[发明专利]一种基于拉曼光谱的天然气热值测量方法

摘要

本发明公开了一种基于拉曼光谱的天然气热值测量方法。天然气中可能包含少量的丁烷及其以上的烷烃(合记为特殊组分C₄⁺)。本发明利用一种光谱分解算法，将任一天然气混合气的拉曼光谱分解为已知纯组分光谱与若干峰函数的加权和形式，其中若干个峰函数描述了特殊组分C₄⁺的光谱分量；基于已分解出的各纯组分以及特殊组分C₄⁺的光谱，建立了热值与相对光谱面积之间的函数关系；将未知热值的天然气光谱分解为各基本组分与若干峰函数的光谱分量，并计算各组分光谱面积与甲烷谱面积的比值，利用建立的天然气热值拉曼分析模型求出气体热值。本发明方法具有检测速度快、准确度较高、重复性好、与样气非接触、现场免维护等优点。

主权项

1.一种基于拉曼光谱的天然气热值测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)天然气相关纯组分拉曼光谱的获取与预处理，具体包括如下子步骤：(1.1)获得天然气纯组分CH₄、C₂H₆、C₃H₆、CO₂、N₂、H₂、CO的原始光谱；(1.2)对纯组分的原始光谱进行背景光谱扣除、基线校正与面积归一化，得到纯组分归一化光谱：(2)天然气热值拉曼分析模型的建立，具体包括如下子步骤：(2.1)配制若干个典型组成的天然气混合样气作为训练样气，得到各训练样气的热值；对训练样气进行拉曼光谱测量，得到训练样气原始光谱；(2.2)对训练样气原始光谱进行背景光谱扣除、基线校正与面积归一化，得到训练样气归一化光谱；(2.3)将训练样气中除CH₄、C₂H₆、C₃H₆、CO₂、N₂、H₂、CO外的其它烃类组分表示为特殊组分C₄⁺，将训练样气归一化光谱Y(v)分解为已知纯组分归一化光谱与N个峰函数的加权和形式，即：其中，α＝(α₁，…，α₇)^T，α_i表示第i种已知纯组分的模型参数，P_i(v)表示第i种纯组分归一化光谱，f(v，β_j)表示峰函数，β_j表示第j峰函数参数；峰函数个数N的获取方式为：首先利用纯组分拟合训练样气归一化光谱Y(v)得到拟合后的归一化光谱R，然后将Y(v)‑R中误差最高点添加一个峰函数，再利用添加的峰函数与纯组分一起拟合训练样气归一化光谱Y(v)，得到拟合后的归一化光谱R，不断迭代直到优化误差小于设定值或N达到最大设定值；(2.4)对于第k个训练样本，求取纯组分C₂H₆、C₃H₈、CO₂、N₂、H₂、CO在建模区域内的光谱面积S_j(k)，j＝2，…，7，相对于甲烷光谱面积S₁(k)的比值R_j(k)：对于特殊组分C₄⁺，选取C‑H变形峰作为其特征峰，求取C‑H变形峰面积相对于甲烷光谱面积S₁(k)的比值S₈(k)；(2.5)基于全部训练样本的热值与各组分相对谱面积，建立天然气热值拉曼分析模型：其中为第k个训练样本的热值，a_j、b表示模型参数；(3)将待测热值的天然气样本的原始光谱，根据步骤(2.2)‑(2.4)得到各个组分的光谱面积相对于甲烷光谱的面积比，将面积比作为输入，代入建立的天然气热值拉曼分析模型中，得到该样本的热值。