煤气化高温高压氢气H2气激光在线监测系统

一、激光气体分析仪

1煤气化高温高压氢气H2气激光在线监测系统仪器概述

1.1 JZ-1000激光气体分析仪是“九州绿境"基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术开发的一款高性能隔爆型原位对穿式仪表，主要功能模块由发射单元、接收单元、反吹单元、接线盒等四部分组成。具备了光谱分析、人机交互、数据通讯等多项功能，极大的简化了现场安装和维护过程，提高了系统可靠性。具有操作简单、安装、维护方便等特点。

1.2 工作原理

激光气体分析仪基于国际的半导体激光吸收光谱技术（TDLAS），即“单线光谱"测量技术。系统采用可调制的半导体激光器为发光光源，通过调制半导体激光器的工作电流强度来调制激光频率，使激光扫描范围略大于被测气体的单吸收谱线。从而使半导体激光器发射的特定波长的激光束在穿过测量管时，被被测气体选频吸收，从而导致激光强度产生衰减。于是系统利用不同气体成分均有不同的特征吸收谱线及气体浓度和红外或激光吸收光谱之间存在的Beer-Lambert关系，通过检测吸收谱线的吸收大小（即激光强度衰减信息）就可以获得被测气体的浓度。

n 不受背景气体干扰影响

采用TDLAS技术使用的半导体激光的谱宽小于0.0001nm，约为红外光源谱宽的1/106，远小于被测气体吸收谱线的谱宽。其频率调制扫描范围也仅包含被测气体单吸收谱线(半导体激光吸收光谱技术也因此被称为单线光谱技术)，因此成功消除了背景气体交叉干扰影响，激光“单线光谱"示意图如图所示。

n 不受粉尘和视窗污染干扰

半导体激光的波长可通过调制工作电流而被扫描，使激光波长既扫描过有气体吸收的区域，也扫描没有气体吸收的区域。当波长位于吸收区域时可测得包含气体、粉尘和视窗的总透光率T1，当波长位于无气体吸收区域时可以测得粉尘和视窗透光率T2，从而可以准确获得被测气体的透光率Tg= T1/T2。TDLAS技术通过激光波长扫描技术修正了粉尘和视窗污染对测量的影响。

1.3 产品组成

JZ-1000激光气体分析仪采用原位安装形式，发射单元和接收单元通过连接单元直接安装在过程管道上，连接单元由吹扫接口、光路调整结构、根部阀门和安装法兰等组成，仪器的发射单元和接收单元如下图所示。

JZ-1000组成示意图

发射单元

该单元包括半导体激光器、准直光学系统、驱动电路板和温控电路板。激光器被调制到特定的波长和频率，使其能够进行气体检测。在对发射单元进行清洁或其他维护时，机械连接法兰中的根部阀门可起到隔绝过程管道和操作环境的功能，防止危险气体泄漏的作用。

JZ-1000发射单元

 接收单元

接收单元通过机械连接法兰与测量管道连接，该单元包括光电传感器、透镜、接收主板、传感器板和显示板。透镜将准直激光聚焦于光电传感器上，然后探测的光信号被转化为电信号进行处理后，检测到二次谐波信号信息，再将二次谐波信息转化为浓度信息，并将浓度信息在接收端OLED屏上显示。

JZ-1000接收单元

吹扫单元

在测量场合较为恶劣的条件下，为了能够保证JZ-1000激光气体分析仪能够长期连续运行，JZ-1000激光气体分析仪需使用吹扫气体对发射单元和接收单元上的光学窗片进行吹扫，避免测量环境中粉尘或其它污染物对光学窗片造成严重污染而影响测量。JZ-1000激光气体分析仪的吹扫单元由过滤器、减压阀和稳流装置等组成，可为JZ-1000激光气体分析仪的吹扫气体提供稳定流量的吹扫气源。以下为JZ-1000激光气体分析仪的吹扫单元的示意图。

吹扫单元示意图

 接线盒

接线盒内含有对外输出信号接口，方便用户接电源供电线、4-20mA输出线缆及继电器线缆等。

接线盒外观示意图

1.4 工作流程

通上电源，开启根部阀，半导体激光器发射出的特定频率的激光通过发射单元穿过气体通道，接收单元中的传感器接收衰减后的激光束，并将测量信号传送给分析模块，分析模块通过对测量信号进行分析处理，得到被测气体浓度，气体浓度信息通过显示屏显示出来并通过标准接口输出。

1.5 为了防止粉尘和被测环境中其它污染物在视窗上聚集，需用工业氮气等气体通过吹扫入口进行连续吹扫，以便在光学视窗与工业气体间形成一段气幕保护。

1.6 技术参数

1.7 技术优势

与传统分析系统相比，本系统选用JZ-1000激光气体分析仪由于采用了半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，从根本上解决了采样预处理带来诸如响应滞后、维护频繁、易堵易漏、易损件多和运行费用高等各种问题，并具有如下特点：

n 不受背景气体交叉干扰

n 不受粉尘和视窗污染及现场环境参数变化干扰

n 模块化设计，可现场更换所有功能模块，包含激光器模块

n 无需采样预处理系统，系统结构简单、智能化程度高，操作、维护方便

n 响应速度快，响应时间不超过1s，保证及时进行工艺控制

n 无样气额外排放，环保无污染

n 直接对过程气体进行分析，测量准确性高

1.8 系统的维护与标定

维护

JZ-1000激光气体分析系统无需定期更换零部件，其日常维护工作主要是对光学元件的清洗。系统在长期运行中，其过程气体中的粉尘及其它污染物会污染光学元件，导致透过率下降，从而影响系统正常工作，因此需周期性清洁这些光学部件。当系统需要清理光学元件时会有报警提示。其清理步骤极为简单：1）关掉电源，2）松开锁箍，3）把接收单元和发射单元从仪器法兰上分别拆下，4）进行检查光学元件的污染情况并做好清洁工作，5）按标准操作规范重新安装好发射和接收单元,重新供电后设备开始正常工作。

 标定

随着激光气体分析仪长期工作，电器元件的老化会导致参数的缓慢漂移，会对测量数据造成影响，因此激光气体分析仪需进行定期的调零、校准（设备次出厂不需要）。相比较其他原理的气体分析仪，因TDLAS技术本身的优势、设备校准周期较长（建议≤2次/年），且校准操作极为简单，只需将发射、接收端拆卸下来，安装在气体室上，进行通气标定。

2 公用工程及工作范围

2.1 公用工程条件

2.1.1 JZ-1000激光气体分析仪单套公用工程

电源线缆：分析仪供电220VAC，50Hz；电源及接地线引至现场分析仪附近，要留有一定余量。

信号输出线缆：仪表输出包含4-20mA信号、报警信号，用户可根据情况引至控制室。

吹扫气源：氮气纯度≥99.99%，0.3～0.8MPa，无油、无尘、无水，露点＜-40℃，引至现场仪表附近，预留G1/2″内螺纹球阀。

制冷气源：洁净的仪表空气，0.3～0.8MPa，无油、无尘、无水，露点＜-40℃，引至现场仪表附近，预留G1/2″内螺纹球阀。

安装维护平台：在架空管道等其他不便安装和维护的场合，需要加装安装维护平台，尺寸为管道两侧各3*3米。

遮阳棚：建议搭建遮阳棚，防止导致后期一些设备因为太阳直晒出现分析仪使用问题。

备注：测氧仪表必须使用氮气作为吹扫气，氮气纯度要求≥99.99%；非测氧仪表若甲方允许也可以使用压缩空气作为吹扫气体，吹扫气体必须满足无油、无尘、无水（无水是指气体的露点小于-40℃）的条件。

2.1.2 管道开孔

垂直管道开孔示意图

水平管道开孔示意图