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图片来源：艾默生
伴随着全球对脱碳和可再生燃料来源的推动，对用于控制和监管转移的简单、坚固、现场安装的气相色谱仪产生了强烈的需求。
随着全球对气候变暖和温室气体排放的关注，天然气市场正在经历范式转变。天然气正在取代煤炭，成为发电的主要化石燃料，可再生天然气正在由生物原料生产出来，氢气正与天然气混合以减少二氧化碳排放。
所有这些努力都产生了对天然气流进行分析的需求，以确保监管转移的天然气质量，并准确测量和控制杂质。一直以来，这项任务都是由工业气相色谱仪 (GC) 来完成的，这种仪器工作出色，但价格昂贵。
幸运的是，更小但功能齐全的气相色谱仪产品正在进入市场，可以更好地满足这一不断增长的需求。本文讨论了用户在为天然气应用选择在线气相色谱仪时应该考虑的关键特性。
01 更复杂的应用需求
直到最近，天然气应用还相当简单。在天然气井中产生气体，去除水、硫化氢和二氧化碳等杂质，然后通过管道运送给客户。气体分析仪（通常是气相色谱仪）通常用于气体加工区域，然后与管道一起用于贸易交接。
随着全球应对气候变暖的努力不断加强，这一过程变得更复杂。现在，可以从各种可再生资源中生产天然气，包括粪便、食物残渣、动物脂肪、垃圾填埋材料和其它资源。其中的任何一个来源都有可能将各种杂质带入气体，必须检测和控制每一种杂质。
这一市场转变也使天然气生产商的数量增加了一个数量级，突然产生了大量寻求将天然气注入运输网络的公司。每个注入点都需要对进入的天然气进行全面分析，以确保其符合天然气质量规范以及管网的BTU范围（图1）。
▲图1：在沼气、氢气混合和可再生气体应用中的质量控制和贸易交接中，
现场安装的工业气相色谱仪正变得不可或缺。
适用于此类应用的最佳技术是气相色谱仪，它引导气体样品通过一个长的填充柱扩散。每种气体组分的沸点不同www.cechina.cn，会以不同速率通过填充柱，当它到达末端的检测器时，会产生可测量的电响应，通常称为峰值。通过测量峰值的大小和时间，气相色谱仪可以确定每种样品气体成分的存在和浓度。基于这些结果，分析仪可以计算气体以BTU表示的能量值，并测量各种其它气体。
几十年来CONTROL ENGINEERING China版权所有，气相色谱仪一直部署在实验室内。该设备体积庞大、价格高昂，且具有非常高的灵敏度。需要一名训练有素的实验室技术人员准备和注入样品并解释结果，这可能需要数小时。现在的天然气行业需要一种坚固耐用、现场安装的气相色谱仪，可以在几分钟内拿到结果，生成并持续报告。这些需求刺激了大量工业色谱仪产品的出现，通常称为在线气相色谱仪。
02 选择工业气相色谱仪的四个标准
成功的工业色谱仪装置需要许多关键功能，可以根据下文所列举的特性和标准仔细评估候选的分析仪。通常可以将这些特征分为四类：
■ 认证和测量；
■ 准确性和性能；
■ 设计和功能；
■ 可靠性、可操作性和易于维护性。
具体需求取决于不同应用的特点，本文重点介绍与天然气、沼气和可再生天然气的质量控制和贸易交接相关的需求和应用。
1 认证和测量
在评估监管权转移应用时，首先要充分了解所需的测量和经过认证的计算。通常，这包括根据一些国际标准化组织等制定的标准（例如，ISO 6976）进行的计算。
任何候选的气相色谱仪必须能够执行应用或合同所需的测量。对于监管权转移应用，C6+分析是一个典型的应用CONTROL ENGINEERING China版权所有，处理周期为3到4分钟。在新兴的碳捕获和储存应用中，需要测量高水平二氧化碳，以及检测可能对气体压缩性产生不利影响的杂质的能力。可再生天然气应用则需要测量含氮和二氧化碳量高的低BTU气体。
2 准确性和性能
下一个需要评估的领域，应是在特定应用预期的环境条件下装置的准确性（气相色谱仪术语中的可重复性）和性能。虽然现场安装的气相色谱仪已经实现工业化，但事实是测量分析仍然非常敏感，必须在严格控制的条件下测量（图2）。一个装置在实验室条件下可能非常准确，在现场天气和其它条件发生变化时，其表现就要差得多。
▲图2：候选的分析仪必须能够在各种环境条件下保持较高的精度。图中所示的罗斯蒙特470XA气相色谱仪，
在0至130℉的温度范围内经历了18小时的温度循环，以确认其在极端环境条件下的性能。
在评估候选的气相色谱仪时，最终用户应考虑在受控和极端环境条件下的可重复性。某些型号可能需要安装在温控柜中，以满足其公布的性能规格。其它装置安装在工业级的机柜中，可用于1级1区，为采样点附近的安装提供了灵活性，即使在极端天气条件下也能提供高度可重复的测量。在线气相色谱仪在贸易交接应用中的典型能值规格为 +/- 0.025% 热量值，相当于 +/- 0.25 BTU/1000 BTU，适用于 -4 至 140 ℉ 的环境温度范围。为确保气相色谱仪的性能，在制造过程中通常会对其进行环境试验。
3 分析仪的设计和功能
当所有候选色谱仪都符合必要的认证和可重复性测量要求时，差异化因素通常是设计以及装置中的内置功能。某些型号在配置和操作简便性方面具有突出的关键功能。
最终用户首先应该考虑分析仪的基本设计特征。一些高级应用可能需要多个探测器和非常广泛的气体检测和分析，在这种情况下，就需要更高级的气相色谱仪。然而，大多数天然气和沼气分析仪应用需求相对简单，可以采用更简单、成本更低的单探测器设计。不过，分析时间很重要，因此必须评估执行测量所需的时间。通常要求进行4分钟的C6+测量。
最有用的一个关键功能可能是本地操作员界面（图3）。在1级1区装置上，通常找不到完全图形化的界面，但拥有这样的界面会对配置、操作、校准和维护产生重大影响。
▲图3：设计良好的气相色谱仪操作员界面，可用于监测测量值、访问报警和诊断、
配置和校准装置以及执行关键维护任务。
功能齐全的操作员界面，应允许用户访问当前和过去的分析报告，检查和确认报警，启动和停止分析，修改配置，运行校准和验证周期，以及访问维护和诊断数据。
除了本地接口外，该装置还应包括一个软件应用，可用于配置、操作和维护该装置，还可以访问详细的测量分析细节（图4）。该软件应支持多个气相色谱仪，允许本地和远程操作和配置，并能够对结果进行详细分析。
▲图4:气相色谱仪软件应包括以下功能：a）简单的下拉菜单，b）访问多个气相色谱仪，c）完整的测量显示，d）响应因子，e）定时事件表，f）组件列表，g）叠加读取存档读数，h）保存到硬盘的功能。
气相色谱仪应包含足够大的内存来存储数千个分析结果。功能更强大的装置可以在4分钟的周期时间内，存储数上百天的分析结果，保存一年的校准和验证记录，并提供一年或更长时间内多达250个变量的小时、日和周平均值。
在单个分析仪中切换并处理多个样品流的能力，在某些应用中可能是一个有用的功能，利用各种载气的能力也是如此。标准气相色谱仪可以接受三种气流的切换，可以使用氢气、氦气，甚至一些专用载气替代品。请注意控制工程网版权所有，当使用切换气流时，任何一个气流的测量间隔时间都会延长，因此在测量多个气流时，快速测量可能至关重要。
通常提供本地I/O点和多种通信选项。本地I/O的具体要求因应用而异，但通常需要至少一个或两个模拟输出用于就地控制，可能需要一个数字输出用于报警。应支持多种串行和以太网通信。
气相色谱仪能否成功应用的最重要环节之一，是为其提供原料的样品调节系统。如果样品没有准备好，任何气相色谱仪都无法快速运行。设计合理的样品调节系统，可以提供及时、干净、干燥的样品，这些样品在调节过程中没有发生化学变化。一些用户拥有设计自己系统的知识和经验，但许多用户必须依靠外部帮助，才能进行这种专门的设计工作。气相色谱仪供应商或其合作伙伴应提供这项关键服务，并应提供将样品调节设备整合到气相色谱仪模块中的简单方法。
4 可靠性、可操作性和易于维护
与任何分析仪一样，气相色谱仪也需要持续维护。然而，现代气相色谱仪已经融入了各种各样的功能和嵌入式软件应用，使它们能够自主执行大部分维护工作，并帮助技术人员尽可能轻松快速地执行其余工作。
气相色谱仪中嵌入式软件的关键功能CONTROL ENGINEERING China版权所有，包括配置和启动调试支持，以及自动校准和验证程序。该软件还应提供阀门时间自动调整以优化性能，并应提供指导以简化日常维护，如校准气体更换。
设计合理的气相色谱仪可以提供每分钟最大约20cc的样品大气排放流量，来最大限度地减少样品排放和载气使用。典型的气相色谱仪每10到11个月才会使用一个氦气瓶，而一个校准气瓶一般可以持续使用2年（具体情况取决于不同的规格）。如果应用允许，使用氢气而不是氦气作为载气，还可以进一步降低运营成本。
当气相色谱仪出现问题时，软件应包括各种报警和诊断，以帮助技术人员快速识别和纠正问题。如果发生重大故障，具有单一、可更换模块以及大多数组件可维修的气相色谱仪，可以快速、简单地进行更换。可以在现场轻松更换整个模块，软件有一个嵌入式应用，可以在启动时对新模块进行自动校准，以恢复气相色谱仪服务。如果需要维修而不是更换，用户也可以对模块进行维修。
关键概念：
■ 现代气相色谱仪的设计，坚固耐用、可现场安装，并可以提供实时结果，与传统的大型、灵敏、昂贵的实验室模型形成鲜明对比。
■ 了解选择工业气相色谱仪的关键因素，以确保在各种工况条件下，都可以进行可靠和精确的气体分析。
思考一下：
如何选择最适合的工业气相色谱仪？
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