镜和反射镜受到污染会导致光透过率下降，当透过率在10%以下时，会大幅影响测量精度，必须对气体检测室进行清理。为保证仪表气密性，清理气体检测室通常需要将整台分析仪下线返厂进行拆解清理，耗时较长，影响现场使用。

4 结语

现场应用实践证明，采用激光水露点在线分析仪替代石英晶体微平衡水分析仪，不仅缩短了响应时间，提高了检测准确度，解决了接触式测量技术应用于溶剂脱水工艺时存在的误差问题，而且仪器核心部件的使用寿命更长，降低了备件采购费用和维护工作量，为提升石油石化行业仪器仪表设计制造水平、赶超国外先进技术起到了积极的示范效应，也为今后国内同类型新建装置提供了借鉴经验。