暗藏在湖底的危機

　　圖1、非洲盧旺達基伍湖

　　盧旺達的基伍湖風景如畫，被譽為“非洲大湖”之一。基伍湖北側有一座活火山，數千年的火山活動導致甲烷和二氧化碳大量積累溶解在基伍湖深處?？茖W家認為基伍湖看似平靜，卻危險重重，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)，不僅會釋放致命的二氧化碳，還可能引起甲烷爆炸，引發(fā)災害。

　　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

　　對周邊人口及國家來說，氣藏既是一種潛在的風險，同時也是一種自然資源?；楹诜謱由钏畢^(qū)(低于250米)中有大量溶解甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，高達約20 mmol/l的甲烷濃度足以用于商業(yè)氣體提取和發(fā)電。 ContourGlobal 將在基伍湖上實施了一個發(fā)電計劃，利用基伍湖深水中發(fā)現的高濃度甲烷氣體來發(fā)電。這一項目被稱為KivuWatt項目，由多邊投資擔保機構(Multilateral Investment Guarantee Agency，簡稱“MIGA”)投資擔保1.42億美元為該項目提供支持，于2015年12月投入使用。

　　KivuWatt項目是世界第一個漂浮在湖中的天然氣開采平臺，為了安全開采基伍湖的甲烷，天然氣提取設施位于湖岸13公里處，連接至湖底。項目從350米深處取水，氣體提取過程通過氣體分離器，從壓力35-2bar的載氣水中提取出含有CH4的氣泡，然后在四個洗滌塔中洗滌原始氣體，最終產生潔凈的高濃度甲烷氣體，通過一條13公里長的半淹沒管道輸送到湖岸邊26兆瓦的發(fā)電廠。發(fā)電廠內的大型內燃發(fā)電機組將沼氣能量轉化為電能，為盧旺達國家公用電力系統(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KivuWatt項目示意圖

　　為確保輸送到發(fā)電廠的氣體符合內燃機對燃氣的質量要求，盧旺達KivuWatt項目需要在氣體提取平臺上安裝一個可長期連續(xù)運行的沼氣監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測來自3個不同工藝點的天然氣氣體質量數據：原始氣體，提純后的氣體，以及火炬氣。這三個工藝點分別決定了前端氣體提取工藝的穩(wěn)定運行、氣體洗滌和提純工藝的效率。監(jiān)測數據實時反饋到控制系統(tǒng)，確保氣體提取裝置處于最佳運行狀態(tài)，避免資源浪費。

　　為了精準檢測氣體成分，項目需要直接測量原始氣體的成分，包括甲烷、二氧化碳、硫化氫、O2和N2。其其中，為確保原料氣的質量，N2必須直接測量，不能通過計算得出；而且需要實時在線連續(xù)監(jiān)測，確保工藝的正常運轉并盡量降低維護周期和停機檢修帶來的損失，以達到最佳生產效率。

聚焦激光拉曼技術，高端氣體分析儀器走向國際

　　為實現以上監(jiān)測目的，KivuWatt項目現場前期曾安裝英國某品牌在線式紅外沼氣分析儀，但受限于測量原理，該分析儀不能直接檢測N2，N2靠差減法計算獲得。一旦某個組分的測量精度不達標，將直接導致N2讀值的精度產生較大偏差，造成工藝報警及緊急狀態(tài)處理，影響效率。另外，該系統(tǒng)中的H2S測量采用電化學原理，精度無法達到工藝要求，且壽命短需要經常停機維護。為確保檢測精度的長期穩(wěn)定性，項目曾彌補性地采用氣相色譜(GC)技術進行定期的高精度檢查，雖然能滿足較高精度的測量要求，但氣相色譜(GC)技術不能實時輸出數據，操作復雜，而且還需要高頻維護和耗材成本，無法作為自動化生產的方案。

　　針對以上問題，通過對不同技術路線和不同供應商方案的比較，KivuWatt項目最終采用了四方光電激光拉曼在線防爆型分析系統(tǒng)，替代現場的紅外沼氣分析儀，提供高精度、低維護的實時監(jiān)測。激光拉曼原理可直接精確測量N2濃度，且提供高精度和長壽命的H2S測量解決客戶的痛點。該方案將儀表集成在正壓防爆柜內，*適用于危險場景的使用。

　　圖4、上：實驗室臺式分析儀 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)，主要由預處理單元、控制單元、分析單元三部分組成，專為中低粉塵工作環(huán)境設計。產品采用PLC程序控制，可以自動完成3個采樣通道之間的切換，實現24小時無人值守操作。極大降低了手動負載，保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定，實現了準確、連續(xù)的自動在線運行。

■     預處理裝置

　　預處理裝置通過對進氣電磁閥的控制，實現氣體采樣的三通道循環(huán)切換。在氣體凈化提純過程中，采用過濾精度為5um的氣水分離器，將液態(tài)水從樣品氣體中分離出來，同時過濾樣品氣體；初次過濾后的氣體通過半導體冷凝器，去除樣品氣體中可凝固的氣態(tài)水。整個過程用到的過濾器均設有自動排水裝置，確保系統(tǒng)自動完成正常的取樣與排水過程。最后采用過濾精度為0.1um的精密過濾器，確保樣品氣體滿足分析儀器的使用要求，保證監(jiān)測數據的準確性和系統(tǒng)的可靠性。

■     控制單元

　　激光拉曼氣體分析儀通過內置IPC上的定制操作軟件實時顯示所有數據，并通過MODBUSTCP協(xié)議提供實時數據輸出，并為每個氣體組件提供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產權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，通過對待測氣體的特征拉曼散射光譜進行增強、收集、處理和識別，可對氣體成分進行定量計算，實現在線實時對多種類氣體進行定性及定量監(jiān)測，保障KivuWatt基伍瓦特項目長期穩(wěn)定的自動在線運行。

■     激光拉曼氣體全組分分析的優(yōu)勢

　　激光拉曼光譜技術是基于氣體拉曼散射的光譜類氣體分析技術。其利用高光束質量的激光器發(fā)出特定波長的激光，經過消色差透鏡在氣體室中聚焦，在焦點位置激光和氣體分子相互碰撞產生拉曼散射。拉曼特征峰的強度和氣體濃度值成正比，通過光譜儀測量和分析拉曼特征峰的位置和強度，可實現多組分氣體的同時測量。由于拉曼散射光譜的激發(fā)和收集是瞬時進行，時間很短并可實時進行信號收集，因此和色譜GC、質譜MS相比，拉曼光譜儀具有更快的響應速度。

　　表1、不同技術原理對比分析

　　激光拉曼氣體分析儀不僅可以測量生物天然氣的全組分，還可以對石油裂解氣體、鋼鐵冶金過程氣體、現代煤化工過程氣體等的全組分測量。目前通過一個激光光譜分析探頭，可以實現CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、CO、CO2、H2、O2、N2、H2S、H2O等在內混合氣體的做組分實時定量檢測。

　　圖5、盧旺達KivuWatt項目現場

　　經過在盧旺達生物天然氣現場的實際性能驗證以及嚴格測試評估，四方光電激光拉曼氣體分析儀被項目評估團隊批準，今后將被優(yōu)先應用于該客戶即將投建的其他沼氣發(fā)電廠項目中。