石化载氢管道气体成分光纤传感在线测量系统研究

摘要

氢气是石油化工行业加氢工艺中的重要原料，是生产过程中的重要还原剂，通过深度加氢脱硫可生产出低硫清洁油品，对于防治大气污染具有重要的意义。受制氢工艺的限制，载氢管道内的氢气含有一定浓度的杂质气体，杂质气体不仅会影响产品质量，还提高了企业的采购成本。由于氢气、甲烷等气体的易燃易爆性，目前石化企业通常采用离线分析技术对氢气成分进行定期采样分析，但是其分析结果往往存在一定滞后性，且自动化程度低，人工采样也存在很大的安全隐患。针对此，本论文提出将具有本征安全和远距离测量特征的光纤传感技术用于对载氢管道气体成分的在线测量，深入研究了一种基于拉曼光谱分析技术的气体成分光纤传感在线测量系统。论文的主要工作概括如下： (1)在分析和比较了目前常用的气体成分分析方法的基础上，结合光纤传感技术的优势，提出了一种基于拉曼光谱分析技术的气体成分光纤传感在线测量系统的研究思路。 (2)研究了拉曼光谱分析技术的基本理论，针对武汉石化载氢管道的特点，设计了一种基于光学F-P增强腔的气体样品池。对F-P增强腔的增强效果进行了理论分析和实际光路调试，结果表明该增强腔能够对拉曼散射信号达到50倍左右的增强。 (3)根据武汉石化载氢管道气体成分的变化特征，搭建了一套模拟管道气体变化的光纤传感探测系统，进行了多种甲烷/氢气标准混合气体的拉曼光谱探测实验研究。在对测得的光谱信号进行小波去噪和背景扣除的基础上，对甲烷和氢气的拉曼光谱特征峰建立了单变量校准曲线，校准曲线对甲烷和氢气的交叉检验标准差分别达到0.5139%和0.6684%；另外采用偏最小二乘算法构建了两种气体的多变量分析模型，该模型对甲烷和氢气的交叉检验标准差分别降低到0.3600%和0.4825%。 (4)设计并在石化载氢管道现场安装了在线测量系统，利用LabVIEW平台开发了一套基于拉曼光谱分析技术的气体成分光纤传感在线测量软件，实现了光谱数据采集、数据预处理，气体浓度计算以及实时显示等功能。 (5)对在线测量系统进行了现场试验研究，分别采用已建立的单变量校准曲线和偏最小二乘模型对管道内未知成分的甲烷/氢气进行定量分析，并将分析结果与武汉石化载氢管道气体的离线色谱分析结果进行比对。结果显示，通过偏最小二乘模型分析得到的结果稳定性好且准确性较高，其对管道内甲烷和氢气的最大测量误差分别为0.654%，0.612%。该测量结果已满足厂家的使用要求，该技术也可用于化工行业相关气体成分的在线测量。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 国内外气体成分分析方法研究现状

1.3.1 气相色谱分析技术

1.3.2 红外光谱分析技术

1.3.3 拉曼光谱分析技术

1.4 本文的主要研究工作

第2章 拉曼光谱分析理论研究

2.1 拉曼散射基本理论

2.1.1 拉曼散射的经典解释

2.1.2 拉曼散射的量子力学解释

2.2 拉曼信号增强方法

2.2.1 表面增强拉曼光谱技术

2.2.2 共振拉曼光谱技术

2.2.3 腔增强拉曼光谱技术

2.3 拉曼光谱定量分析方法

2.3.1 单变量分析法

2.3.2 多变量分析法

2.4 本章小结

第3章 气体成分光纤传感探测系统设计

3.1 光纤传感探测系统组成

3.2 激光光源

3.3 拉曼光谱分析仪

3.4 基于F-P增强腔的气体样品池设计

3.4.1 气体样品池的光路设计

3.4.2 气体样品池的结构设计

3.5 本章小结

第4章 载氢管道气体成分定量分析模型的建立

4.1 标准气体拉曼光谱采集实验

4.2 光谱数据预处理

4.2.1 小波去噪

4.2.2 光谱背景扣除

4.3 甲烷/氢气定量分析模型的建立

4.3.1 单变量分析法

4.3.2 PLS多变量分析模型

4.4 本章小结

第5章 在线测量系统现场应用及结果分析

5.1 在线测量系统硬件设备安装

5.2 在线测量软件设计

5.2.1 LabVIEW简介

5.2.2 程序框图设计

5.2.3 人机交互界面设计

5.3 在线测量系统运行结果分析

5.3.1 系统测量稳定性分析

5.3.2 系统测量准确性分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 本文主要创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果和参与的项目