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(fēng)景如畫(huà)，被譽(yù)為“非洲大湖”之一?；楹眰扔幸蛔罨鹕?，數千年的火山活動(dòng)導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(shí)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(huì )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、基伍湖分層深水區示意圖

湖底甲烷變身可持續能源

對周邊人口及國家來(lái)說(shuō)，氣藏既是一種潛在的風(fēng)險，同時(shí)也是一種自然資源?；楹诜謱由钏畢^（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(shí)施了一個(gè)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(lái)發(fā)電。這一項目被稱(chēng)為KivuWatt項目，由多邊投資擔保機構（Multilateral Investment Guarantee Agency，簡(jiǎn)稱(chēng)“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項目是世界上第一個(gè)漂浮在湖中的天然氣開(kāi)采平臺，為了安全開(kāi)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(guò)程通過(guò)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(gè)洗滌塔中洗滌原始氣體，最終產(chǎn)生潔凈的高濃度甲烷氣體，通過(guò)一條13公里長(cháng)的半淹沒(méi)管道輸送到湖岸邊26兆瓦的發(fā)電廠(chǎng)。發(fā)電廠(chǎng)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(chǎng)的氣體符合內燃機對燃氣的質(zhì)量要求，盧旺達KivuWatt項目需要在氣體提取平臺上安裝一個(gè)可長(cháng)期連續運行的沼氣監測系統，用于監測來(lái)自3個(gè)不同工藝點(diǎn)的天然氣氣體質(zhì)量數據：原始氣體，提純后的氣體，以及火炬氣。這三個(gè)工藝點(diǎn)分別決定了前端氣體提取工藝的穩定運行、氣體洗滌和提純工藝的效率。監測數據實(shí)時(shí)反饋到控制系統，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(zhì)量，N2必須直接測量，不能通過(guò)計算得出；而且需要實(shí)時(shí)在線(xiàn)連續監測，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(lái)的損失，以達到最佳生產(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(shí)現以上監測目的，KivuWatt項目現場(chǎng)前期曾安裝英國某品牌在線(xiàn)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(gè)組分的測量精度不達標，將直接導致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，該系統中的H2S測量采用電化學(xué)原理，精度無(wú)法達到工藝要求，且壽命短需要經(jīng)常停機維護。為確保檢測精度的長(cháng)期穩定性，項目曾彌補性地采用氣相色譜（GC）技術(shù)進(jìn)行定期的高精度檢查，雖然能滿(mǎn)足較高精度的測量要求，但氣相色譜（GC）技術(shù)不能實(shí)時(shí)輸出數據，操作復雜，而且還需要高頻維護和耗材成本，無(wú)法作為自動(dòng)化生產(chǎn)的方案。

針對以上問(wèn)題，通過(guò)對不同技術(shù)路線(xiàn)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(xiàn)防爆型分析系統，替代現場(chǎng)的紅外沼氣分析儀，提供高精度、低維護的實(shí)時(shí)監測。激光拉曼原理可直接精確測量N2濃度，且提供高精度和長(cháng)壽命的H2S測量，完美解決客戶(hù)的痛點(diǎn)。該方案將儀表集成在正壓防爆柜內，完全適用于危險場(chǎng)景的使用。

圖4、上：實(shí)驗室臺式分析儀 下：在線(xiàn)防爆型分析系統

四方光電激光拉曼在線(xiàn)防爆分析系統，主要由預處理單元、控制單元、分析單元三部分組成，專(zhuān)為中低粉塵工作環(huán)境設計。產(chǎn)品采用PLC程序控制，可以自動(dòng)完成3個(gè)采樣通道之間的切換，實(shí)現24小時(shí)無(wú)人值守操作。極大降低了手動(dòng)負載，保證系統的長(cháng)期穩定，實(shí)現了準確、連續的自動(dòng)在線(xiàn)運行。

• 預處理裝置

預處理裝置通過(guò)對進(jìn)氣電磁閥的控制，實(shí)現氣體采樣的三通道循環(huán)切換。在氣體凈化提純過(guò)程中，采用過(guò)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(lái)，同時(shí)過(guò)濾樣品氣體；初次過(guò)濾后的氣體通過(guò)半導體冷凝器，去除樣品氣體中可凝固的氣態(tài)水。整個(gè)過(guò)程用到的過(guò)濾器均設有自動(dòng)排水裝置，確保系統自動(dòng)完成正常的取樣與排水過(guò)程。最后采用過(guò)濾精度為0.1um的精密過(guò)濾器，確保樣品氣體滿(mǎn)足分析儀器的使用要求，保證監測數據的準確性和系統的可靠性。

• 控制單元

激光拉曼氣體分析儀通過(guò)內置IPC上的定制操作軟件實(shí)時(shí)顯示所有數據，并通過(guò)MODBUSTCP協(xié)議提供實(shí)時(shí)數據輸出，并為每個(gè)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(guò)對待測氣體的特征拉曼散射光譜進(jìn)行增強、收集、處理和識別，可對氣體成分進(jìn)行定量計算，實(shí)現在線(xiàn)實(shí)時(shí)對多種類(lèi)氣體進(jìn)行定性及定量監測，保障KivuWatt基伍瓦特項目長(cháng)期穩定的自動(dòng)在線(xiàn)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(lèi)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(cháng)的激光，經(jīng)過(guò)消色差透鏡在氣體室中聚焦，在焦點(diǎn)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(guò)光譜儀測量和分析拉曼特征峰的位置和強度，可實(shí)現多組分氣體的同時(shí)測量。由于拉曼散射光譜的激發(fā)和收集是瞬時(shí)進(jìn)行，時(shí)間很短并可實(shí)時(shí)進(jìn)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速度。

表4、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(guò)程氣體、現代煤化工過(guò)程氣體等的全組分測量。目前通過(guò)一個(gè)激光光譜分析探頭，可以實(shí)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(shí)時(shí)定量檢測。

圖5、盧旺達KivuWatt項目現場(chǎng)

經(jīng)過(guò)在盧旺達生物天然氣現場(chǎng)的實(shí)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(hù)即將投建的其他沼氣發(fā)電廠(chǎng)項目中。