暗藏在湖底的危機(jī)

　　圖1、非洲盧旺達(dá)基伍湖

　　盧旺達(dá)的基伍湖風(fēng)景如畫(huà)，被譽(yù)為“非洲大湖”之一?；楹眰?cè)有一座活火山，數(shù)千年的火山活動(dòng)導(dǎo)致甲烷和二氧化碳大量積累溶解在基伍湖深處?？茖W(xué)家認(rèn)為基伍湖看似平靜，卻危險(xiǎn)重重，大約有3000億立方米的溶解二氧化碳、600億立方米的甲烷以及含有有毒的硫化氫潛藏湖底。這些溶解的氣體隨時(shí)可能以湖沼噴發(fā)的形式爆炸性地釋放，一旦爆發(fā)，不僅會(huì)釋放致命的二氧化碳，還可能引起甲烷爆炸，引發(fā)災(zāi)害。

　　圖2、基伍湖分層深水區(qū)示意圖

湖底甲烷變身可持續(xù)能源

　　對(duì)周邊人口及國(guó)家來(lái)說(shuō)，氣藏既是一種潛在的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也是一種自然資源。基伍湖在分層深水區(qū)(低于250米)中有大量溶解甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，高達(dá)約20 mmol/l的甲烷濃度足以用于商業(yè)氣體提取和發(fā)電。 ContourGlobal 將在基伍湖上實(shí)施了一個(gè)發(fā)電計(jì)劃，利用基伍湖深水中發(fā)現(xiàn)的高濃度甲烷氣體來(lái)發(fā)電。這一項(xiàng)目被稱為KivuWatt項(xiàng)目，由多邊投資擔(dān)保機(jī)構(gòu)(Multilateral Investment Guarantee Agency，簡(jiǎn)稱“MIGA”)投資擔(dān)保1.42億美元為該項(xiàng)目提供支持，于2015年12月投入使用。

　　KivuWatt項(xiàng)目是世界第一個(gè)漂浮在湖中的天然氣開(kāi)采平臺(tái)，為了安全開(kāi)采基伍湖的甲烷，天然氣提取設(shè)施位于湖岸13公里處，連接至湖底。項(xiàng)目從350米深處取水，氣體提取過(guò)程通過(guò)氣體分離器，從壓力35-2bar的載氣水中提取出含有CH4的氣泡，然后在四個(gè)洗滌塔中洗滌原始?xì)怏w，最終產(chǎn)生潔凈的高濃度甲烷氣體，通過(guò)一條13公里長(zhǎng)的半淹沒(méi)管道輸送到湖岸邊26兆瓦的發(fā)電廠。發(fā)電廠內(nèi)的大型內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組將沼氣能量轉(zhuǎn)化為電能，為盧旺達(dá)國(guó)家公用電力系統(tǒng)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(dá)KivuWatt項(xiàng)目示意圖

　　為確保輸送到發(fā)電廠的氣體符合內(nèi)燃機(jī)對(duì)燃?xì)獾馁|(zhì)量要求，盧旺達(dá)KivuWatt項(xiàng)目需要在氣體提取平臺(tái)上安裝一個(gè)可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的沼氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)來(lái)自3個(gè)不同工藝點(diǎn)的天然氣氣體質(zhì)量數(shù)據(jù)：原始?xì)怏w，提純后的氣體，以及火炬氣。這三個(gè)工藝點(diǎn)分別決定了前端氣體提取工藝的穩(wěn)定運(yùn)行、氣體洗滌和提純工藝的效率。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到控制系統(tǒng)，確保氣體提取裝置處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，避免資源浪費(fèi)。

　　為了精準(zhǔn)檢測(cè)氣體成分，項(xiàng)目需要直接測(cè)量原始?xì)怏w的成分，包括甲烷、二氧化碳、硫化氫、O2和N2。其其中，為確保原料氣的質(zhì)量，N2必須直接測(cè)量，不能通過(guò)計(jì)算得出；而且需要實(shí)時(shí)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，確保工藝的正常運(yùn)轉(zhuǎn)并盡量降低維護(hù)周期和停機(jī)檢修帶來(lái)的損失，以達(dá)到最佳生產(chǎn)效率。

聚焦激光拉曼技術(shù)，高端氣體分析儀器走向國(guó)際

　　為實(shí)現(xiàn)以上監(jiān)測(cè)目的，KivuWatt項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)前期曾安裝英國(guó)某品牌在線式紅外沼氣分析儀，但受限于測(cè)量原理，該分析儀不能直接檢測(cè)N2，N2靠差減法計(jì)算獲得。一旦某個(gè)組分的測(cè)量精度不達(dá)標(biāo)，將直接導(dǎo)致N2讀值的精度產(chǎn)生較大偏差，造成工藝報(bào)警及緊急狀態(tài)處理，影響效率。另外，該系統(tǒng)中的H2S測(cè)量采用電化學(xué)原理，精度無(wú)法達(dá)到工藝要求，且壽命短需要經(jīng)常停機(jī)維護(hù)。為確保檢測(cè)精度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，項(xiàng)目曾彌補(bǔ)性地采用氣相色譜(GC)技術(shù)進(jìn)行定期的高精度檢查，雖然能滿足較高精度的測(cè)量要求，但氣相色譜(GC)技術(shù)不能實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)，操作復(fù)雜，而且還需要高頻維護(hù)和耗材成本，無(wú)法作為自動(dòng)化生產(chǎn)的方案。

　　針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同技術(shù)路線和不同供應(yīng)商方案的比較，KivuWatt項(xiàng)目最終采用了四方光電激光拉曼在線防爆型分析系統(tǒng)，替代現(xiàn)場(chǎng)的紅外沼氣分析儀，提供高精度、低維護(hù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。激光拉曼原理可直接精確測(cè)量N2濃度，且提供高精度和長(zhǎng)壽命的H2S測(cè)量解決客戶的痛點(diǎn)。該方案將儀表集成在正壓防爆柜內(nèi)，*適用于危險(xiǎn)場(chǎng)景的使用。

　　圖4、上：實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式分析儀 下：在線防爆型分析系統(tǒng)

　　四方光電激光拉曼在線防爆分析系統(tǒng)，主要由預(yù)處理單元、控制單元、分析單元三部分組成，專(zhuān)為中低粉塵工作環(huán)境設(shè)計(jì)。產(chǎn)品采用PLC程序控制，可以自動(dòng)完成3個(gè)采樣通道之間的切換，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)無(wú)人值守操作。極大降低了手動(dòng)負(fù)載，保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、連續(xù)的自動(dòng)在線運(yùn)行。

■     預(yù)處理裝置

　　預(yù)處理裝置通過(guò)對(duì)進(jìn)氣電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)氣體采樣的三通道循環(huán)切換。在氣體凈化提純過(guò)程中，采用過(guò)濾精度為5um的氣水分離器，將液態(tài)水從樣品氣體中分離出來(lái)，同時(shí)過(guò)濾樣品氣體；初次過(guò)濾后的氣體通過(guò)半導(dǎo)體冷凝器，去除樣品氣體中可凝固的氣態(tài)水。整個(gè)過(guò)程用到的過(guò)濾器均設(shè)有自動(dòng)排水裝置，確保系統(tǒng)自動(dòng)完成正常的取樣與排水過(guò)程。最后采用過(guò)濾精度為0.1um的精密過(guò)濾器，確保樣品氣體滿足分析儀器的使用要求，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的可靠性。

■     控制單元

　　激光拉曼氣體分析儀通過(guò)內(nèi)置IPC上的定制操作軟件實(shí)時(shí)顯示所有數(shù)據(jù)，并通過(guò)MODBUSTCP協(xié)議提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出，并為每個(gè)氣體組件提供4-20mA的模擬輸出。

■     分析單元

　　分析單元為四方光電旗下儀器儀表子公司四方儀器自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多組分激光拉曼分析儀。它采用激光拉曼氣體特征指紋譜技術(shù)，通過(guò)對(duì)待測(cè)氣體的特征拉曼散射光譜進(jìn)行增強(qiáng)、收集、處理和識(shí)別，可對(duì)氣體成分進(jìn)行定量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)對(duì)多種類(lèi)氣體進(jìn)行定性及定量監(jiān)測(cè)，保障KivuWatt基伍瓦特項(xiàng)目長(zhǎng)期穩(wěn)定的自動(dòng)在線運(yùn)行。

■     激光拉曼氣體全組分分析的優(yōu)勢(shì)

　　激光拉曼光譜技術(shù)是基于氣體拉曼散射的光譜類(lèi)氣體分析技術(shù)。其利用高光束質(zhì)量的激光器發(fā)出特定波長(zhǎng)的激光，經(jīng)過(guò)消色差透鏡在氣體室中聚焦，在焦點(diǎn)位置激光和氣體分子相互碰撞產(chǎn)生拉曼散射。拉曼特征峰的強(qiáng)度和氣體濃度值成正比，通過(guò)光譜儀測(cè)量和分析拉曼特征峰的位置和強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)多組分氣體的同時(shí)測(cè)量。由于拉曼散射光譜的激發(fā)和收集是瞬時(shí)進(jìn)行，時(shí)間很短并可實(shí)時(shí)進(jìn)行信號(hào)收集，因此和色譜GC、質(zhì)譜MS相比，拉曼光譜儀具有更快的響應(yīng)速度。

　　表1、不同技術(shù)原理對(duì)比分析

　　激光拉曼氣體分析儀不僅可以測(cè)量生物天然氣的全組分，還可以對(duì)石油裂解氣體、鋼鐵冶金過(guò)程氣體、現(xiàn)代煤化工過(guò)程氣體等的全組分測(cè)量。目前通過(guò)一個(gè)激光光譜分析探頭，可以實(shí)現(xiàn)CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、CO、CO2、H2、O2、N2、H2S、H2O等在內(nèi)混合氣體的做組分實(shí)時(shí)定量檢測(cè)。

　　圖5、盧旺達(dá)KivuWatt項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

　　經(jīng)過(guò)在盧旺達(dá)生物天然氣現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際性能驗(yàn)證以及嚴(yán)格測(cè)試評(píng)估，四方光電激光拉曼氣體分析儀被項(xiàng)目評(píng)估團(tuán)隊(duì)批準(zhǔn)，今后將被優(yōu)先應(yīng)用于該客戶即將投建的其他沼氣發(fā)電廠項(xiàng)目中。