石化载氢管道气体成分光纤传感在线测量系统研究

发布时间：2020-06-05 05:06

【摘要】：氢气是石油化工行业加氢工艺中的重要原料,是生产过程中的重要还原剂,通过深度加氢脱硫可生产出低硫清洁油品,对于防治大气污染具有重要的意义。受制氢工艺的限制,载氢管道内的氢气含有一定浓度的杂质气体,杂质气体不仅会影响产品质量,还提高了企业的采购成本。由于氢气、甲烷等气体的易燃易爆性,目前石化企业通常采用离线分析技术对氢气成分进行定期采样分析,但是其分析结果往往存在一定滞后性,且自动化程度低,人工采样也存在很大的安全隐患。针对此,本论文提出将具有本征安全和远距离测量特征的光纤传感技术用于对载氢管道气体成分的在线测量,深入研究了一种基于拉曼光谱分析技术的气体成分光纤传感在线测量系统。论文的主要工作概括如下:(1)在分析和比较了目前常用的气体成分分析方法的基础上,结合光纤传感技术的优势,提出了一种基于拉曼光谱分析技术的气体成分光纤传感在线测量系统的研究思路。(2)研究了拉曼光谱分析技术的基本理论,针对武汉石化载氢管道的特点,设计了一种基于光学F-P增强腔的气体样品池。对F-P增强腔的增强效果进行了理论分析和实际光路调试,结果表明该增强腔能够对拉曼散射信号达到50倍左右的增强。(3)根据武汉石化载氢管道气体成分的变化特征,搭建了一套模拟管道气体变化的光纤传感探测系统,进行了多种甲烷/氢气标准混合气体的拉曼光谱探测实验研究。在对测得的光谱信号进行小波去噪和背景扣除的基础上,对甲烷和氢气的拉曼光谱特征峰建立了单变量校准曲线,校准曲线对甲烷和氢气的交叉检验标准差分别达到0.5139%和0.6684%;另外采用偏最小二乘算法构建了两种气体的多变量分析模型,该模型对甲烷和氢气的交叉检验标准差分别降低到0.3600%和0.4825%。(4)设计并在石化载氢管道现场安装了在线测量系统,利用LabVIEW平台开发了一套基于拉曼光谱分析技术的气体成分光纤传感在线测量软件,实现了光谱数据采集、数据预处理,气体浓度计算以及实时显示等功能。(5)对在线测量系统进行了现场试验研究,分别采用已建立的单变量校准曲线和偏最小二乘模型对管道内未知成分的甲烷/氢气进行定量分析,并将分析结果与武汉石化载氢管道气体的离线色谱分析结果进行比对。结果显示,通过偏最小二乘模型分析得到的结果稳定性好且准确性较高,其对管道内甲烷和氢气的最大测量误差分别为0.654%,0.612%。该测量结果已满足厂家的使用要求,该技术也可用于化工行业相关气体成分的在线测量。
【图文】：

加氢装置

图 1-2 现场加氢装置此可见，载氢管道内气体成分分析依靠人工操作还存在诸多问题，，析方式不能满足现代自动化生产的要求。因此研究一种对载氢管进行在线测量的系统，可有效提高石化生产企业的产品质量和工，还可以降低成本，具有重要的应用价值和巨大的经济价值。国内外气体成分分析方法研究现状体成分分析包括定性分析和定量分析，是指通过一定的技术手段体的化学组成和相对含量。现有气体传感器有电化学型、电学型和考虑到石化载氢装置内充溢着氢气、甲烷等易燃易爆气体，电学类大的技术风险，目前国内外应用较为广泛的分析方法主要是光学型相色谱分析技术、红外光谱分析技术以及拉曼光谱分析技术。气相色谱分析技术

镜面,光斑,增强腔,传感光纤

将镜片尺寸参数代入式(3-3)可得到 n≤50，即在 O 与 O’重合的情况下，最多可有 50 条光线聚焦增强，在 O 与 O视形⑿【嗬氲那榭鱿拢瓷涔庀呋岣唷-P 增强腔的实际增强效果可以通过光学实验平台验证，如图 3-6 所示。运用三维调整器及光学滑动导轨调整两个凹面反射镜间的距离以及激光的入射角度，图 3-6(b)~图 3-6(d)中镜面上的光斑成圆形阵列分布，个数分别达到 13 个，17 个以及 25 个。腔内光线的条数是光斑个数的两倍，由此该 F-P 腔最大可实现约 50 倍的拉曼散射信号增强。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657.37;TQ116.02

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