激光拉曼氣體分析儀服務盧旺達生物燃氣(Bio-Mathane)項目

暗藏在湖底的危機

　　圖1、非洲盧旺達基伍湖

　　盧旺達的基伍湖風景如畫，被譽為(wei) “非洲大湖”之一。基伍湖北側(ce) 有一座活火山，數千年的火山活動導致甲烷和二氧化碳大量積累溶解在基伍湖深處。科學家認為(wei) 基伍湖看似平靜，卻危險重重，大約有3000億(yi) 立方米的溶解二氧化碳、600億(yi) 立方米的甲烷以及含有有毒的硫化氫潛藏湖底。這些溶解的氣體(ti) 隨時可能以湖沼噴發的形式爆炸性地釋放，一旦爆發，不僅(jin) 會(hui) 釋放致命的二氧化碳，還可能引起甲烷爆炸，引發災害。

　　圖2、基伍湖分層深水區示意圖

湖底甲烷變身可持續能源

　　對周邊人口及國家來說，氣藏既是一種潛在的風險，同時也是一種自然資源。基伍湖在分層深水區(低於(yu) 250米)中有大量溶解甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，高達約20 mmol/l的甲烷濃度足以用於(yu) 商業(ye) 氣體(ti) 提取和發電。 ContourGlobal 將在基伍湖上實施了一個(ge) 發電計劃，利用基伍湖深水中發現的高濃度甲烷氣體(ti) 來發電。這一項目被稱為(wei) KivuWatt項目，由多邊投資擔保機構(Multilateral Investment Guarantee Agency，簡稱“MIGA”)投資擔保1.42億(yi) 美元為(wei) 該項目提供支持，於(yu) 2015年12月投入使用。

　　KivuWatt項目是世界第一個(ge) 漂浮在湖中的天然氣開采平台，為(wei) 了安全開采基伍湖的甲烷，天然氣提取設施位於(yu) 湖岸13公裏處，連接至湖底。項目從(cong) 350米深處取水，氣體(ti) 提取過程通過氣體(ti) 分離器，從(cong) 壓力35-2bar的載氣水中提取出含有CH4的氣泡，然後在四個(ge) 洗滌塔中洗滌原始氣體(ti) ，最終產(chan) 生潔淨的高濃度甲烷氣體(ti) ，通過一條13公裏長的半淹沒管道輸送到湖岸邊26兆瓦的發電廠。發電廠內(nei) 的大型內(nei) 燃發電機組將沼氣能量轉化為(wei) 電能，為(wei) 盧旺達國家公用電力係統提供必須的電力。二氧化碳則被泵回湖中，以維持湖中微妙的平衡不被破壞。

　　圖3、盧旺達KivuWatt項目示意圖

　　為(wei) 確保輸送到發電廠的氣體(ti) 符合內(nei) 燃機對燃氣的質量要求，盧旺達KivuWatt項目需要在氣體(ti) 提取平台上安裝一個(ge) 可長期連續運行的沼氣監測係統，用於(yu) 監測來自3個(ge) 不同工藝點的天然氣氣體(ti) 質量數據：原始氣體(ti) ，提純後的氣體(ti) ，以及火炬氣。這三個(ge) 工藝點分別決(jue) 定了前端氣體(ti) 提取工藝的穩定運行、氣體(ti) 洗滌和提純工藝的效率。監測數據實時反饋到控製係統，確保氣體(ti) 提取裝置處於(yu) 最佳運行狀態，避免資源浪費。

　　為(wei) 了精準檢測氣體(ti) 成分，項目需要直接測量原始氣體(ti) 的成分，包括甲烷、二氧化碳、硫化氫、O2和N2。其其中，為(wei) 確保原料氣的質量，N2必須直接測量，不能通過計算得出；而且需要實時在線連續監測，確保工藝的正常運轉並盡量降低維護周期和停機檢修帶來的損失，以達到最佳生產(chan) 效率。

聚焦激光拉曼技術，高端氣體(ti) 分析儀(yi) 器走向國際

　　為(wei) 實現以上監測目的，KivuWatt項目現場前期曾安裝英國某品牌在線式紅外沼氣分析儀(yi) ，但受限於(yu) 測量原理，該分析儀(yi) 不能直接檢測N2，N2靠差減法計算獲得。一旦某個(ge) 組分的測量精度不達標，將直接導致N2讀值的精度產(chan) 生較大偏差，造成工藝報警及緊急狀態處理，影響效率。另外，該係統中的H2S測量采用電化學原理，精度無法達到工藝要求，且壽命短需要經常停機維護。為(wei) 確保檢測精度的長期穩定性，項目曾彌補性地采用氣相色譜(GC)技術進行定期的高精度檢查，雖然能滿足較高精度的測量要求，但氣相色譜(GC)技術不能實時輸出數據，操作複雜，而且還需要高頻維護和耗材成本，無法作為(wei) 自動化生產(chan) 的方案。

　　針對以上問題，通過對不同技術路線和不同供應商方案的比較，KivuWatt項目最終采用了四方光電激光拉曼在線防爆型分析係統，替代現場的紅外沼氣分析儀(yi) ，提供高精度、低維護的實時監測。激光拉曼原理可直接精確測量N2濃度，且提供高精度和長壽命的H2S測量解決(jue) 客戶的痛點。該方案將儀(yi) 表集成在正壓防爆櫃內(nei) ，*適用於(yu) 危險場景的使用。

　　圖4、上：實驗室台式分析儀(yi) 下：在線防爆型分析係統

　　四方光電激光拉曼在線防爆分析係統，主要由預處理單元、控製單元、分析單元三部分組成，專(zhuan) 為(wei) 中低粉塵工作環境設計。產(chan) 品采用PLC程序控製，可以自動完成3個(ge) 采樣通道之間的切換，實現24小時無人值守操作。極大降低了手動負載，保證係統的長期穩定，實現了準確、連續的自動在線運行。

■     預處理裝置

　　預處理裝置通過對進氣電磁閥的控製，實現氣體(ti) 采樣的三通道循環切換。在氣體(ti) 淨化提純過程中，采用過濾精度為(wei) 5um的氣水分離器，將液態水從(cong) 樣品氣體(ti) 中分離出來，同時過濾樣品氣體(ti) ；初次過濾後的氣體(ti) 通過半導體(ti) 冷凝器，去除樣品氣體(ti) 中可凝固的氣態水。整個(ge) 過程用到的過濾器均設有自動排水裝置，確保係統自動完成正常的取樣與(yu) 排水過程。最後采用過濾精度為(wei) 0.1um的精密過濾器，確保樣品氣體(ti) 滿足分析儀(yi) 器的使用要求，保證監測數據的準確性和係統的可靠性。

■     控製單元

　　激光拉曼氣體(ti) 分析儀(yi) 通過內(nei) 置IPC上的定製操作軟件實時顯示所有數據，並通過MODBUSTCP協議提供實時數據輸出，並為(wei) 每個(ge) 氣體(ti) 組件提供4-20mA的模擬輸出。

■     分析單元

　　分析單元為(wei) 四方光電旗下儀(yi) 器儀(yi) 表子公司四方儀(yi) 器自主知識產(chan) 權的多組分激光拉曼分析儀(yi) 。它采用激光拉曼氣體(ti) 特征指紋譜技術，通過對待測氣體(ti) 的特征拉曼散射光譜進行增強、收集、處理和識別，可對氣體(ti) 成分進行定量計算，實現在線實時對多種類氣體(ti) 進行定性及定量監測，保障KivuWatt基伍瓦特項目長期穩定的自動在線運行。

■     激光拉曼氣體(ti) 全組分分析的優(you) 勢

　　激光拉曼光譜技術是基於(yu) 氣體(ti) 拉曼散射的光譜類氣體(ti) 分析技術。其利用高光束質量的激光器發出特定波長的激光，經過消色差透鏡在氣體(ti) 室中聚焦，在焦點位置激光和氣體(ti) 分子相互碰撞產(chan) 生拉曼散射。拉曼特征峰的強度和氣體(ti) 濃度值成正比，通過光譜儀(yi) 測量和分析拉曼特征峰的位置和強度，可實現多組分氣體(ti) 的同時測量。由於(yu) 拉曼散射光譜的激發和收集是瞬時進行，時間很短並可實時進行信號收集，因此和色譜GC、質譜MS相比，拉曼光譜儀(yi) 具有更快的響應速度。

　　表1、不同技術原理對比分析

　　激光拉曼氣體(ti) 分析儀(yi) 不僅(jin) 可以測量生物天然氣的全組分，還可以對石油裂解氣體(ti) 、鋼鐵冶金過程氣體(ti) 、現代煤化工過程氣體(ti) 等的全組分測量。目前通過一個(ge) 激光光譜分析探頭，可以實現CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、CO、CO2、H2、O2、N2、H2S、H2O等在內(nei) 混合氣體(ti) 的做組分實時定量檢測。

　　圖5、盧旺達KivuWatt項目現場

　　經過在盧旺達生物天然氣現場的實際性能驗證以及嚴(yan) 格測試評估，四方光電激光拉曼氣體(ti) 分析儀(yi) 被項目評估團隊批準，今後將被優(you) 先應用於(yu) 該客戶即將投建的其他沼氣發電廠項目中。