隨著全球對氣候變暖和溫室氣體排放的關注，天然氣市場正在經歷范式轉變。天然氣正在取代煤炭，成為發電的主要化石燃料，可再生天然氣正在由生物原料生產出來，氫氣正與天然氣混合以減少二氧化碳排放。
所有這些努力都產生了對天然氣流進行分析的需求，以確保監管轉移的天然氣質量，并準確測量和控制雜質。一直以來，這項任務都是由工業氣相色譜儀 (GC) 來完成的，這種儀器工作出色，但價格昂貴。
幸運的是，更小但功能齊全的氣相色譜儀產品正在進入市場，可以更好地滿足這一不斷增長的需求。本文討論了用戶在為天然氣應用選擇在線氣相色譜儀時應該考慮的關鍵特性。
01 更復雜的應用需求
直到最近，天然氣應用還相當簡單。在天然氣井中產生氣體，去除水、硫化氫和二氧化碳等雜質，然后通過管道運送給客戶。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。
隨著全球應對氣候變暖的努力不斷加強，這一過程變得更復雜。現在，可以從各種可再生資源中生產天然氣，包括糞便、食物殘渣、動物脂肪、垃圾填埋材料和其它資源。其中的任何一個來源都有可能將各種雜質帶入氣體，必須檢測和控制每一種雜質。
這一市場轉變也使天然氣生產商的數量增加了一個數量級，突然產生了大量尋求將天然氣注入運輸網絡的公司。每個注入點都需要對進入的天然氣進行全面分析，以確保其符合天然氣質量規范以及管網的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量控制和貿易交接中，
現場安裝的工業氣相色譜儀正變得不可或缺。
適用于此類應用的最佳技術是氣相色譜儀，它引導氣體樣品通過一個長的填充柱擴散。每種氣體組分的沸點不同，會以不同速率通過填充柱，當它到達末端的檢測器時，會產生可測量的電響應，通常稱為峰值。通過測量峰值的大小和時間，氣相色譜儀可以確定每種樣品氣體成分的存在和濃度。基于這些結果，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，氣相色譜儀一直部署在實驗室內。該設備體積龐大、價格高昂，且具有非常高的靈敏度。需要一名訓練有素的實驗室技術人員準備和注入樣品并解釋結果，這可能需要數小時。現在的天然氣行業需要一種堅固耐用、現場安裝的氣相色譜儀，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色譜儀產品的出現，通常稱為在線氣相色譜儀。
02 選擇工業氣相色譜儀的四個標準
成功的工業色譜儀裝置需要許多關鍵功能，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。通常可以將這些特征分為四類：
■ 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，本文重點介紹與天然氣、沼氣和可再生天然氣的質量控制和貿易交接相關的需求和應用。
1 認證和測量
在評估監管權轉移應用時，首先要充分了解所需的測量和經過認證的計算。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生不利影響的雜質的能力。可再生天然氣應用則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
下一個需要評估的領域，應是在特定應用預期的環境條件下裝置的準確性(氣相色譜儀術語中的可重復性)和性能。雖然現場安裝的氣相色譜儀已經實現工業化，但事實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)。一個裝置在實驗室條件下可能非常準確，在現場天氣和其它條件發生變化時，其表現就要差得多。
▲圖2：候選的分析儀必須能夠在各種環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℉的溫度范圍內經歷了18小時的溫度循環，以確認其在極端環境條件下的性能。
在評估候選的氣相色譜儀時，最終用戶應考慮在受控和極端環境條件下的可重復性。某些型號可能需要安裝在溫控柜中，以滿足其公布的性能規格。其它裝置安裝在工業級的機柜中，可用于1級1區，為采樣點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 ℉ 的環境溫度范圍。為確保氣相色譜儀的性能，在制造過程中通常會對其進行環境試驗。
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，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便性方面具有突出的關鍵功能。
最終用戶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單，可以采用更簡單、成本更低的單探測器設計。不過，分析時間很重要，因此必須評估執行測量所需的時間。通常要求進行4分鐘的C6+測量。
最有用的一個關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對配置、操作、校準和維護產生重大影響。
▲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、訪問報警和診斷、
配置和校準裝置以及執行關鍵維護任務。
功能齊全的操作員界面，應允許用戶訪問當前和過去的分析報告，檢查和確認報警，啟動和停止分析，修改配置，運行校準和驗證周期，以及訪問維護和診斷數據。
除了本地接口外，該裝置還應包括一個軟件應用，可用于配置、操作和維護該裝置，還可以訪問詳細的測量分析細節(圖4)。該軟件應支持多個氣相色譜儀，允許本地和遠程操作和配置，并能夠對結果進行詳細分析。
▲圖4:氣相色譜儀軟件應包括以下功能：a)簡單的下拉菜單，b)訪問多個氣相色譜儀，c)完整的測量顯示，d)響應因子，e)定時事件表，f)組件列表，g)疊加讀取存檔讀數，h)保存到硬盤的功能。
氣相色譜儀應包含足夠大的內存來存儲數千個分析結果。功能更強大的裝置可以在4分鐘的周期時間內，存儲數上百天的分析結果，保存一年的校準和驗證記錄，并提供一年或更長時間內多達250個變量的小時、日和周平均值。
在單個分析儀中切換并處理多個樣品流的能力，在某些應用中可能是一個有用的功能，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，甚至一些專用載氣替代品。請注意，當使用切換氣流時，任何一個氣流的測量間隔時間都會延長，因此在測量多個氣流時，快速測量可能至關重要。
通常提供本地I/O點和多種通信選項。本地I/O的具體要求因應用而異，但通常需要至少一個或兩個模擬輸出用于就地控制，可能需要一個數字輸出用于報警。應支持多種串行和以太網通信。
氣相色譜儀能否成功應用的最重要環節之一，是為其提供原料的樣品調節系統。如果樣品沒有準備好，任何氣相色譜儀都無法快速運行。設計合理的樣品調節系統，可以提供及時、干凈、干燥的樣品，這些樣品在調節過程中沒有發生化學變化。一些用戶擁有設計自己系統的知識和經驗，但許多用戶必須依靠外部幫助，才能進行這種專門的設計工作。氣相色譜儀供應商或其合作伙伴應提供這項關鍵服務，并應提供將樣品調節設備整合到氣相色譜儀模塊中的簡單方法。
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鍵功能，包括配置和啟動調試支持，以及自動校準和驗證程序。該軟件還應提供閥門時間自動調整以優化性能，并應提供指導以簡化日常維護，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個月才會使用一個氦氣瓶，而一個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，還可以進一步降低運營成本。
當氣相色譜儀出現問題時，軟件應包括各種報警和診斷，以幫助技術人員快速識別和糾正問題。如果發生重大故障，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、簡單地進行更換。可以在現場輕松更換整個模塊，軟件有一個嵌入式應用，可以在啟動時對新模塊進行自動校準，以恢復氣相色譜儀服務。如果需要維修而不是更換，用戶也可以對模塊進行維修。(圖片來源：艾默生)
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