Промышленные газовые хроматографы

Что такое промышленный газовый хроматограф?

Газовая хроматография — метод разделения и измерения, при котором проба смеси переносится через колонку потоком газа-носителя. Компоненты по-разному взаимодействуют с неподвижной фазой колонки и поэтому выходят из нее в разное время. Каждый компонент достигает детектора со своим характерным временем удерживания, а по площадям пиков на хроматограмме — записи сигнала детектора во времени — рассчитываются концентрации компонентов.

Промышленный газовый хроматограф переносит этот метод из лаборатории на технологический объект. Он отбирает пробу непосредственно из технологической линии, самостоятельно повторяет цикл анализа, через заданные интервалы анализирует калибровочный и валидационный газ и непрерывно передает результаты в систему управления. В результате данные о составе поступают к эксплуатационному персоналу в течение нескольких минут и без перерывов, а не через несколько часов в виде лабораторного протокола.

В газовой отрасли хроматограф — основной анализатор для расчета теплоты сгорания, определяющей энергосодержание газа, и точки росы по углеводородам, критически важной для эксплуатации газопроводов. На НПЗ, газоперерабатывающих и нефтехимических предприятиях он контролирует состав сырья и продуктов реакторов и дает данные для управления процессом, подтверждения качества продукции и отслеживания микропримесей. Рассматриваемые на этой странице хроматографы полевого исполнения рассчитаны на установку рядом с точкой измерения без блок-бокса анализаторов.

Принцип работы потоковой газовой хроматографии

В потоковом газовом хроматографе каждый цикл анализа — от выбора пробы до передачи рассчитанных результатов в систему управления — состоит из последовательности полностью автоматических этапов:

1.      Выбор потока и отбор пробы: Подготовленная проба поступает в анализатор через встроенный модуль переключения потоков. Электромагнитные клапаны управляются инертным газом; несколько точек отбора можно анализировать поочередно, а для потоков с существенно разным составом доступна схема двойной отсечки с дренажом, исключающая перекрестное загрязнение.

2.      Ввод пробы: Мембранный хроматографический кран с пневмоприводом вводит газ из дозирующей петли фиксированного объема в поток газа-носителя. Работой кранов управляют временные таблицы событий аналитического метода; комбинации 6- и 10-портовых кранов обеспечивают обратную продувку предколонки и переключение колонок.

3.      Разделение в колонках: Газ-носитель проводит пробу через колонки, размещенные в изотермическом термостате с регулируемой температурой. Компоненты движутся с разной скоростью в зависимости от взаимодействия с неподвижной фазой и разделяются; легкие компоненты, как правило, выходят первыми, тяжелые углеводороды — позже.

4.      Детектирование: Каждый компонент, выходящий из колонки, образует пик на детекторе. В зависимости от задачи применяется детектор по теплопроводности (ДТП, TCD), пламенно-ионизационный (ПИД, FID) или микропламенно-фотометрический детектор (микро-ПФД, µFPD) в конфигурации с одним или двумя детекторами.

5.      Идентификация и интегрирование пиков: Пики идентифицируются по временам удерживания, а их площади рассчитываются интегрированием по фиксированному времени или с автоматическим определением наклона. Времена удерживания обновляются при калибровке или непосредственно в ходе анализа, что компенсирует дрейф, вызванный изменением температуры и расхода.

6.      Расчет и формирование отчетов: Площади пиков пересчитываются в мольные доли с помощью коэффициентов чувствительности, определенных по калибровочному газу. По составу рассчитываются физические свойства — теплота сгорания, плотность — и точка росы по углеводородам; результаты архивируются вместе со средними значениями и аварийными сигналами и передаются в систему управления.

Детекторы: ДТП, ПИД и микро-ПФД

Детектор по теплопроводности (ДТП) реагирует на разницу теплопроводности компонентов пробы и газа-носителя и чувствителен практически ко всем компонентам природного газа и легких углеводородных потоков. Высокочувствительная конструкция ДТП во многих задачах позволяет измерять и низкие концентрации на уровне ppm, что снижает потребность в более сложных детекторах.

Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) измеряет ионный ток, возникающий при сгорании органических соединений в водородном пламени, и обнаруживает следовые углеводороды в концентрациях на уровне ppb. Компактный ПИД высотой менее 76 мм размещается внутри взрывонепроницаемой оболочки анализатора. Микропламенно-фотометрический детектор (микро-ПФД) с помощью фотоэлектронного умножителя регистрирует характерное излучение соединений серы в пламени и обеспечивает анализ серы на уровне ppb; этот детектор встроен в термостат анализатора и не требует приборного воздуха.

Микронасадочные и капиллярные колонки

Микронасадочные колонки сочетают быстроту и четкое разделение пиков, характерные для капиллярных колонок, с надежностью классических насадочных колонок и при этом расходуют мало газа-носителя. В термостате размещается до 27 м микронасадочной колонки с наружным диаметром 1/16 дюйма либо, если этого требует задача, до 91 м капиллярной колонки. Набор колонок проектируется под каждое применение с учетом перечня компонентов и целевой длительности цикла.

Автоматическая калибровка, валидация и интегрирование пиков

Калибровочный поток входит в последовательность переключения потоков анализатора. В калибровочном цикле анализируется газ известного состава, рассчитываются новые коэффициенты чувствительности и времена удерживания, а также дрейф относительно предыдущей калибровки. В валидационном цикле измеренные значения сравниваются с номинальными, и в протокол заносятся отклонение в процентах и допустимый предел отклонения. Эти записи упрощают документальное подтверждение качества измерений при аудитах.

Длительность цикла анализа зависит от перечня компонентов, набора колонок и числа кранов. В типовых задачах для природного газа анализ C6+ выполняется с циклом три минуты, анализ C9+ — с циклом пять минут.

Ключевые особенности

·         Модульный аналитический термостат без воздушного нагрева: Двухзонный изотермический термостат имеет простую архитектуру с минимумом проводки и откидную верхнюю панель, открывающую полный доступ к компонентам; все узлы внутри термостата обслуживаются на месте.

·         До шести хроматографических кранов: В термостате устанавливается до шести мембранных кранов 6- или 10-портового исполнения, из них не более четырех 10-портовых. Такой запас позволяет решать сложные задачи одним анализатором, а стандартные анализы выполнять за более короткий цикл.

·         Двухмембранные краны с низкими затратами на обслуживание: Двухмембранные краны без пружин, уплотнительных колец и смазки рассчитаны более чем на пять миллионов циклов; замена комплекта мембран обычно занимает меньше десяти минут.

·         Несколько вариантов детекторов: ДТП для измерений вплоть до низких концентраций на уровне ppm, ПИД для углеводородов на уровне ppb и микро-ПФД для серы на уровне ppb — в конфигурации с одним или двумя детекторами в зависимости от задачи.

·         Встроенный модуль переключения потоков: Встроенный модуль на четыре или восемь потоков избавляет от внешних узлов переключения; при внешнем управлении число потоков расширяется до 20. Для потоков переменного состава предусмотрен вариант с двойной отсечкой и дренажом.

·         Обширный архив данных: 31 744 записи результатов анализа — более 88 суток при цикле четыре минуты — а также по 370 итоговых записей калибровки и валидации хранятся с метками времени во флэш-памяти объемом 2 ГБ.

·         Структура записей, готовая к аудиту: Журналы данных и событий соответствуют API 21.1 для аудита узлов учета. Журналы событий, аварийных сигналов и обслуживания вместе с четырехуровневой парольной защитой повышают прослеживаемость.

·         Расширяемые входы и выходы: В стандартной комплектации — пять дискретных входов, пять дискретных выходов, два аналоговых входа и шесть изолированных аналоговых выходов; два слота расширения увеличивают число аналоговых выходов до 14.

·         Опциональный местный интерфейс оператора: Цветной VGA-дисплей 12 дюймов с инфракрасными сенсорными кнопками позволяет запускать анализатор, менять настройки калибровочного газа и просматривать хроматограммы на месте без ноутбука; интерфейс сохраняет взрывозащиту анализатора.

·         Индикаторы состояния на передней панели: Зеленый, желтый и красный светодиоды показывают состояние анализатора, дополнительные светодиоды — положение кранов и состояние процессора; каждый кран можно переключить вручную для поиска неисправностей и быстрой продувки после обслуживания.

Технические характеристики

В таблице собраны аппаратные характеристики и аналитические показатели промышленного газового хроматографа полевого исполнения. Измеряемые компоненты, диапазоны и длительность цикла определяются аналитической схемой под конкретное применение, поэтому окончательные значения фиксируются в опросном листе применения на этапе коммерческого предложения.

Максимальная рабочая температура термостата в зависимости от конфигурации указывается как 120 °C или 150 °C; значение для конкретного применения следует подтвердить на этапе проекта. Температурный класс зависит от выбранных опций (см. раздел о сертификатах для взрывоопасных зон).

Основные преимущества

·         Полевой монтаж без обязательного блок-бокса: Конструкция, пригодная для установки на открытой площадке без ущерба для аналитических характеристик, и допуск во взрывоопасную зону без продувочного газа позволяют существенно сократить затраты на блок-боксы, системы ОВК и продувки.

·         Комплексный анализ одним прибором: Возможность установки нескольких кранов и детекторов позволяет объединить разные аналитические задачи в одном приборе и сократить число анализаторов и номенклатуру запасных частей на станциях газопроводов.

·         Низкие эксплуатационные расходы: Малый расход газа-носителя микронасадочными колонками, умеренное энергопотребление и микро-ПФД без приборного воздуха ограничивают затраты на расходные материалы и инфраструктуру.

·         Короткие окна обслуживания: Полный доступ к компонентам термостата, замена мембран кранов за считанные минуты и простая проводка сокращают время, на которое анализатор выводится из работы при плановом обслуживании.

·         Достоверность и прослеживаемость измерений: Автоматические циклы калибровки и валидации, архив с метками времени и журналы аудита упрощают ретроспективную проверку результатов и позволяют отвечать на претензии документально подтвержденными данными.

·         Гибкая интеграция в систему: Один из двух Ethernet-интерфейсов можно подключить к сети обслуживания предприятия, другой — по Modbus TCP к сети управления; удаленный доступ можно организовать и через шлюз сотовой связи.

·         Стабильный анализ в широком диапазоне температур: В конфигурации с ДТП анализатор работает при температуре окружающей среды от –20 до +60 °C, поэтому расчет теплоты сгорания и точки росы по C9+ остается надежным даже на площадках без климат-контроля.

Области применения

Промышленные газовые хроматографы применяются везде, где нужно непрерывно контролировать отдельные компоненты газовых или жидкостных потоков: в газовой отрасли и нефтепереработке, на нефтехимических предприятиях, в энергетике и экологическом мониторинге.

Газотранспортные станции и узлы учета газа

В точках контроля газопроводов и коммерческого учета непрерывно определяются состав газа, теплота сгорания (BTU) и точка росы по углеводородам. Вычислитель расхода объединяет данные о составе от хроматографа с показаниями объемных средств измерения, например ультразвуковых расходомеров газа, и рассчитывает количество энергии.

Газопереработка, ШФЛУ/СПГ и криогенные установки

На установках получения широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), сжиженного природного газа (СПГ) и криогенного разделения газа контролируется состав сырья и продуктов, чтобы проверять эффективность разделения и соответствие продукции спецификации.

Нефтеперерабатывающие заводы

На установках каталитического риформинга, изомеризации и получения ароматических углеводородов анализируются сырье и продукты реакторов. Данные передаются в систему управления процессом для оптимизации установок и непрерывного подтверждения качества продукции.

Нефтехимические и полимерные производства

На этиленовых и полимерных производствах наряду с основными компонентами контролируются микропримеси; измерение углеводородов на уровне ppb детектором ПИД и серы на уровне ppb детектором микро-ПФД важно для защиты катализаторов и чистоты продукции.

Энергетика и газовые турбины

Контроль состава и теплоты сгорания топливного газа, подаваемого на газовые турбины, помогает корректировать режим горения при изменении качества газа.

Экологический мониторинг

Конфигурации с детектором ПИД применяются для мониторинга атмосферного воздуха и контроля высокореакционных летучих органических соединений (HRVOC) на факелах и градирнях.

Как выбрать промышленный газовый хроматограф

Успех применения промышленного газового хроматографа зависит не столько от аппаратной части, сколько от точного описания аналитической задачи. Полная проработка следующих вопросов — основа правильной конфигурации анализатора:

Требования к анализу

·         Перечень измеряемых компонентов и ожидаемый диапазон для каждого (проценты, ppm или ppb)

·         Потребность в анализе природного газа C6+, C7+ или C9+; нужен ли расчет теплоты сгорания и точки росы по углеводородам

·         Компоненты, для которых нужен специальный детектор, например соединения серы или следовые углеводороды

·         Целевая длительность цикла анализа и требования к повторяемости

Проба и конфигурация потоков

·         Число анализируемых потоков и схема калибровочных и валидационных потоков

·         Фазовое состояние пробы (газ или жидкость); необходимость ввода жидкой пробы

·         Давление, температура и точка росы пробы; потребность в обогреве

·         Необходимость двойной отсечки с дренажом для потоков с сильно различающимся составом

Условия площадки и взрывоопасная зона

·         Классификация взрывоопасной зоны, группа газов и требуемый температурный класс (опции обогрева и ввода жидкой пробы влияют на температурный класс)

·         Минимальная и максимальная температура окружающей среды в месте установки; рабочий диапазон выбранного детектора

·         Предпочтительный способ монтажа — напольный, настенный или на трубной стойке — и зона обслуживания

·         Доступное электропитание: 120/240 В перем. тока или 24 В пост. тока

Вспомогательные газы и инфраструктура

·         Тип газа-носителя (гелий, азот или водород) и логистика снабжения

·         Подача газа и регулирование давления для пневмопривода кранов

·         Обеспечение вспомогательными газами для пламени при использовании ПИД или микро-ПФД

·         Состав калибровочных и валидационных газов и требования к их сертификации

Связь и управление данными

·         Способ связи с РСУ, SCADA или вычислителем расхода: Modbus TCP, последовательный Modbus или 4–20 мА

·         Необходимое число аналоговых и дискретных входов и выходов, потребность в платах расширения

·         Удаленный доступ, уровни прав пользователей и требования информационной безопасности

·         Журналы аудита, виды отчетов и требуемый срок хранения данных

Каким бы чувствительным ни был хроматограф, результат не будет верным, если поступающая на анализ проба не представляет процесс. Поэтому системы подготовки пробы — пробоотборный зонд, редуцирование давления, фильтрация, обогрев и линии сброса — нужно проектировать вместе с анализатором и с той же тщательностью. Для контроля риска утечек горючих газов вдоль линии пробы и на анализаторной площадке следует также предусмотреть местные средства обнаружения газа, например инфракрасные детекторы газа.

Сертификаты для взрывоопасных зон и стандарты связи

Ниже кратко приведены сертификаты для взрывоопасных зон и поддерживаемые стандарты промышленного газового хроматографа полевого исполнения. Область действия сертификатов зависит от выбранной аппаратной конфигурации.

Во взрывоопасных зонах компоненты, добавляемые в систему пробоподготовки, например регуляторы с испарителем и реле потока, также должны иметь соответствующие сертификаты. Национальные или региональные метрологические требования к средствам измерений для коммерческого учета следует уточнить в начале проекта в соответствии с нормативами, действующими для объекта.

Решения TLY Enerji для онлайн-анализа газов

Для TLY Enerji промышленный газовый хроматограф — не отдельный прибор, а аналитическая система, которая начинается в точке отбора пробы и заканчивается в системе управления. Наши инженеры рассматривают перечень компонентов, диапазоны измерения, число потоков и целевую длительность цикла вместе с технологическими данными и проверяют, соответствует ли задаче конфигурация детекторов, кранов и колонок.

Мы сопровождаем заказчиков на протяжении всего проекта: проектирование пробоподготовки и линии пробы, планирование инфраструктуры газа-носителя и калибровочных газов, выполнение требований для взрывоопасных зон, интеграция результатов анализа в вычислители расхода, РСУ или SCADA по Modbus или 4–20 мА. На узлах учета природного газа мы планируем хроматограф вместе с измерением расхода, чтобы расчет энергии был согласован от начала до конца, и участвуем в пусконаладке, подготовке документации и инструктаже персонала объекта.

Часто задаваемые вопросы

Чем промышленный газовый хроматограф отличается от лабораторного?

Оба прибора используют один и тот же принцип разделения; различается режим работы. Промышленный газовый хроматограф автоматически отбирает пробу непосредственно из линии, непрерывно повторяет цикл анализа, самостоятельно выполняет калибровку и валидацию и в реальном времени передает результаты в систему управления. Кроме того, приборы полевого исполнения имеют сертифицированную для взрывоопасных зон взрывонепроницаемую оболочку и широкий диапазон температуры окружающей среды, поэтому их можно устанавливать рядом с точкой измерения.

Как определяется теплота сгорания природного газа с помощью хроматографа?

Хроматограф измеряет мольные доли метана, этана, пропана, бутанов, пентанов, гексанов и более тяжелых углеводородов, а также азота и диоксида углерода. Теплота сгорания рассчитывается как сумма известных теплот сгорания отдельных компонентов, взвешенных по их измеренным долям. При контролируемой температуре среды анализ C6+ с циклом три минуты обеспечивает повторяемость по теплоте сгорания ±0,0125 %.

Чем отличаются анализы C6+, C7+ и C9+?

Различие — в способе представления тяжелых углеводородов. При анализе C6+ гексан и более тяжелые компоненты измеряются одной группой; при анализе C7+ отдельно определяются гептаны; при анализе C9+ дополнительно по отдельности измеряются октаны и нонан. Для теплоты сгорания в большинстве случаев достаточно C6+, но для надежного расчета точки росы по углеводородам предпочтителен расширенный анализ C9+, поскольку этот расчет требует детальных данных о тяжелых компонентах.

Для каких задач применяются детекторы ДТП, ПИД и микро-ПФД?

ДТП — наиболее распространенный детектор для анализа природного газа и легких углеводородов: он реагирует на большинство компонентов и позволяет измерять вплоть до низких концентраций на уровне ppm. ПИД применяется для измерения следовых углеводородов на уровне ppb, микро-ПФД — для соединений серы на уровне ppb. Конфигурация с одним или двумя детекторами выбирается по перечню компонентов, который требует задача.

Может ли газовый хроматограф рассчитывать точку росы по углеводородам?

Да. Точка росы по углеводородам рассчитывается по детальному составу тяжелых углеводородов. Необходимые для этого данные дает расширенный анализ C9+, в котором октан и нонан измеряются по отдельности. Анализ C9+ обычно выполняется с циклом пять минут, и по тому же анализу рассчитывается теплота сгорания. Благодаря этому критически важную для эксплуатации газопровода точку росы можно контролировать непрерывно и автоматически.

Нужен ли блок-бокс для хроматографа полевого исполнения?

Рассматриваемые на этой странице хроматографы рассчитаны на полевую установку без блок-бокса и без ущерба для аналитических характеристик, а во взрывоопасной зоне работают без продувочного газа. С ДТП они работают при температуре окружающей среды от –20 до +60 °C. У ПИД и микро-ПФД диапазоны температуры уже, поэтому в экстремальном климате может понадобиться простой солнцезащитный навес или укрытие. Решение принимается по условиям площадки.

Сколько потоков пробы может анализировать один хроматограф?

Встроенный модуль переключения потоков выпускается на четыре или восемь потоков, причем калибровочный поток входит в это число. При внешнем управлении переключением можно анализировать до 20 потоков. Поскольку потоки анализируются поочередно, с ростом их числа каждый поток обновляется реже; поэтому число потоков, длительность цикла и требуемую для управления процессом частоту обновления нужно оценивать вместе.

Как хроматограф подключается к системе управления и вычислителю расхода?

Анализатор имеет два интерфейса Ethernet 10/100 Мбит/с, последовательные порты, настраиваемые на RS-485, RS-422 или RS-232, и изолированные аналоговые выходы 4–20 мА. Данные передаются в РСУ, SCADA и вычислители расхода по Modbus TCP или последовательному Modbus; выходы 4–20 мА предпочтительны там, где нужно использовать существующие кабельные линии. Платы расширения увеличивают число аналоговых выходов до 14.

Какие газы-носители используются в газовом хроматографе?

Выбор газа-носителя зависит от задачи; как правило, используется гелий, азот или водород нулевой чистоты. Выбор определяется измеряемыми компонентами, типом детектора, требуемой чувствительностью и возможностями снабжения газом на объекте. Малый расход газа-носителя микронасадочными колонками увеличивает интервалы замены баллонов и снижает логистическую нагрузку, особенно на удаленных станциях.