一種用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監測的光纖傳感系統與方法技術方案

本發明專利技術公開了一種用用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監測的光纖傳感系統與方法。系統包括測量導氣旁管、光信號增強氣室、光源單元、信號探測單元、信號解調單元、數據處理單元等。光源單元發出的激光通過光纖光纜導入光信號增強氣室，激發氣體的拉曼信號，同時信號探測單元將探測到的信號通過傳輸光纜傳輸到位于非防爆區的信號解調單元，解調后的數據通過RS?485串口線傳輸到數據處理單元進行數據處理以及測量參量的實時顯示。本系統可同時在線監測石化等行業工藝管線中高濃度氫氣和雜質氣體(如CH4、CO、CO2、H2S等)含量，且傳感器本征安全，使氫氣等危險氣體的在線監測更加安全準確。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種氫氣濃度和雜質含量在線監測系統與方法，具體的說是一種用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監測的光纖傳感系統與方法。
技術介紹
目前，載氫工藝在石化行業應用廣泛，在適當的溫度、氫氣濃度與氣壓等條件下，生成一定分子量的烴類或者醇類等化工產品。乙烯氫氣被用于加氫裂化裝置和蠟油加氫等裝置中，如果乙烯氫氣純度降低(CH4、CO、CO2雜質含量上升)，將降低上述加氫裝置的系統氫氣分壓，不利于加氫反應，嚴重影響產品質量。另一方面，許多企業所使用的乙烯氫氣為外購，受工藝限制，來自乙烯脫甲烷塔的乙烯氫氣中不可避免含有一定濃度的CH4，如果乙烯脫甲烷塔操作不穩，將導致乙烯氫氣中CH4含量增加，使得有效組分H2含量降低，增加購買價格。因此，石化等企業迫切需要乙烯氫氣純度及雜質含量在線監測技術。
技術實現思路
為解決上述問題，本專利技術提出了一種用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監測的光纖傳感系統與方法。本系統傳感器本征安全，通過光信號增強氣室將光纖F-P傳感技術與拉曼光譜分析技術相結合，可在線實時監測石化等行業工藝管線中高濃度氫氣和雜質的含量，使氫氣等危險氣體的在線監測更加安全準確。為實現上述專利技術目的，本專利技術采用如下的技術方案：一種用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監測的光纖傳感系統，包括：測量導氣旁管(4)、光信號增強氣室(6)、光源單元(11)、信號探測單元(7)、信號解調單元(13)和數據處理單元(14)；所述的光信號增強氣室(6)上開有進氣口、排氣口、進光口、信號探測單元接口；所述的光信號增強氣室(6)內部左右兩側鑲嵌有兩塊凹面反射鏡，光源單元(11)發出的激光束從其中一塊凹面反射鏡一側導入，射向另一塊凹面反射鏡一側，激光束在腔內經兩塊凹面反射鏡多次反射并且每次反射的光線都經過腔體的中心部位，使會聚的光斑的能量增強，從而增強拉曼散射信號；石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)，并通過排氣管道(8)進入放空管道(9)，使氣體不停流動以保證氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性；光源單元(11)發出的激光通過光纖光纜(10)導入光信號增強氣室(6)，激發氣體的拉曼信號，同時信號探測單元(7)將探測到的拉曼信號通過傳輸光纜(12)傳輸到位于非防爆區的信號解調單元(13)進行解調，信號解調單元(13)將解調后的數據通過RS-485串口線傳輸到數據處理單元(14)進行數據處理以及測量參量的實時顯示。所述的光纖傳感系統，所述光信號增強氣室(6)與測量導氣旁管(4)連通，測量導氣旁管(4)從石化載氫主管道(1)引出，其功能是讓測量氣路與主管道分離，保證測量系統的安全性，同時保證了光信號增強氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性；測量導氣旁管(4)前端依次接有減壓閥(2)和截止閥(3)，減壓閥(2)用于降低測量氣室中氣體的壓力，保證測量時整個系統的運行安全，截止閥(3)用來控制氣流的通斷，以便于系統調試；測量時通過調整減壓閥(2)來減小進入氣室的氣體壓強，然后打開截止閥(3)，石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)。所述的光纖傳感系統，所述光信號增強氣室的底面正對信號探測單元(7)的位置設置有平凹透鏡(19)，其高反射率的特性具有增強收集拉曼信號的作用。所述的光纖傳感系統，所述信號探測單元接口設置有石英窗口波片(16)，信號探測單元(7)透過石英窗口波片(16)接收拉曼信號。所述的光纖傳感系統，所述的進氣管道(5)與排氣管道(8)的內徑要求一致，以保證進入光信號增強氣室(6)的氣體與排出的氣體數量相等，消除氣室內因氣體流通與氣室邊緣相作用產生的湍流，保證光信號增強氣室(6)內所測氣體壓強的穩定性和成分的相對均勻。所述的光纖傳感系統，只有信號探測單元(7)為本征安全的光學元器件，而測量系統的信號解調單元(13)與光源單元(11)、數據處理單元(14)帶電部分設置于防爆區100米以外的位置，以保證測量系統的安全性；測量時通過光纖光纜(10)將光源單元(11)發出的激發光導入光信號增強氣室(6)，激發氣室內氣體的拉曼信號；同時通過傳輸光纜(12)將信號探測單元(7)探測到的拉曼信號傳輸到位于非防爆區的信號解調單元(13)進行解調。所述的光纖傳感系統，所述帶電的光源單元(11)、信號解調單元(13)以及數據處理單元(14)嵌入到同一臺機箱中，該機箱遠離石化防爆區，以便于系統的保護與測量安全性。根據任一所述系統進行石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監測的的方法，包括以下步驟：測量時通過調整減壓閥(2)來減小進入氣室的氣體壓強，然后打開截止閥(3)，石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)，在光信號增強氣室(6)內，光源單元(11)發出的激光束從其中一塊凹面反射鏡一側導入，射向另一塊凹面反射鏡一側，激光束在腔內經兩塊凹面反射鏡多次反射并且每次反射的光線都經過腔體的中心部位，使會聚的光斑的能量增強，從而增強拉曼散射信號；氣體通過排氣管道(8)進入放空管道(9)，使氣體不停流動以保證氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性；光源單元(11)發出的激光通過光纖光纜(10)導入光信號增強氣室(6)，激發氣體的拉曼信號，同時信號探測單元(7)將探測到的拉曼信號通過傳輸光纜(12)傳輸到位于非防爆區的信號解調單元(13)進行解調，信號解調單元(13)將解調后的數據通過RS-485串口線傳輸到數據處理單元(14)進行數據處理以及測量參量的實時顯示。由于采用上述的技術方案，本專利技術具有如下優越性：本專利技術的光信號增強氣室是基于F-P增強腔設計的，基本原理是光束在氣室內多次反射并且每條光線都經過氣室中心部位，使會聚的光斑能量增強；該系統傳感器采用將光纖F-P傳感技術與拉曼光譜分析相結合，可有效提高激光拉曼光譜法的氣體檢測靈敏度及準確度，另外，該系統傳感器本征安全，可在線實時監測石化等行業工藝管線中高濃度氫氣和雜質的含量，使氫氣等危險氣體的在線檢測更加安全準確。本專利技術的信號探測單元固定于氣室上方，且只需一個拉曼探頭即可檢測到多種成分氣體的信號，如CH4、CO、CO2、H2S等，不需要光傳感器；本專利技術應用于石化氫氣管道的長期在線監測，管道中氫氣濃度達90％以上，對測量系統的防爆要求很高，所以我們與管道連接的光信號增強氣室必須不能帶電，本征安全；我們的光源單元等帶電單元都位于100米外的非防爆區，與氣室通過光纜連接，不直接接觸到氣體；附圖說明圖1是本專利技術的結構示意圖圖中：1-載氫工藝主管道，2-減壓閥，3-截止閥，4-測量導氣旁管，5-進氣管道，6-光信號增強氣室，7-信號探測單元，8-排氣管道，9-放空管道，10-光纖光纜，11-光源單元，12-傳輸光纜，13-信號解調單元，14-數據處理單元。圖2是本專利技術中光信號增強氣室及其內部部件結構示意圖圖中：15-信號探測單元固定法蘭，16-石英窗口波片，17-凹面反射鏡，18-凹面反射鏡，19-平凹透鏡，A-進氣口，B-排氣口，C進光口，D-信號探測單元接口；具體實施方式以下結合具體實施例，對本專利技術進行詳細說明。如圖1所示，本專利技術的石化本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監測的光纖傳感系統，其特征在于，包括：測量導氣旁管(4)、光信號增強氣室(6)、光源單元(11)、信號探測單元(7)、信號解調單元(13)和數據處理單元(14)；所述的光信號增強氣室(6)上開有進氣口、排氣口、進光口、信號探測單元接口；所述的光信號增強氣室(6)內部左右兩側鑲嵌有兩塊凹面反射鏡，光源單元(11)發出的激光束從其中一塊凹面反射鏡一側導入，射向另一塊凹面反射鏡一側，激光束在腔內經兩塊凹面反射鏡多次反射并且每次反射的光線都經過腔體的中心部位，使會聚的光斑的能量增強，從而增強拉曼散射信號；石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)，并通過排氣管道(8)進入放空管道(9)，使氣體不停流動以保證氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性；光源單元(11)發出的激光通過光纖光纜(10)導入光信號增強氣室(6)，激發氣體的拉曼信號，同時信號探測單元(7)將探測到的拉曼信號通過傳輸光纜(12)傳輸到位于非防爆區的信號解調單元(13)進行解調，信號解調單元(13)將解調后的數據通過RS?485串口線傳輸到數據處理單元(14)進行數據處理以及測量參量的實時顯示。...

【技術特征摘要】
1.一種用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監測的光纖傳感系統，其特征在于，包括：測量導氣旁管(4)、光信號增強氣室(6)、光源單元(11)、信號探測單元(7)、信號解調單元(13)和數據處理單元(14)；所述的光信號增強氣室(6)上開有進氣口、排氣口、進光口、信號探測單元接口；所述的光信號增強氣室(6)內部左右兩側鑲嵌有兩塊凹面反射鏡，光源單元(11)發出的激光束從其中一塊凹面反射鏡一側導入，射向另一塊凹面反射鏡一側，激光束在腔內經兩塊凹面反射鏡多次反射并且每次反射的光線都經過腔體的中心部位，使會聚的光斑的能量增強，從而增強拉曼散射信號；石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)，并通過排氣管道(8)進入放空管道(9)，使氣體不停流動以保證氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性；光源單元(11)發出的激光通過光纖光纜(10)導入光信號增強氣室(6)，激發氣體的拉曼信號，同時信號探測單元(7)將探測到的拉曼信號通過傳輸光纜(12)傳輸到位于非防爆區的信號解調單元(13)進行解調，信號解調單元(13)將解調后的數據通過RS-485串口線傳輸到數據處理單元(14)進行數據處理以及測量參量的實時顯示。2.根據權利要求1所述的光纖傳感系統，其特征在于，所述光信號增強氣室(6)與測量導氣旁管(4)連通，測量導氣旁管(4)從石化載氫主管道(1)引出，其功能是讓測量氣路與主管道分離，保證測量系統的安全性，同時保證了光信號增強氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性；測量導氣旁管(4)前端依次接有減壓閥(2)和截止閥(3)，減壓閥(2)用于降低測量氣室中氣體的壓力，保證測量時整個系統的運行安全，截止閥(3)用來控制氣流的通斷，以便于系統調試；測量時通過調整減壓閥(2)來減小進入氣室的氣體壓強，然后打開截止閥(3)，石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)。3.根據權利要求1所述的光纖傳感系統，其特征在于，所述光信號增強氣室的底面正對信號探測單元(7)的位置設置有平凹透鏡(19)，其高反射率的特性具有增強收集拉曼信號的作用。4.根據權利要求1所述的光纖傳感系統，其特征在于，所述信號探測單元接口...

【專利技術屬性】
技術研發人員：童杏林，張寶林，后磊，劉旭東，郭小巍，汪坤，鄧承偉，楊華東，母坤，胡畔，
申請(專利權)人：中國石油化工股份有限公司，武漢理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11