RU2544264C1 - Method of gas analysis of natural gas - Google Patents
Method of gas analysis of natural gas Download PDFInfo
- Publication number
- RU2544264C1 RU2544264C1 RU2013142763/28A RU2013142763A RU2544264C1 RU 2544264 C1 RU2544264 C1 RU 2544264C1 RU 2013142763/28 A RU2013142763/28 A RU 2013142763/28A RU 2013142763 A RU2013142763 A RU 2013142763A RU 2544264 C1 RU2544264 C1 RU 2544264C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spectrum
- gas
- raman
- components
- ghg
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для качественного и количественного анализа природного газа (ПГ).The invention relates to the field of analytical instrumentation and is intended for qualitative and quantitative analysis of natural gas (GHG).
Химический состав ПГ существенно различается в зависимости от его месторождения. Наряду с этим изменяется его теплотворная способность, а следовательно, и стоимость. По этой причине определение с высокой степенью точности состава ПГ является для предприятий, занимающихся его добычей и транспортировкой весьма актуальной задачей.The chemical composition of GHGs varies significantly depending on its field. Along with this, its calorific value, and hence its value, changes. For this reason, the determination of the composition of GHGs with a high degree of accuracy is a very urgent task for enterprises engaged in its extraction and transportation.
Вместе с тем, количественный анализ ПГ является одной из сложнейших задач газоанализа по причине большого количества компонентов, входящих в его состав, а также значительного разброса величин их концентраций.At the same time, quantitative analysis of GHGs is one of the most difficult tasks of gas analysis due to the large number of components included in its composition, as well as a significant dispersion of their concentrations.
Наиболее распространенным методом определения химического состава ПГ, на сегодняшний день, является хроматографический анализ [Бузановский В.А., Овсепян А.М. Информационно-измерительные системы состава и свойств природного газа // Территория Нефтегаз, 2007, №8, с.36-43]. Основными недостатками данного метода являются необходимость иметь газ-носитель (например, He или Ar) для осуществления газохроматографического разделения, длительное время проведения анализа, а также деградация со временем характеристик основных узлов (детекторов, колонок) и связанная с этим необходимость в периодической поверке градуировки прибора.The most common method for determining the chemical composition of GHGs today is chromatographic analysis [Buzanovsky V.A., Hovsepyan A.M. Information-measuring systems of the composition and properties of natural gas // Territory Neftegaz, 2007, No. 8, p. 36-43]. The main disadvantages of this method are the need to have a carrier gas (for example, He or Ar) for gas chromatographic separation, a long analysis time, as well as the degradation of the characteristics of the main components (detectors, columns) over time and the need for periodic calibration of the instrument .
Кроме того, известен способ, основанный на лазерной абсорбционной спектроскопии [RU 2441219, 27.01.2012]. Данный способ свободен от недостатков хроматографического анализа, однако имеет ряд собственных. В первую очередь к ним относится необходимость предварительной информации о составе анализируемого газа, а также необходимость иметь несколько лазеров, работающих в различных диапазонах длин волн, что в итоге приведет к существенному удорожанию газоанализатора. Кроме того, данным способом невозможно определить концентрацию гомоядерных молекул, входящих в состав ПГ (например, N2, H2 и т.д.), определение содержания которых принципиально важно.In addition, a known method based on laser absorption spectroscopy [RU 2441219, 01/27/2012]. This method is free from the disadvantages of chromatographic analysis, but it has a number of its own. First of all, they include the need for preliminary information on the composition of the analyzed gas, as well as the need to have several lasers operating in different wavelength ranges, which will ultimately lead to a significant increase in the cost of the gas analyzer. In addition, in this way it is impossible to determine the concentration of homonuclear molecules that make up the GHG (for example, N 2 , H 2 , etc.), the determination of the content of which is fundamentally important.
Наиболее близким по принципу действия является способ анализа, основанный на использовании спектроскопии спонтанного комбинационного рассеяния света (СКР) [Бажанов Ю.В. и др. Количественный анализ газовых сред методом спектроскопии комбинационного рассеяния света // Аналитика и контроль, 1998, №3-4, с.65-74]. Основным его преимуществом является отсутствие расходных материалов, а также контроль всех молекулярных составляющих природного газа с помощью одного лазера с фиксированной длиной волны. Суть данного метода заключается в облучении анализируемого ПГ линейно поляризованным монохроматическим излучением и одновременной регистрации его спектра СКР в диапазоне 0-4200 см-1, куда попадают полосы всех молекул. Далее процесс сводится к следующему. Составляется система уравнений
, где j - номер спектрального компонента, k - номер пиксела,
Основным недостатком данного подхода является необходимость в знании сечений рассеяния σj компонентов на выбранных пикселях с очень высокой точностью, что является весьма нетривиальной задачей. Помимо этого, ввиду малого количества уравнений, в данном способе не удается корректно учесть случайные флуктуации световых сигналов (например, дробовой шум), вследствие чего точность анализа является низкой.The main disadvantage of this approach is the need for knowledge of the scattering cross sections σ j of the components at the selected pixels with very high accuracy, which is a very non-trivial task. In addition, due to the small number of equations, in this method it is not possible to correctly take into account random fluctuations of light signals (for example, shot noise), as a result of which the analysis accuracy is low.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа газоанализа природного газа, основанного на спектроскопии СКР, устойчивого к световым флуктуациям сигналов и не требующего информации о сечениях комбинационного рассеяния его компонентов. Технический результат - упрощение процедуры и повышение точности газоанализа природного газа.The problem to which the invention is directed is to create a method for gas analysis of natural gas, based on Raman spectroscopy, which is stable to light fluctuations of signals and does not require information on the Raman scattering cross sections of its components. EFFECT: simplified procedure and increased accuracy of gas analysis of natural gas.
Указанный результат достигается тем, что, как и в прототипе, происходит облучение природного газа линейно поляризованным монохроматическим излучением и производится одновременная регистрация его спектра СКР в диапазоне 0-4200 см-1. Но, в отличие от прототипа, до регистрации спектров СКР анализируемых образцов ПГ однократно регистрируются m спектров СКР эталонных газовых компонентов, входящих в состав ПГ, причем для них дополнительно регистрируется интегральная интенсивность облучающего лазерного излучения Ii, i=1..m, а величины относительных концентраций компонентов анализируемого ПГ из его спектра СКР определяются по формуле
Предлагаемый способ основан на том, что зарегистрированная интенсивность сигнала СКР от компонента i линейно зависит от концентрации молекул данного типа в анализируемом объеме и интенсивности возбуждающего (облучающего) лазерного излучения. Вместе с тем, сигналы СКР в многокомпонентных газовых средах, накладываясь друг на друга, обладают свойством аддитивности. Другими словами, суммарный зарегистрированный спектр СКР представляет собой сумму спектров СКР отдельных компонентов. Т.е. для случая многоканальной регистрации имеет место система уравнений
Стоит отметить, что абсолютно все лазеры, используемые для возбуждения в газах СКР, имеют нестабильность мощности по времени, которая, как правило, варьируется в пределах 1-15%. В этой связи целесообразным является контроль мощности излучения при регистрации спектров СКР эталонных компонентов. Кроме того, для осуществления высокоточных измерений необходимо учитывать степень неидеальности газов. По этой причине абсолютная концентрация молекул в эталонном газе i должна определяться по формуле
В свою очередь для повышения точности измерений a i в систему решаемых уравнений должны входить только те уравнения, для которых спектральный диапазон составляет 300-2500 см-1 и 3400-3750 см-1. Данное обстоятельство обуславливается тем фактом, что преобладающим компонентом в природном газе является метан, содержание которого составляет 80-95%. В свою очередь все углеводороды в спектре СКР имеют интенсивные полосы в области 2500-3400 см-1. Однако несмотря на это использование данной области спектра приводит к увеличению погрешностей вычисления ввиду выделения слабых полос тяжелых углеводородов на фоне очень интенсивных полос метана в этой области. Оставшиеся части спектра (250-2500 см-1 и 3400-3750 см-1) вполне подходят для анализа, так как здесь располагаются полосы всех основных компонентов природного газа, в т.ч. паров воды (3652 см-1), и при этом интенсивность полосы ν2 (1534 см-1) молекулы метана не преобладает в явном виде над интенсивностями полос других молекул природного газа.In turn, to increase the accuracy of measurements of a i , the system of equations to be solved should include only those equations for which the spectral range is 300–2500 cm –1 and 3400–3750 cm –1 . This circumstance is caused by the fact that the predominant component in natural gas is methane, the content of which is 80-95%. In turn, all the hydrocarbons in the Raman spectrum have intense bands in the region of 2500-3400 cm -1 . However, despite this use of this spectral region, the calculation errors increase due to the separation of weak bands of heavy hydrocarbons against the background of very intense methane bands in this region. The remaining parts of the spectrum (250-2500 cm -1 and 3400-3750 cm -1 ) are quite suitable for analysis, since there are bands of all the main components of natural gas, including water vapor (3652 cm -1 ), and the intensity of the ν 2 band (1534 cm -1 ) of the methane molecule does not explicitly prevail over the intensities of the bands of other natural gas molecules.
На фиг.1 изображена схема устройства для осуществления предлагаемого способа (1 - лазер, 2 - светоделительная пластина, 3 - фотоприемник, 4 - линза, 5 - кювета для напуска газа, 6 - манометр, 7 - измеритель температуры, 8 - ловушка лазерного излучения, 9 - объектив для сбора рассеянного света, 10 - светофильтр, 11 - спектральный прибор, 12 - электронный блок управления). На фиг.2 изображен спектр СКР ПГ в области 700-1900 см-1, а также вклады его отдельных компонентов в итоговый спектр СКР.Figure 1 shows a diagram of a device for implementing the proposed method (1 - laser, 2 - beam splitter, 3 - photodetector, 4 - lens, 5 - cuvette for gas inlet, 6 - pressure gauge, 7 - temperature meter, 8 - laser radiation trap , 9 - a lens for collecting scattered light, 10 - a light filter, 11 - a spectral device, 12 - an electronic control unit). Figure 2 shows the spectrum of SCR GHG in the region of 700-1900 cm -1 , as well as the contributions of its individual components to the total spectrum of SCR.
Способ осуществляется следующим образом. До проведения анализов образцов ПГ единоразово осуществляется регистрация спектров СКР отдельных компонентов природного газа i. Для этой цели возбуждающее линейно поляризованное излучение от лазера 1 попадает на светоделительную пластину 2, которая направляет часть излучения на фотоприемник 3, определяющий интегральную мощность излучения Ii в течение времени регистрации одного спектра. В свою очередь основная часть лазерного излучения фокусируется линзой 4 в центр кюветы 5, заполненной эталонным газовым компонентом i. Давление Pi и температура Ti газа в кювете контролируется манометром 6 и измерителем температуры 7 соответственно. Прошедшее сквозь кювету лазерное излучение поглощается ловушкой 8, а рассеянное излучение из центра кюветы под углом 90 градусов к возбуждающему излучению собирается объективом 9 и направляется сквозь светофильтр 10, ослабляющий свет на частоте лазерного излучения, на вход спектрального прибора 11, осуществляющего одновременную регистрацию спектра СКР в диапазоне 0-4200 см-1. Далее зарегистрированный спектр СКР эталонного газового компонента вместе с данными о его давлении и температуре при регистрации, а также с данными о соответствующей интегральной мощности возбуждающего излучения направляется в память электронного блока управления и согласно соотношению
После этого в кювету напускается анализируемый ПГ, проводится аналогичным образом регистрация его спектра СКР, за исключением того что не контролируется его давление, температура и мощность возбуждающего излучения. В электронном блоке управления величины относительных концентраций компонентов анализируемого ПГ из его спектра СКР определяются по формуле
За счет большого количества используемых уравнений предлагаемый способ является устойчивым к световым флуктуациям сигналов, а также к появлению новых компонентов в составе ПГ. Также стоит отметить, что данный способ, в отличие от прототипа, не требует учета уровня фона, поскольку фон в зарегистрированном спектре СКР ПГ, как и сигналы СКР, будет полностью компенсироваться вкладами от других компонентов. Кроме того, при использовании предлагаемого способа нет необходимости определять конструктивные параметры газоанализатора (угол сбора рассеянного излучения, спектральный коэффициент пропускания). Однако необходимо только, чтобы спектры эталонных газов и спектр газовой смеси были зарегистрированы при одной и той же настройке используемого СКР-газоанализатора.Due to the large number of equations used, the proposed method is resistant to light fluctuations of the signals, as well as to the appearance of new components in the GHG. It is also worth noting that this method, unlike the prototype, does not require taking into account the background level, since the background in the recorded spectrum of the GHG Raman spectra, as well as the Raman signals, will be fully compensated by contributions from other components. In addition, when using the proposed method, there is no need to determine the design parameters of the gas analyzer (angle of scattered radiation collection, spectral transmittance). However, it is only necessary that the spectra of the reference gases and the spectrum of the gas mixture be recorded with the same setting of the used Raman gas analyzer.
Таким образом, применение предлагаемого способа газоанализа природного газа значительно упрощает процедуру его анализа, способствует ее автоматизации, а также обеспечивает высокую точность измерений.Thus, the application of the proposed method of gas analysis of natural gas greatly simplifies the procedure for its analysis, contributes to its automation, and also provides high measurement accuracy.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013142763/28A RU2544264C1 (en) | 2013-09-19 | 2013-09-19 | Method of gas analysis of natural gas |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013142763/28A RU2544264C1 (en) | 2013-09-19 | 2013-09-19 | Method of gas analysis of natural gas |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2544264C1 true RU2544264C1 (en) | 2015-03-20 |
RU2013142763A RU2013142763A (en) | 2015-03-27 |
Family
ID=53286508
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013142763/28A RU2544264C1 (en) | 2013-09-19 | 2013-09-19 | Method of gas analysis of natural gas |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2544264C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2613200C1 (en) * | 2015-11-20 | 2017-03-15 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Laser gas analyzer |
RU2688886C1 (en) * | 2018-06-05 | 2019-05-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Method for gas analysis of natural gas |
CN111562247A (en) * | 2019-02-13 | 2020-08-21 | 中国石油天然气股份有限公司 | Hydrogen sulfide and carbon dioxide on-line analysis device and method |
RU2768242C1 (en) * | 2021-03-09 | 2022-03-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of determining gas compressibility factor |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0242926A1 (en) * | 1986-04-19 | 1987-10-28 | N.V. Nederlandse Gasunie | Method of determining a physical property of a medium |
RU2061224C1 (en) * | 1993-07-05 | 1996-05-27 | Валерий Михайлович Волынкин | Lydar |
CN1467492A (en) * | 2002-07-11 | 2004-01-14 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Test method and system for measuring gas component concentration by spontaneous Raman scattering technique |
WO2009101659A1 (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-20 | Shikoku Research Institute Incorporated | Method and apparatus for remote measurement of gas concentration |
RU2441219C1 (en) * | 2010-07-19 | 2012-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Method of determining component composition of natural gas in real time |
RU2492434C1 (en) * | 2012-01-24 | 2013-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) | Multi-channel high-performance raman spectrometer |
-
2013
- 2013-09-19 RU RU2013142763/28A patent/RU2544264C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0242926A1 (en) * | 1986-04-19 | 1987-10-28 | N.V. Nederlandse Gasunie | Method of determining a physical property of a medium |
RU2061224C1 (en) * | 1993-07-05 | 1996-05-27 | Валерий Михайлович Волынкин | Lydar |
CN1467492A (en) * | 2002-07-11 | 2004-01-14 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Test method and system for measuring gas component concentration by spontaneous Raman scattering technique |
WO2009101659A1 (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-20 | Shikoku Research Institute Incorporated | Method and apparatus for remote measurement of gas concentration |
RU2441219C1 (en) * | 2010-07-19 | 2012-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Method of determining component composition of natural gas in real time |
RU2492434C1 (en) * | 2012-01-24 | 2013-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) | Multi-channel high-performance raman spectrometer |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
БАЖАНОВ Ю.В. и др. Количественный анализ газовых сред методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Аналитика и контроль, N3-4, 1998, с.65-74. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2613200C1 (en) * | 2015-11-20 | 2017-03-15 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Laser gas analyzer |
RU2688886C1 (en) * | 2018-06-05 | 2019-05-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Method for gas analysis of natural gas |
CN111562247A (en) * | 2019-02-13 | 2020-08-21 | 中国石油天然气股份有限公司 | Hydrogen sulfide and carbon dioxide on-line analysis device and method |
RU2768242C1 (en) * | 2021-03-09 | 2022-03-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of determining gas compressibility factor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013142763A (en) | 2015-03-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhang et al. | High-sensitivity gas detection with air-lasing-assisted coherent Raman spectroscopy | |
US10557792B2 (en) | Spectral modeling for complex absorption spectrum interpretation | |
CN101109701A (en) | Multi-component gas online detection method and device | |
Han et al. | On-line multi-component analysis of gases for mud logging industry using data driven Raman spectroscopy | |
RU2544264C1 (en) | Method of gas analysis of natural gas | |
Christmann et al. | Correction of right-angle molecular fluorescence measurements for absorption of fluorescence radiation | |
CN113324973B (en) | Multi-factor correction Raman spectrum quantitative analysis method combined with spectrum internal standard | |
CN108444976B (en) | A method for measuring the calorific value of natural gas based on Raman spectroscopy | |
Pironti et al. | Determination of the 13C/12C carbon isotope ratio in carbonates and bicarbonates by 13C NMR spectroscopy | |
Chang et al. | Improved removal of volatile organic compounds for laser‐based spectroscopy of water isotopes | |
Mikkonen et al. | Detection of gaseous nerve agent simulants with broadband photoacoustic spectroscopy | |
Khannanov et al. | Analysis of natural gas using a portable hollow-core photonic crystal coupled Raman spectrometer | |
Petrov et al. | Multipass Raman gas analyzer for monitoring of atmospheric air composition | |
Petrov et al. | Evaluation of the metrological characteristics of Raman analyzer of natural gas | |
Rutherford et al. | Detection of paracetamol binding to albumin in blood serum using 2D-IR spectroscopy | |
RU126136U1 (en) | NATURAL GAS COMPOSITION ANALYZER | |
RU2688886C1 (en) | Method for gas analysis of natural gas | |
Petrov et al. | Natural gas analysis using polarized Raman spectroscopy | |
Herget et al. | Progress in the prototype development of a new multicomponent exhaust gas sampling and analyzing system | |
Schlüter et al. | Gas sensor for volatile anesthetic agents based on Raman scattering | |
Grishkanich et al. | SRS-lidar for 13C/12C isotops measurements environmental and food | |
RU2499250C1 (en) | Method to analyse multi-component gas media | |
RU2319136C1 (en) | Method and device for determining relative concentration of isopolymers of carbon dioxide | |
Lendl et al. | Mid-IR quantum cascade lasers as an enabling technology for a new generation of chemical analyzers for liquids | |
CN101845951B (en) | Method for quickly analyzing components of drilling liquid by using ultrasonic molecular beams |