伴隨著(zhù)全球對脫碳和可再生燃料來(lái)源的推動(dòng)，對用于控制和監管轉移的簡(jiǎn)單、堅固、現場(chǎng)安裝的氣相色譜儀產(chǎn)生了強烈的需求。
隨著(zhù)全球對氣候變暖和溫室氣體排放的關(guān)注，天然氣市場(chǎng)正在經(jīng)歷范式轉變。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(lái)，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，以確保監管轉移的天然氣質(zhì)量，并準確測量和控制雜質(zhì)。一直以來(lái)，這項任務(wù)都是由工業(yè)氣相色譜儀 (GC) 來(lái)完成的，這種儀器工作出色，但價(jià)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(chǎng)，可以更好地滿(mǎn)足這一不斷增長(cháng)的需求。本文討論了用戶(hù)在為天然氣應用選擇在線(xiàn)氣相色譜儀時(shí)應該考慮的關(guān)鍵特性。
一、更復雜的應用需求
直到最近，天然氣應用還相當簡(jiǎn)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(guò)管道運送給客戶(hù)。氣體分析儀（通常是氣相色譜儀）通常用于氣體加工區域，然后與管道一起用于貿易交接。
隨著(zhù)全球應對氣候變暖的努力不斷加強，這一過(guò)程變得更復雜?，F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(dòng)物脂肪、垃圾填埋材料和其它資源。其中的任何一個(gè)來(lái)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(chǎng)轉變也使天然氣生產(chǎn)商的數量增加了一個(gè)數量級，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(gè)注入點(diǎn)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用中的質(zhì)量控制和貿易交接中，現場(chǎng)安裝的工業(yè)氣相色譜儀正變得不可或缺。
適用于此類(lèi)應用的最佳技術(shù)是氣相色譜儀，它引導氣體樣品通過(guò)一個(gè)長(cháng)的填充柱擴散。每種氣體組分的沸點(diǎn)不同，會(huì )以不同速率通過(guò)填充柱，當它到達末端的檢測器時(shí)，會(huì )產(chǎn)生可測量的電響應，通常稱(chēng)為峰值。通過(guò)測量峰值的大小和時(shí)間，氣相色譜儀可以確定每種樣品氣體成分的存在和濃度?；谶@些結果，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(lái)，氣相色譜儀一直部署在實(shí)驗室內。該設備體積龐大、價(jià)格高昂，且具有非常高的靈敏度。需要一名訓練有素的實(shí)驗室技術(shù)人員準備和注入樣品并解釋結果，這可能需要數小時(shí)。現在的天然氣行業(yè)需要一種堅固耐用、現場(chǎng)安裝的氣相色譜儀，可以在幾分鐘內拿到結果，生成并持續報告。這些需求刺激了大量工業(yè)色譜儀產(chǎn)品的出現，通常稱(chēng)為在線(xiàn)氣相色譜儀。
二、選擇工業(yè)氣相色譜儀的四個(gè)標準
成功的工業(yè)色譜儀裝置需要許多關(guān)鍵功能，可以根據下文所列舉的特性和標準仔細評估候選的分析儀。通?？梢詫⑦@些特征分為四類(lèi)：
■ 認證和測量；
■ 準確性和性能；
■ 設計和功能；
■ 可靠性、可操作性和易于維護性。
具體需求取決于不同應用的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)介紹與天然氣、沼氣和可再生天然氣的質(zhì)量控制和貿易交接相關(guān)的需求和應用。
1. 認證和測量
在評估監管權轉移應用時(shí)，首先要充分了解所需的測量和經(jīng)過(guò)認證的計算。通常，這包括根據一些國際標準化組織等制定的標準（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行應用或合同所需的測量。對于監管權轉移應用，C6+分析是一個(gè)典型的應用，處理周期為3到4分鐘。在新興的碳捕獲和儲存應用中，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?？稍偕烊粴鈶脛t需要測量含氮和二氧化碳量高的低BTU氣體。
2. 準確性和性能
下一個(gè)需要評估的領(lǐng)域，應是在特定應用預期的環(huán)境條件下裝置的準確性（氣相色譜儀術(shù)語(yǔ)中的可重復性）和性能。雖然現場(chǎng)安裝的氣相色譜儀已經(jīng)實(shí)現工業(yè)化，但事實(shí)是測量分析仍然非常敏感，必須在嚴格控制的條件下測量（圖2）。一個(gè)裝置在實(shí)驗室條件下可能非常準確，在現場(chǎng)天氣和其它條件發(fā)生變化時(shí)，其表現就要差得多。
▲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℉的溫度范圍內經(jīng)歷了18小時(shí)的溫度循環(huán)，以確認其在極端環(huán)境條件下的性能。
在評估候選的氣相色譜儀時(shí)，最終用戶(hù)應考慮在受控和極端環(huán)境條件下的可重復性。某些型號可能需要安裝在溫控柜中，以滿(mǎn)足其公布的性能規格。其它裝置安裝在工業(yè)級的機柜中，可用于1級1區，為采樣點(diǎn)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的測量。在線(xiàn)氣相色譜儀在貿易交接應用中的典型能值規格為 +/- 0.025% 熱量值，相當于 +/- 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(guò)程中通常會(huì )對其進(jìn)行環(huán)境試驗。
3. 分析儀的設計和功能
當所有候選色譜儀都符合必要的認證和可重復性測量要求時(shí)，差異化因素通常是設計以及裝置中的內置功能。某些型號在配置和操作簡(jiǎn)便性方面具有突出的關(guān)鍵功能。
最終用戶(hù)首先應該考慮分析儀的基本設計特征。一些高級應用可能需要多個(gè)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，大多數天然氣和沼氣分析儀應用需求相對簡(jiǎn)單，可以采用更簡(jiǎn)單、成本更低的單探測器設計。不過(guò)，分析時(shí)間很重要，因此必須評估執行測量所需的時(shí)間。通常要求進(jìn)行4分鐘的C6+測量。
最有用的一個(gè)關(guān)鍵功能可能是本地操作員界面（圖3）。在1級1區裝置上，通常找不到完全圖形化的界面，但擁有這樣的界面會(huì )對配置、操作、校準和維護產(chǎn)生重大影響。
▲圖3：設計良好的氣相色譜儀操作員界面，可用于監測測量值、訪(fǎng)問(wèn)報警和診斷、配置和校準裝置以及執行關(guān)鍵維護任務(wù)。
功能齊全的操作員界面，應允許用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)當前和過(guò)去的分析報告，檢查和確認報警，啟動(dòng)和停止分析，修改配置，運行校準和驗證周期，以及訪(fǎng)問(wèn)維護和診斷數據。
除了本地接口外，該裝置還應包括一個(gè)軟件應用，可用于配置、操作和維護該裝置，還可以訪(fǎng)問(wèn)詳細的測量分析細節（圖4）。該軟件應支持多個(gè)氣相色譜儀，允許本地和遠程操作和配置，并能夠對結果進(jìn)行詳細分析。
▲圖4:氣相色譜儀軟件應包括以下功能：a）簡(jiǎn)單的下拉菜單，b）訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)氣相色譜儀，c）完整的測量顯示，d）響應因子，e）定時(shí)事件表，f）組件列表，g）疊加讀取存檔讀數，h）保存到硬盤(pán)的功能。
氣相色譜儀應包含足夠大的內存來(lái)存儲數千個(gè)分析結果。功能更強大的裝置可以在4分鐘的周期時(shí)間內，存儲數上百天的分析結果，保存一年的校準和驗證記錄，并提供一年或更長(cháng)時(shí)間內多達250個(gè)變量的小時(shí)、日和周平均值。
在單個(gè)分析儀中切換并處理多個(gè)樣品流的能力，在某些應用中可能是一個(gè)有用的功能，利用各種載氣的能力也是如此。標準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(zhuān)用載氣替代品。請注意，當使用切換氣流時(shí)，任何一個(gè)氣流的測量間隔時(shí)間都會(huì )延長(cháng)，因此在測量多個(gè)氣流時(shí)，快速測量可能至關(guān)重要。
通常提供本地I/O點(diǎn)和多種通信選項。本地I/O的具體要求因應用而異，但通常需要至少一個(gè)或兩個(gè)模擬輸出用于就地控制，可能需要一個(gè)數字輸出用于報警。應支持多種串行和以太網(wǎng)通信。
氣相色譜儀能否成功應用的最重要環(huán)節之一，是為其提供原料的樣品調節系統。如果樣品沒(méi)有準備好，任何氣相色譜儀都無(wú)法快速運行。設計合理的樣品調節系統，可以提供及時(shí)、干凈、干燥的樣品，這些樣品在調節過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化。一些用戶(hù)擁有設計自己系統的知識和經(jīng)驗，但許多用戶(hù)必須依靠外部幫助，才能進(jìn)行這種專(zhuān)門(mén)的設計工作。氣相色譜儀供應商或其合作伙伴應提供這項關(guān)鍵服務(wù)，并應提供將樣品調節設備整合到氣相色譜儀模塊中的簡(jiǎn)單方法。
4. 可靠性、可操作性和易于維護
與任何分析儀一樣，氣相色譜儀也需要持續維護。然而，現代氣相色譜儀已經(jīng)融入了各種各樣的功能和嵌入式軟件應用，使它們能夠自主執行大部分維護工作，并幫助技術(shù)人員盡可能輕松快速地執行其余工作。
氣相色譜儀中嵌入式軟件的關(guān)鍵功能，包括配置和啟動(dòng)調試支持，以及自動(dòng)校準和驗證程序。該軟件還應提供閥門(mén)時(shí)間自動(dòng)調整以?xún)?yōu)化性能，并應提供指導以簡(jiǎn)化日常維護，如校準氣體更換。
設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(lái)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(gè)月才會(huì )使用一個(gè)氦氣瓶，而一個(gè)校準氣瓶一般可以持續使用2年（具體情況取決于不同的規格）。如果應用允許，使用氫氣而不是氦氣作為載氣，還可以進(jìn)一步降低運營(yíng)成本。
當氣相色譜儀出現問(wèn)題時(shí)，軟件應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(wèn)題。如果發(fā)生重大故障，具有單一、可更換模塊以及大多數組件可維修的氣相色譜儀，可以快速、簡(jiǎn)單地進(jìn)行更換?？梢栽诂F場(chǎng)輕松更換整個(gè)模塊，軟件有一個(gè)嵌入式應用，可以在啟動(dòng)時(shí)對新模塊進(jìn)行自動(dòng)校準，以恢復氣相色譜儀服務(wù)。如果需要維修而不是更換，用戶(hù)也可以對模塊進(jìn)行維修。
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