暗藏在湖底的危機
圖1、非洲盧旺達(dá)基伍湖
盧旺達(dá)的基伍湖風(fēng)景如畫，被譽為“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(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
對周邊人口及國家來說，氣藏既是一種潛在的風(fēng)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(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 將在基伍湖上實施了一個發(fā)電計劃，利用基伍湖深水中發(fā)現(xiàn)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(dān)保機構(gòu)(Multilateral Investment Guarantee Agency，簡稱“MIGA”)投資擔(dān)保1.42億美元為該項目提供支持，于2015年12月投入使用。
KivuWatt項目是世界上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(shè)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?xì)怏w，最終產(chǎn)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(nèi)的大型內(nèi)燃發(fā)電機組將沼氣能量轉(zhuǎn)化為電能，為盧旺達(dá)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(dá)KivuWatt項目示意圖
為確保輸送到發(fā)電廠的氣體符合內(nèi)燃機對燃?xì)獾馁|(zhì)量要求，盧旺達(dá)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(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(shù)據(jù)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(zhǔn)檢測氣體成分，項目需要直接測量原始?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(zhuǎn)并盡量降低維護周期和停機檢修帶來的損失，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際
為實現(xiàn)以上監(jiān)測目的，KivuWatt項目現(xiàn)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(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(xué)原理，精度無法達(dá)到工藝要求，且壽命短需要經(jīng)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(shù)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(shù)不能實時輸出數(shù)據(jù)，操作復(fù)雜，而且還需要高頻維護和耗材成本，無法作為自動化生產(chǎn)的方案。
針對以上問題，通過對不同技術(shù)路線和不同供應(yīng)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(xiàn)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(nèi)，*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(yù)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(shè)計。產(chǎn)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(xiàn)24小時無人值守操作。極大降低了手動負(fù)載，保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定，實現(xiàn)了準(zhǔn)確、連續(xù)的自動在線運行。
■ 預(yù)處理裝置
預(yù)處理裝置通過對進氣電磁閥的控制，實現(xiàn)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(dǎo)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(shè)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(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內(nèi)置IPC上的定制操作軟件實時顯示所有數(shù)據(jù)，并通過MODBUSTCP協(xié)議提供實時數(shù)據(jù)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湖北銳意自主知識產(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(xiàn)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(shù)是基于氣體拉曼散射的光譜類氣體分析技術(shù)。其利用高光束質(zhì)量的激光器發(fā)出特定波長的激光，經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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(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(xiàn)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(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時定量檢測。
圖5、盧旺達(dá)KivuWatt項目現(xiàn)場
經(jīng)過在盧旺達(dá)生物天然氣現(xiàn)場的實際性能驗證以及嚴(yán)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(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)電廠項目中。
