一种用于石化载氢管道氢气和杂质含量在线监测的光纤传感系统与方法与流程

本发明涉及一种氢气浓度和杂质含量在线监测系统与方法，具体的说是一种用于石化载氢管道氢气和杂质含量在线监测的光纤传感系统与方法。

背景技术：

目前，载氢工艺在石化行业应用广泛，在适当的温度、氢气浓度与气压等条件下，生成一定分子量的烃类或者醇类等化工产品。乙烯氢气被用于加氢裂化装置和蜡油加氢等装置中，如果乙烯氢气纯度降低(CH₄、CO、CO₂杂质含量上升)，将降低上述加氢装置的系统氢气分压，不利于加氢反应，严重影响产品质量。另一方面，许多企业所使用的乙烯氢气为外购，受工艺限制，来自乙烯脱甲烷塔的乙烯氢气中不可避免含有一定浓度的CH₄，如果乙烯脱甲烷塔操作不稳，将导致乙烯氢气中CH₄含量增加，使得有效组分H₂含量降低，增加购买价格。因此，石化等企业迫切需要乙烯氢气纯度及杂质含量在线监测技术。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出了一种用于石化载氢管道氢气和杂质含量在线监测的光纤传感系统与方法。本系统传感器本征安全，通过光信号增强气室将光纤F-P传感技术与拉曼光谱分析技术相结合，可在线实时监测石化等行业工艺管线中高浓度氢气和杂质的含量，使氢气等危险气体的在线监测更加安全准确。

为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种用于石化载氢管道氢气和杂质含量在线监测的光纤传感系统，包括：测量导气旁管(4)、光信号增强气室(6)、光源单元(11)、信号探测单元(7)、信号解调单元(13)和数据处理单元(14)；所述的光信号增强气室(6)上开有进气口、排气口、进光口、信号探测单元接口；所述的光信号增强气室(6)内部左右两侧镶嵌有两块凹面反射镜，光源单元(11)发出的激光束从其中一块凹面反射镜一侧导入，射向另一块凹面反射镜一侧，激光束在腔内经两块凹面反射镜多次反射并且每次反射的光线都经过腔体的中心部位，使会聚的光斑的能量增强，从而增强拉曼散射信号；石化载氢主管道(1)中的气体依次通过测量导气旁管(4)和进气管道(5)进入光信号增强气室(6)，并通过排气管道(8)进入放空管道(9)，使气体不停流动以保证气室(6)与主管道(1)中气体成分的一致性；光源单元(11)发出的激光通过光纤光缆(10)导入光信号增强气室(6)，激发气体的拉曼信号，同时信号探测单元(7)将探测到的拉曼信号通过传输光缆(12)传输到位于非防爆区的信号解调单元(13)进行解调，信号解调单元(13)将解调后的数据通过RS-485串口线传输到数据处理单元(14)进行数据处理以及测量参量的实时显示。

所述的光纤传感系统，所述光信号增强气室(6)与测量导气旁管(4)连通，测量导气旁管(4)从石化载氢主管道(1)引出，其功能是让测量气路与主管道分离，保证测量系统的安全性，同时保证了光信号增强气室(6)与主管道(1)中气体成分的一致性；测量导气旁管(4)前端依次接有减压阀(2)和截止阀(3)，减压阀(2)用于降低测量气室中气体的压力，保证测量时整个系统的运行安全，截止阀(3)用来控制气流的通断，以便于系统调试；测量时通过调整减压阀(2)来减小进入气室的气体压强，然后打开截止阀(3)，石化载氢主管道(1)中的气体依次通过测量导气旁管(4)和进气管道(5)进入光信号增强气室(6)。

所述的光纤传感系统，所述光信号增强气室的底面正对信号探测单元(7)的位置设置有平凹透镜(19)，其高反射率的特性具有增强收集拉曼信号的作用。

所述的光纤传感系统，所述信号探测单元接口设置有石英窗口波片(16)，信号探测单元(7)透过石英窗口波片(16)接收拉曼信号。

所述的光纤传感系统，所述的进气管道(5)与排气管道(8)的内径要求一致，以保证进入光信号增强气室(6)的气体与排出的气体数量相等，消除气室内因气体流通与气室边缘相作用产生的湍流，保证光信号增强气室(6)内所测气体压强的稳定性和成分的相对均匀。

所述的光纤传感系统，只有信号探测单元(7)为本征安全的光学元器件，而测量系统的信号解调单元(13)与光源单元(11)、数据处理单元(14)带电部分设置于防爆区100米以外的位置，以保证测量系统的安全性；测量时通过光纤光缆(10)将光源单元(11)发出的激发光导入光信号增强气室(6)，激发气室内气体的拉曼信号；同时通过传输光缆(12)将信号探测单元(7)探测到的拉曼信号传输到位于非防爆区的信号解调单元(13)进行解调。

所述的光纤传感系统，所述带电的光源单元(11)、信号解调单元(13)以及数据处理单元(14)嵌入到同一台机箱中，该机箱远离石化防爆区，以便于系统的保护与测量安全性。

根据任一所述系统进行石化载氢管道氢气和杂质含量在线监测的的方法，包括以下步骤：测量时通过调整减压阀(2)来减小进入气室的气体压强，然后打开截止阀(3)，石化载氢主管道(1)中的气体依次通过测量导气旁管(4)和进气管道(5)进入光信号增强气室(6)，在光信号增强气室(6)内，光源单元(11)发出的激光束从其中一块凹面反射镜一侧导入，射向另一块凹面反射镜一侧，激光束在腔内经两块凹面反射镜多次反射并且每次反射的光线都经过腔体的中心部位，使会聚的光斑的能量增强，从而增强拉曼散射信号；气体通过排气管道(8)进入放空管道(9)，使气体不停流动以保证气室(6)与主管道(1)中气体成分的一致性；光源单元(11)发出的激光通过光纤光缆(10)导入光信号增强气室(6)，激发气体的拉曼信号，同时信号探测单元(7)将探测到的拉曼信号通过传输光缆(12)传输到位于非防爆区的信号解调单元(13)进行解调，信号解调单元(13)将解调后的数据通过RS-485串口线传输到数据处理单元(14)进行数据处理以及测量参量的实时显示。

由于采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明的光信号增强气室是基于F-P增强腔设计的，基本原理是光束在气室内多次反射并且每条光线都经过气室中心部位，使会聚的光斑能量增强；

该系统传感器采用将光纤F-P传感技术与拉曼光谱分析相结合，可有效提高激光拉曼光谱法的气体检测灵敏度及准确度，另外，该系统传感器本征安全，可在线实时监测石化等行业工艺管线中高浓度氢气和杂质的含量，使氢气等危险气体的在线检测更加安全准确。

本发明的信号探测单元固定于气室上方，且只需一个拉曼探头即可检测到多种成分气体的信号，如CH₄、CO、CO₂、H₂S等，不需要光传感器；

本发明应用于石化氢气管道的长期在线监测，管道中氢气浓度达90％以上，对测量系统的防爆要求很高，所以我们与管道连接的光信号增强气室必须不能带电，本征安全；我们的光源单元等带电单元都位于100米外的非防爆区，与气室通过光缆连接，不直接接触到气体；

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图中：1-载氢工艺主管道，2-减压阀，3-截止阀，4-测量导气旁管，5-进气管道，6-光信号增强气室，7-信号探测单元，8-排气管道，9-放空管道，10-光纤光缆，11-光源单元，12-传输光缆，13-信号解调单元，14-数据处理单元。

图2是本发明中光信号增强气室及其内部部件结构示意图

图中：15-信号探测单元固定法兰，16-石英窗口波片，17-凹面反射镜，18-凹面反射镜，19-平凹透镜，A-进气口，B-排气口，C进光口，D-信号探测单元接口；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的石化载氢管道氢气和杂质含量在线监测的光纤传感系统与方法，包括测量导气旁管(4)、光信号增强气室(6)、光源单元(11)、信号探测单元(7)、信号解调单元(13)和数据处理单元(14)等。

该系统运行时，首先要通过调整减压阀(2)来减小进入光信号增强气室(6)的压强，以保证测量系统的安全，然后打开截止阀(3)，石化载氢主管道(1)中的气体依次通过测量导气旁管(4)和进气管道(5)进入光信号增强气室(6)，并通过排气管道(8)进入放空管道(9)，此处测量导气旁管(4)的功能是将测量系统与主管道(1)分离，保证测量系统的安全性，同时使气体流动以保证光信号增强气室(6)与主管道(1)中气体成分的一致性。光源单元(11)发出的激光通过光纤光缆(10)导入光信号增强气室(6)，激发气体的拉曼信号，同时信号探测单元(7)将探测到的信号通过传输光缆(12)传输到位于非防爆区的信号解调单元(13)进行解调，信号解调单元(13)将解调后的数据通过RS-485串口线传输到数据处理单元(14)进行数据处理以及测量参量的实时显示。

参考图2，所述的光信号增强气室内部左右两侧镶嵌有两块凹面反射镜17和18，形成F-P增强腔，从气室右侧进入的光束在腔内经两块凹面反射镜17和18多次反射、并且每次反射条光线都经过腔体的中心部位，使会聚的光斑的能量增强，从而增强拉曼散射信号。气室的下侧置有平凹透镜19，其高反射率的特性具有增强收集拉曼信号的作用。气室的上侧置有石英窗口波片16，其作用是保证气室的密封性以及信号探测单元对于信号的收集。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。