论文总字数：18092字

摘 要

测定天然气中的水含量（或水露点）对于天然气的管道安全运输十分重要。当天然气中的水蒸气高于一定的值时，容易在管道中与其他物质产生水合物，从而腐蚀管道，使管道寿命降低。由于脱水技术的限制，干燥的天然气意味着高成本。因此，在不同环境下，适当地对天然气进行适当的干燥处理，既可以控制成本，又能保证天然气的安全运输。水含量（水露点）的测定在这之中就扮演着重要角色。

本文以天然气水露点的测定为背景，论述了基于拉曼光谱的天然气水露点检测方法。首先，与现有的检测方法对比，说明拉曼光谱检测的优势所在，对所选定的拉曼光谱仪的光路以及硬件进行了分析；其次，通过对拉曼光谱数据的分析，测定天然气中的水含量；最后，按照国家标准的要求，设计一个计算程序，将测得的水含量转化成水露点，软件部分用MATLAB实现。本课题提供了一种有效的转换天然气水含量与水露点的程序。

关键词：天然气 拉曼光谱 水露点

Water Dew Point Detection Method of Natural Gas Based on Raman Spectra

Abstract

The determination of water content (or dew point) in natural gas is very important for the safe transportation of natural gas in pipelines.When the water vapor in natural gas is higher than a certain value, it is easy to produce hydrate with other substances in pipeline, which corrodes pipeline and reduces the service life of pipeline. On count of the limitation of dehydration technology, dry natural gas means high cost.Therefore, in different environments, proper drying of natural gas can not only control the cost, but also ensure the safe transportation of natural gas. The determination of water content (dew point) plays an important role in this process.

Based on the measurement of dew point of natural gas, this paper discusses the detection method of dew point of natural gas based on Raman spectroscopy. Firstly, the advantages of Raman spectroscopy are compared with the existing detection methods, including the optical path analysis and hardware analysis of the selected Raman spectroscope; secondly, the water content in natural gas is calculated by analyzing the Raman spectroscopic data; finally, in order to meet the requirements of national standards, an algorithm is designed to convert the measured water content into water dew point. Thecontent of software is realized by MATLAB. This paper provides an effective procedure for the conversion of natural gas water content to dew point.

Keywords: Natural Gas; Raman Spectra; Water Dew Point

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 概述 1

1.2 天然气中水蒸气含量/水露点的测定方法及现状 1

1.3 各天然气水含量检测方法性能对比 3

1.4 拉曼光谱法测量天然气中的水含量 4

1.5 本文主要研究内容 4

第二章 拉曼光谱仪的构造及其应用 6

2.1 拉曼光谱仪的构造 6

2.2 拉曼光谱测量的关键技术 8

2.3 实验装置 9

2.4 本章小结 10

第三章 拉曼光谱的分析 12

3.1 原始光谱的处理 12

3.2 拉曼光谱中水的定性分析 13

3.3 拉曼光谱中水的定量分析 15

3.4 本章小结 16

第四章 水含量与水露点的转换 17

4.1 换算方法的简介 17

4.2 换算原理 18

4.3 算法测试 21

4.4 本章小结 22

结语 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 引言

1.1 概述

天然气是当今世界的重要资源之一，其开采、贮藏技术均已较成熟，然其运输方面还存在着很多问题。天然气通过世界各地的管道大量输送，许多管道在海洋底部运行，全年温度约为4 ^oC，其他管道在陆地上运行，全年温度变化，有时从夏季的极高水平到冬季的极低水平（-40 ^oC）；甲烷通过高压管道输送，通常超过100 atm。这些条件（低温和高压）有利于管道中存在水时形成包合物水合物。自80年前发现这些包合物以来，天然气水合物堵塞天然气管道一直是一个悬而未决的问题。天然气管道堵塞是天然气水合物形成的结果，至今仍是人员和生产设备的主要安全隐患之一，存在重大的经济风险。天然气水合物是在良好的温度和压力下由气-水蒸汽混合物形成的。此外，高流速和管道内的压力波动可以加速水合物的形成，杂质和液滴的存在对水合物的形成也起着重要作用。所以，测定天然气中的水含量对于天然气安全运输来说非常重要。

1.2 天然气中水蒸气含量/水露点的测定方法及现状

测定天然气水蒸气含量/水露点的方法甚多,已经颁布了2项国际标准和1项国际标准草案: 即卡尔费休滴定法 (ISO10101-1993)、冷却镜面凝析湿度计(ISO6327-1981) 和测定高压下天然气中水蒸气含量的称量法(ISO11541-1997)^[1]。美国测试计量协会（ASTM）列出三种标准用来监测天然气管道水含量：（1）水的标准试验方法，通过测量露点温度来测定气体燃料的蒸气含量-标准ASTM D1142；（2）水的标准试验方法，使用电子水分测定仪测定气体燃料的蒸气含量 -标准ASTM D5454；（3）天然气中水蒸气（水分浓度）的测定，通过可调谐二极管激光光谱（TDLAS）-标准ASTM D7904。我国颁布了1项国家标准和1项行业标准: 即冷却镜面凝析湿度计法(GB/T17283-1998)和电解法(SY/T7507-1999)^[1]。除此之外，还有激光法、电容法、光纤法和石英晶体振荡法,这4种方法因为操作维护简单，适用于在线测量，具有较大的推广价值^[2]。

1. 激光法

激光法测量水浓度是基于朗伯-比尔定律实现的，当激光穿过被测气体时，光强的衰减满足以下公式：

（1-1）

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