四方儀器：用自主研發的精密儀器為燃氣監測藍海市場賦能
在能源結構轉型和環保要求日益嚴格的背景下，燃氣熱值的準確、快速、實時監測成為保障產品質量、提升能源利用效率、促進可持續發展和生產安全的關鍵一環。四方光電（武漢）儀器有限公司（簡稱：四方儀器），作為國產品牌氣體分析解決方案的重要提供商，憑借其強大的研發實力和創新能力，自主研發了一系列精密儀器，為燃氣監測的藍海市場注入了新的活力和革命性的變化。本文從燃氣熱值監測的意義著手，闡述了我國多行業對燃氣熱值監測的巨大需求及熱值監測的主要難點，四方儀器自主研發的系列產品無疑極好地解決了這一監測難題。在推動國產化產品應用的今天，國產品牌的崛起可有效避免“卡脖子”的發生。
燃氣監測的巨大市場需求
燃氣即可燃性氣體，常用的可燃氣體包括天然氣、煤氣、天然氣和沼氣等，燃氣的熱值是指單位數量（體積或質量）的燃氣完全燃燒時所放出的熱量。
不同燃氣的組成成分有所差別，主要包括烴類和少量非烴類氣體如：氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）等組成的混合氣。
燃氣熱值監測的重要意義，主要包括：（1）保障能源利用效率、減少浪費；（2）及時發現熱值的異常變化，確保設備安全穩定運行；（3）利于實現生產工藝優化；（4）保證燃氣充分燃燒、減少污染氣體排放，保護環境安全；（5）保證燃氣交易和結算的公平。
燃氣熱值監測在很多領域得到應用，如能源行業、工業領域、環保及科研領域等，這些都是重要和巨大的領域，對熱值監測的需求也是非常大的。
燃氣熱值監測的難點及主要方法
燃氣熱值監測的難點
熱值監測的難點，從監測環境的角度分析，涉及復雜工況下的準確性問題。氣體成分的復雜性、反應過程的迅速性等都是其主要影響因素。熱值監測主要應用于鋼鐵廠、化工廠、發電廠等，這些企業普遍生產環境復雜，而溫度、壓力、流量等因素的變化都會影響燃氣的熱值。例如在鋼鐵生產中，窯爐內的溫度和壓力波動會導致燃氣燃燒不完全，使熱值測量結果產生偏差。而且熱值如果控制不好，設備容易損壞，校準難度大，維護成本高。
此外，還有監測實時性或者說數據代表性問題：在燃氣生產和輸送過程中，燃氣的成分和熱值可能會隨時發生變化。部分監測設備無法實時反映煤氣熱值的變化，導致數據滯后，無法及時調整生產參數。
燃氣熱值監測的主要方法及特點
目前燃氣熱值測量主要有直接法和間接法。
直接法：即燃燒法，過程復雜、檢測速度慢，而且只能檢測熱值，難維護，故障率高，而且無法同時了解到各組分濃度數值，對優化生產工藝沒有參考價值，且受環境因素影響較大。
間接法：即成分分析法，可以精確測量煤氣中各組分的含量，但常規儀器技術要求高且監測成本較高。氣相色譜是常用的燃氣熱值間接測量設備，它利用色譜柱分離混合氣體，再通過監測器監測各組分，分析速度成本高；此外，色譜柱的性能、溫度、壓力等因素都會影響分離效果，而且需要高純H2作為載氣，對操作人員的技術要求較高。氣相色譜儀雖然分析精度高，但取樣誤差較大，容易導致最終計算的熱值不準確。
而燃氣熱值檢測的基本要求是簡單、快速（達到秒級響應）、具有精確的成分分析能力，而光譜分析的技術原理恰好可以滿足這三點要求。目前燃氣成分分析法主要包括拉曼光譜法、紅外光譜法和激光光譜法等，光譜法的分析原理是基于散射或吸收光譜測量成分，然后獲得熱值。眾所周知，光譜分析方法的一個突出優點是快速，基本都可以在幾秒或十幾秒時間內獲得檢測結果，而燃燒法一般需要十幾分鐘才能得到結果；此外，光譜分析法樣品預處理過程非常簡單。從測量參數的角度，燃燒法可以獲得華白指數、比重和燃燒空氣指數，而光譜法除了這三項參數外，更可以檢測組分濃度、熱值。因此，光譜分析方法是熱值監測的更優選擇。
我國生產企業曾使用價格昂貴的進口光譜儀器監測燃氣熱值，監測成本高，不利于推廣普及。四方儀器的激光拉曼、紅外分析儀等國產儀器的問世，不僅打破了國外品牌的壟斷，而且具有價廉、快速、實時、便捷等特點，滿足了眾多行業領域燃氣熱值監測的需要。
四方儀器的國產之光
早在2012年，四方儀器依托其自有核心氣體傳感技術平臺，牽頭承擔了科技部國家重大科學儀器設備開發專項“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發與應用”項目。在政府項目和企業自籌經費的支持下，四方儀器針對激光拉曼光譜法的特征信號較弱等業界技術難題，持續鉆研激光拉曼光譜氣體分析技術十余年，最終成功開發出國內首家具有自主知識產權的商業化產品——LRGA系列激光拉曼光譜氣體分析儀，填補了國內相關領域的技術空白。
現在，四方儀器以其深厚的技術底蘊和卓越的產品性能，在行業內嶄露頭角，并積極參與行業標準SY/T 7433《天然氣的組成分析 激光拉曼光譜法》的起草工作，促進了燃氣監測行業的規范化和標準化發展。
圖1 四方儀器拉曼-國家重大科學儀器設備開發專項-科學技術部立項通知
目前，四方儀器基于其自主研發的氣體分析設備，推出了一套光譜法熱值分析解決方案。該方案采用行業領先的光學成分法分析原理，結合拉曼光譜、紅外光譜和激光光譜等多種光學技術，實現了對煤氣成分和熱值的同步監測，已在油氣開采、燃氣集輸、冶金、石油化工、煤化工、焦化、乙烯裂解、發電等多個行業的實際應用場景中發揮出重要作用。幫助企業精確控制工藝流程，提升生產效率，確保生產過程的安全性，并為行業的生產決策提供堅實的數據支持和可靠依據。
高精度、全組分：激光拉曼光譜氣體分析儀的技術新突破
四方儀器的激光拉曼光譜氣體分析技術在國內處于領先地位，打破了國外技術壟斷，為國內企業在高端氣體分析儀器的研發和應用上樹立了榜樣。同時，四方儀器積極參與行業標準的制定和技術交流活動，促進了燃氣監測行業的規范化和標準化發展。工業過程氣體分析領域，傳統技術面臨著一系列挑戰，包括分析流程復雜、耗材需求高昂、響應時間緩慢、分析范圍有限以及維護成本昂貴等。四方儀器是國內首家采用激光拉曼技術研發氣體分析儀器的企業，其創新研發的系列產品為該領域帶來了革命性的進展。
技術原理和創新：四方儀器自主研發的激光拉曼光譜氣體分析儀，利用激光拉曼散射原理，通過分析氣體分子的振動頻率來識別不同氣體成分，并精確計算其熱值。這項技術突破了傳統熱值監測方法的限制，不僅能夠實時、在線地監測燃氣熱值，還能有效避免水分等干擾因素對監測結果的影響。
多組分氣體監測：該儀器能夠同時監測包括H2、N2、O2、CO、CO2、H2S、NO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、i-C4H8、n-C4H8、i-C4H10、n-C4H10、CH3NO2等在內的多種氣體成分，實現對燃氣熱值的全面評估。這種多組分監測能力使得四方儀器的激光拉曼光譜氣體分析儀在市場上具有顯著的競爭優勢。
高精度與穩定性：通過融合多項授權發明專利技術和創新的硬件設計，四方儀器成功解決了激光拉曼光譜法特征信號弱的難題，實現了對低密度過程氣體的高精度監測。同時，采用基于Ar基底自動扣除、基于標定氣體干擾自動修正等軟件算法，進一步消除了環境溫度、壓力、干擾氣體等因素對測量結果的影響，確保了數據的準確性和穩定性。
圖2 四方儀器拉曼技術系列產品
瞬時響應：激光過程氣體分析儀
四方儀器的激光過程氣體分析儀，具有多項技術優勢，可滿足在實際應用對復雜環境監測需求。
激光過程氣體分析儀采用TDLAS技術，具有抗干擾能力強，不受背景氣體交叉干擾，準確地對目標氣體分析。可同時監測多種氣體，如O2、CO、CO2、CH4等常見工業氣體。
四方儀器生產的激光過程氣體分析儀主要特點包括：
原位安裝測量：可直接安裝在工業現場的管道或設備上進行原位測量，避免了傳統采樣方式帶來的時間延遲和樣品失真等問題，能夠實時反映被測氣體的真實情況。
響應速度快：響應時間快速，在原位式測量中一般以秒計算，可及時捕捉到氣體濃度的變化，對于快速變化的工業過程控制具有重要意義。
測量精度高：能夠連續不斷地對氣體進行監測，保證了測量數據的可靠性和連續性，為工業過程的精準控制提供了有力的數據支持。
適應性和穩定性：在高溫、高粉塵、高水分、高腐蝕性、高流速等惡劣測量環境下具有良好的適應性，可在多種復雜的工業場景中穩定工作，減少了因環境因素導致的測量誤差和維護成本。采用隔爆防爆設計，安全系數高，可有效防止因電氣故障等原因引發的爆炸事故，保障工業生產的安全運行。
四方儀器的激光過程氣體分析儀是基于可調諧半導體激光吸收光譜技術（TDLAS）的高性能光學分析儀器，采用對射式設計，可用于工業過程氣體控制；其響應時間快速，在原位式測量中一般以秒計算，避免采樣式測量帶來的時間延遲，可在線及時地反應被測氣體濃度。
圖3 四方儀器激光技術系列產品
低成本、高精度：紅外氣體分析儀
高精度測量：采用先進的紅外氣體傳感技術，能夠同時準確測量多種氣體成分的濃度，測量精度高。
多氣體同時測量能力強：可以同時測量多種氣體，針對不同類型的氣體和不同的測量需求，可以選擇不同技術原理的傳感器進行組合配置。
抗干擾能力強：通過特殊的設計和技術手段，如采用微流紅外檢測技術并配置水分補償機構，有效解決了氣態水對氣體測量的干擾問題，即使在濕度較高的環境下也能保證測量結果的準確性。在復雜的氣體環境中，能夠抵抗其他氣體對目標氣體測量的交叉干擾，確保測量數據的可靠性和穩定性。
紅外氣體分析儀采用自主知識產權的非分光紅外（NDIR）氣體分析技術，長壽命電化學傳感技術，以及基于MEMS的熱導技術，可同時測量煤氣、生物燃氣的熱值，以及CO、CO2、CH4、H2、O2、CnHm等氣體的體積濃度。
圖4 四方儀器紅外技術系列產品
四方儀器成功應用案例
四方儀器的產品已在油氣開采、燃氣集輸、冶金、石油化工、煤化工、焦化、乙烯裂解、發電等多領域得到廣泛的應用。這里，筆者選擇了兩個典型案例以饗讀者。
案例1：大型油氣企業——天然氣全組分監測項目
合作背景
隨著全球能源結構的轉型和環境保護意識的增強，天然氣作為清潔能源的重要組成部分，在能源市場中的地位日益凸顯。在這一背景下，眾多大型海上油氣生產運營商都面臨著環境保護、產品質量和安全生產等多方面的挑戰和要求，全組分監測技術顯得尤為重要。此外，熱值監測也是優化開采和處理工藝、提高資源利用率和經濟效益的關鍵。隨著法規對環保和安全標準的提高，熱值監測設備也成為了運營商確保合規性不可或缺的工具。由于天然氣的熱值和燃燒效率直接受其組分影響，所以在精確監測天然氣成分的同時，熱值監測也可以為企業在天然氣質量上嚴格把關，幫助企業提高市場競爭力。
項目介紹
中海石油（中國）有限公司海南分公司，作為我國海上第一大天然氣清潔能源供應基地，承擔著大面積海域石油天然氣的勘探、開發和生產業務，對天然氣全組分及熱值監測的需求尤為迫切。
天然氣分析儀作為一種專業的氣體監測與分析設備，其主要目的是精確測量天然氣中各組分的濃度。這種設備可以有效識別和量化天然氣中的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等烴類成分，以及硫化氫、二氧化碳等非烴類成分。通過這些數據的獲取，可以為天然氣生產、輸配、利用等環節提供有力的技術支持和決策依據。傳統的氣相色譜分析儀雖然能夠提供組分分析，但在熱值監測方面存在局限，且價格十分昂貴。
響應“核心儀表國產化”的號召，中石油迫切需要一種能替代傳統進口色譜分析儀的國產化解決方案。經過深入的市場調研和產品測試，四方儀器生產的激光拉曼分析儀完全符合客戶需求。該設備在中海油的終端處理廠的試點驗證中，與現有的某進口品牌色譜儀進行了對比測試，展現出了卓越的性能。
案例2：走出國門——盧旺達KivuWatt天然氣開采監測項目
項目背景
盧旺達的基伍湖被譽為“非洲大湖”之一，在分層深水區（低于250米）中有大量溶解甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），濃度高達約20 mmol/l的甲烷氣體足以用于商業氣體提取和發電。ContourGlobal在基伍湖上實施了一個發電計劃，利用基伍湖深水中發現的高濃度甲烷氣體來發電，這一項目被稱為KivuWatt項目。
合作背景
盧旺達KivuWatt項目是世界上第一個漂浮在湖中的天然氣開采平臺。為了安全開采基伍湖的甲烷，天然氣提取設施位于湖岸13公里處，連接至湖底。從350米深處取水，氣體提取過程通過氣體分離器，從壓力35-2bar的載氣水中提取出含有CH4的氣泡，然后在四個洗滌塔中洗滌原始氣體，最終產生潔凈的高濃度甲烷氣體，通過一條13公里長的半淹沒管道輸送到湖岸邊26兆瓦的發電廠。發電廠內的大型內燃發電機組將沼氣能量轉化為電能，為盧旺達國家公用電力系統提供必需的電力。二氧化碳則被泵回湖中，以維持湖中微妙的平衡不被破壞。
項目介紹
為確保輸送到發電廠的氣體符合內燃機對燃氣的質量要求，盧旺達KivuWatt項目需要在氣體提取平臺上安裝一個可長期連續運行的沼氣監測系統，用于監測來自3個不同工藝點的天然氣氣體質量數據：原始氣體，提純后的氣體，以及火炬氣。
項目需要直接測量原始氣體的成分，而不是通過計算得出，包括CH4、CO2、H2S、O2和N2等，以精準監測氣體成分。這就需要實時在線連續監測，確保工藝的正常運轉并盡量降低維護周期和停機檢修帶來的損失，以達到最佳生產效率。
為實現以上監測目的，KivuWatt項目組通過對不同技術路線和不同供應商方案的比較，最終采用了四方儀器激光拉曼在線防爆型分析系統，提供高精度、低維護的實時監測。
公司簡介
四方光電（武漢）儀器有限公司為四方光電股份有限公司（股票代碼688665）的全資子公司，簡稱：四方儀器，前身為成立于2010年的湖北銳意自控系統有限公司，是一家專業提供氣體成分及流量測量方案的高新技術企業，服務于工業過程監測、環境監測、汽車/發動機排放檢測、科學研究氣體分析等領域。
在工業過程監測領域，基于自有核心氣體傳感技術平臺的優勢，四方儀器自主研發了激光拉曼(LRD)、可調諧半導體激光(TDLAS)、非分光紅外(NDIR)、超聲波(Ultrasonic)、熱導(TCD)、長壽命電化學(ECD)等技術原理的氣體傳感器模組、分析儀器及氣體流量計。產品形態豐富，包括在線式儀表、便攜式儀表、防爆監測系統等，充分滿足各種復雜環境下的工況監測需求。其中，激光拉曼光譜氣體分析儀曾被列入“國家重大科學儀器設備開發專項”，所參與的“天然氣中硫化物光譜檢測技術研究及應用”項目榮獲“2021年度中國石油與化工自動化行業科技進步一等獎”。便攜式紅外沼氣分析儀、紅外煤氣分析儀曾相繼獲得國家重點新產品證書，紅外煤氣分析儀獲得中國儀器儀表學會“優秀產品獎”榮譽，其核心技術獲評“湖北省發明專利金獎”。
四方儀器憑借長期的技術沉淀、嚴格的質量體系及國際化視野，產品已出口多個國家和地區，正朝著高端氣體分析科學儀器國際品牌邁進。
