气相色谱分析天然气组分过程中提升质量效益的方法

刘 鹤

（中海石油化学股份有限公司，海南东方 572600）

气相色谱法（GC）是英国生物化学家马丁等在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分离复杂的多组分混合物。气相色谱法（GC）由于分析速度快、灵敏度高、应用范围广等特点已经成为各个领域最为常用的分析方法，在许多分析实验室中发挥着极为重要的作用[1]，而气相色谱法在天然气组分分析中的应用也较广泛[2-4]。

气相色谱法在给化学分析工作带来极大方便的同时，也面临着分析成本高昂的问题。因此，近年来，以节约耗材、提升质量效益为目的的快速准确、多组分同时分析色谱分析技术成为了研究热点[5-7]。

载气是气相色谱分析天然气组分过程中必不可少的重要耗材之一，而载气消耗也是气相色谱分析过程中的主要分析成本之一。为降本增效、节能环保，本文尝试从气相色谱分析分析天然气组分工作的各个关键环节进行研究，对色谱分析过程中提升质量效益的途径进行实验和探讨。

1 探讨

1.1 现状调查

对目前实验室载气消耗速度进行调查。通过采取连续15d对实验室使用的氢气、氦气、氩气消耗速度进行监控的方式（气瓶小于2MPa 更换），对目前实验室载气消耗速度进行调查。调查结果显示，三种气体的平均消耗速度分别为氢气0.92MPa/d，氦气0.99MPa/d，氩气0.50MPa/d，三种气体每天消耗总量为2.4MPa。若按照每瓶载气初始压力12MPa 使用至2MPa 更换计算，实验室每4.2d 消耗完1瓶载气，按照此消耗速度，实验室每月大约共消耗7.2瓶载气，每年载气成本为7.2瓶×12月×600元/瓶=51 840元。

1.2 确定目标

由以上调查结果可知，实验室氩气的使用量最少，消耗速度为0.5MPa/d，计划通过本次实验将实验室载气消耗平均速度降至0.5MPa/d 以下，即消耗总量降至1.5MPa/d 以下，故本次实验探讨目标为实验室载气消耗速度降低37%。

1.3 原因分析

分别从人员、仪器耗材、方法三个方面分析可能影响载气消耗量的末端因素，共分析出9个末端因素，分别为：①分析人员培训不到位，更换载气钢瓶时操作不规范；②色谱接头漏气；③管线漏气；④减压阀漏气；⑤钢瓶总阀泄漏；⑥钢瓶压力不足；⑦色谱开机时间长；⑧载气流量大；⑨氢火焰耗气量大。

1.4 要因确认

分别采用调查分析、现场验证、现场测试等手段对以上9个可能影响载气消耗量的末端因素进行确认，确认结论如下。1.4.1 分析人员培训不到位，更换载气钢瓶时操作不规范

分析室有比较完备的培训计划、记录，对于更换载气钢瓶，属于危险操作，班组长都会亲自给员工讲解和演示，在调查中发现，员工更换载气手法符合要求，所以该因素并非主要原因。

1.4.2 色谱接头漏气

色谱仪有大量的载气接头，包括色谱柱接头，容易出现漏气的情况，对在用的5台色谱所有接头和色谱柱进行查漏，并未出现漏气的情况，说明该因素并非主要原因。

1.4.3 管线漏气

色谱分析使用的载气通过细铜管线从载气钢瓶输送到色谱仪，管线中间连接接头较多，每种载气管线中间大约有10个接头，而接头处最容易出现漏气。采用肥皂水对接头进行试漏，并且关闭色谱，对管线进行试压，发现并未出现接头漏气和试压漏气的情况，所以管线漏气不是主要原因。

1.4.4 减压阀漏气

载气钢瓶出口段连接有减压阀，如果减压阀出现漏气，会使钢瓶总压快速下降。连接好减压阀后，用肥皂水对减压阀进行漏气检查，并未发现泄漏的情况，所以减压阀漏气不是主要原因。

1.4.5 钢瓶总阀泄漏

打开钢瓶总阀开关，用肥皂水对钢瓶总阀外围进行漏气检查，并未发现泄漏的情况，所以钢瓶总阀泄漏不是主要原因。

1.4.6 钢瓶压力不足

载气钢瓶充压一般在12MPa 以上，如果钢瓶出厂时充压不足，会大大缩短使用周期，对近三个月的载气钢瓶进行排查，有98%的钢瓶压力达到12MPa 以上，所以钢瓶压力不足不是主要原因。

1.4.7 色谱开机时间长

一般情况下，气相色谱开机时间运行时间越久越稳定，通过对5台气相色谱中途断电停机1h，然后再重新开机进样分析，发现天然气组分正己烷、二氧化碳等分析结果数据偏差较大，需要重新制作标准曲线，这是由于气相色谱仪断电重新开机

后需要的预热稳定时间较长，所以气相色谱仪正常情况下一般都处于开机待机状态，故色谱开机时间长不是主要原因。

1.4.8 载气流量大

本实验室长期运行的色谱有5 台，流量设置都在40mL/min 以上，通过实验发现，样品分析过程中流量的设置是经过多方面因素结合优化得出的经验值，是最符合该色谱性能的。但色谱并非一天24h 都在使用，当不用时，可适当降低载气流量，维持系统运行即可，当需要进行样品分析时，调回样品分析使用流量，短时间内即可恢复仪器性能，获得准确的分析数据，所以，色谱分析方法设置载气流量的参数值偏大，导致仪器在待机状态下载气消耗偏大，是导致实验室载气消耗量大的主要原因之一。

1.4.9 氢火焰耗气量大

氢火焰检测器（FID）是实验室最重要的检测器之一，氢火焰检测器需要氢气和空气燃烧，会消耗大量的氢载气，本实验室配有FID 检测器的色谱有3台，每台氢气流量设置为30mL/min，每天的耗气量约120L，如果在色谱待机时关闭氢火焰，即可节省大量氢气，故氢火焰耗气量大也是导致实验室载气消耗量大的主要原因之一。

1.5 方法优化与实施

根据前期工作查找出的两个造成实验室耗气量大的主要原因，按照5W1H 原则对本实验室5台气相色谱仪分析方法参数进行如下优化，并进行上机实验。

（1） 重新设置色谱仪“待机”方法参数，重新调整仪器在待机状态下的载气流量值，分别将实验室1#、2#、3#、4#、5#色谱仪工作流量设置为20、7、7、20、30mL/min，待机流量设置为15、5、5、15、25mL/min，并连续15d 对实验室载气压力进行监控。

（2） 重新设置带有FID 检测器的1#、2#、3#色谱仪的“待机”方法参数，将1#、2#、3#色谱仪工作流量设置为30、35、40mL/min，待机状态下的氢气和空气流量均设置为0，并连续15d 对实验室载气压力进行监控。

实验实施结果发现，实验室5台气相色谱15d 所消耗的氢气为9.1MPa、氦气为9.3MPa、氩气为2.8MPa，实验室氢气、氦气、氩气平均每天消耗量由实验前的0.92MPa/d、0.99MPa/d、0.50MPa/d 降为0.61MPa/d、0.62MPa/d、0.21MPa/d，实验室氢气、氦气、氩气分别少消耗4.4MPa、5.6MPa、4.7MPa，15d 总共消耗载气量由实验前的35.9MPa 降为21.2MPa，少消耗14.7MPa。依据此消耗速度，实验室每月可节约载气2.3瓶，每年节省分析成本应为2.3瓶×12月×600元/瓶=23 040元，相比实验活动前51 840元/年降低了44.4%的分析成本。

2 结语

通过一系列相应的色谱分析方法优化，实验室日均载气消耗量降低明显，在快速准确分析样品的同时，降低了实验室的分析成本，有效提升了实验室色谱分析工作的质量效益。在后续色谱分析工作中，可考虑直接设定一个“待机”方法，分析人员在完成样品分析工作后，直接调取“待机”方法，下一次进行样品分析时，再调取相应的分析方法，仪器自行提高流量、氢火焰点火，30s 即可达到稳定状态。