在能源结构转型和环保要求日益严格的背景下，燃气热值的准确、快速、实时监测成为保障产品质量、提升能源利用效率、促进可持续发展和生产安全的关键一环。四方光电（武汉）仪器有限公司（简称：四方仪器），作为国产品牌气体分析解决方案的重要提供商，凭借其强大的研发实力和创新能力，自主研发了一系列精密仪器，为燃气监测的蓝海市场注入了新的活力和革命性的变化。本文从燃气热值监测的意义着手，阐述了我国多行业对燃气热值监测的巨大需求及热值监测的主要难点，四方仪器自主研发的系列产品无疑极好地解决了这一监测难题。在推动国产化产品应用的今天，国产品牌的崛起可有效避免“卡脖子”的发生。

燃气监测的巨大市场需求

　　燃气即可燃性气体，常用的可燃气体包括天然气、煤气、天然气和沼气等，燃气的热值是指单位数量（体积或质量）的燃气完全燃烧时所放出的热量。

　　不同燃气的组成成分有所差别，主要包括烃类和少量非烃类气体如：氢气（H₂）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）等组成的混合气。

　　燃气热值监测的重要意义，主要包括：（1）保障能源利用效率、减少浪费；（2）及时发现热值的异常变化，确保设备安全稳定运行；（3）利于实现生产工艺优化；（4）保证燃气充分燃烧、减少污染气体排放，保护环境安全；（5）保证燃气交易和结算的公平。

　　燃气热值监测在很多领域得到应用，如能源行业、工业领域、环保及科研领域等，这些都是重要和巨大的领域，对热值监测的需求也是非常大的。

燃气热值监测的难点及主要方法

燃气热值监测的难点

　　热值监测的难点，从监测环境的角度分析，涉及复杂工况下的准确性问题。气体成分的复杂性、反应过程的迅速性等都是其主要影响因素。热值监测主要应用于钢铁厂、化工厂、发电厂等，这些企业普遍生产环境复杂，而温度、压力、流量等因素的变化都会影响燃气的热值。例如在钢铁生产中，窑炉内的温度和压力波动会导致燃气燃烧不完全，使热值测量结果产生偏差。而且热值如果控制不好，设备容易损坏，校准难度大，维护成本高。

　　此外，还有监测实时性或者说数据代表性问题：在燃气生产和输送过程中，燃气的成分和热值可能会随时发生变化。部分监测设备无法实时反映煤气热值的变化，导致数据滞后，无法及时调整生产参数。

燃气热值监测的主要方法及特点

　　目前燃气热值测量主要有直接法和间接法。

　　直接法：即燃烧法，过程复杂、检测速度慢，而且只能检测热值，难维护，故障率高，而且无法同时了解到各组分浓度数值，对优化生产工艺没有参考价值，且受环境因素影响较大。

　　间接法：即成分分析法，可以精确测量煤气中各组分的含量，但常规仪器技术要求高且监测成本较高。气相色谱是常用的燃气热值间接测量设备，它利用色谱柱分离混合气体，再通过监测器监测各组分，分析速度成本高；此外，色谱柱的性能、温度、压力等因素都会影响分离效果，而且需要高纯H₂作为载气，对操作人员的技术要求较高。气相色谱仪虽然分析精度高，但取样误差较大，容易导致最终计算的热值不准确。

　　而燃气热值检测的基本要求是简单、快速（达到秒级响应）、具有精确的成分分析能力，而光谱分析的技术原理恰好可以满足这三点要求。目前燃气成分分析法主要包括拉曼光谱法、红外光谱法和激光光谱法等，光谱法的分析原理是基于散射或吸收光谱测量成分，然后获得热值。众所周知，光谱分析方法的一个突出优点是快速，基本都可以在几秒或十几秒时间内获得检测结果，而燃烧法一般需要十几分钟才能得到结果；此外，光谱分析法样品预处理过程非常简单。从测量参数的角度，燃烧法可以获得华白指数、比重和燃烧空气指数，而光谱法除了这三项参数外，更可以检测组分浓度、热值。因此，光谱分析方法是热值监测的更优选择。

　　我国生产企业曾使用价格昂贵的进口光谱仪器监测燃气热值，监测成本高，不利于推广普及。四方仪器的激光拉曼、红外分析仪等国产仪器的问世，不仅打破了国外品牌的垄断，而且具有价廉、快速、实时、便捷等特点，满足了众多行业领域燃气热值监测的需要。

四方仪器的国产之光

　　早在2012年，四方仪器依托其自有核心气体传感技术平台，牵头承担了科技部国家重大科学仪器设备开发专项“激光拉曼光谱气体分析仪器的研发与应用”项目。在政府项目和企业自筹经费的支持下，四方仪器针对激光拉曼光谱法的特征信号较弱等业界技术难题，持续钻研激光拉曼光谱气体分析技术十余年，最终成功开发出国内首家具有自主知识产权的商业化产品——LRGA系列激光拉曼光谱气体分析仪，填补了国内相关领域的技术空白。

　　现在，四方仪器以其深厚的技术底蕴和卓越的产品性能，在行业内崭露头角，并积极参与行业标准SY/T 7433《天然气的组成分析 激光拉曼光谱法》的起草工作，促进了燃气监测行业的规范化和标准化发展。

图1 四方仪器拉曼-国家重大科学仪器设备开发专项-科学技术部立项通知

　　目前，四方仪器基于其自主研发的气体分析设备，推出了一套光谱法热值分析解决方案。该方案采用行业领先的光学成分法分析原理，结合拉曼光谱、红外光谱和激光光谱等多种光学技术，实现了对煤气成分和热值的同步监测，已在油气开采、燃气集输、冶金、石油化工、煤化工、焦化、乙烯裂解、发电等多个行业的实际应用场景中发挥出重要作用。帮助企业精确控制工艺流程，提升生产效率，确保生产过程的安全性，并为行业的生产决策提供坚实的数据支持和可靠依据。

高精度、全组分：激光拉曼光谱气体分析仪的技术新突破

　　四方仪器的激光拉曼光谱气体分析技术在国内处于领先地位，打破了国外技术垄断，为国内企业在高端气体分析仪器的研发和应用上树立了榜样。同时，四方仪器积极参与行业标准的制定和技术交流活动，促进了燃气监测行业的规范化和标准化发展。工业过程气体分析领域，传统技术面临着一系列挑战，包括分析流程复杂、耗材需求高昂、响应时间缓慢、分析范围有限以及维护成本昂贵等。四方仪器是国内首家采用激光拉曼技术研发气体分析仪器的企业，其创新研发的系列产品为该领域带来了革命性的进展。

　　技术原理和创新：四方仪器自主研发的激光拉曼光谱气体分析仪，利用激光拉曼散射原理，通过分析气体分子的振动频率来识别不同气体成分，并精确计算其热值。这项技术突破了传统热值监测方法的限制，不仅能够实时、在线地监测燃气热值，还能有效避免水分等干扰因素对监测结果的影响。

　　多组分气体监测：该仪器能够同时监测包括H₂、N₂、O₂、CO、CO₂、H₂S、NO、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈、i-C₄H₈、n-C₄H₈、i-C₄H₁₀、n-C₄H₁₀、CH₃NO₂等在内的多种气体成分，实现对燃气热值的全面评估。这种多组分监测能力使得四方仪器的激光拉曼光谱气体分析仪在市场上具有显著的竞争优势。

　　高精度与稳定性：通过融合多项授权发明专利技术和创新的硬件设计，四方仪器成功解决了激光拉曼光谱法特征信号弱的难题，实现了对低密度过程气体的高精度监测。同时，采用基于Ar基底自动扣除、基于标定气体干扰自动修正等软件算法，进一步消除了环境温度、压力、干扰气体等因素对测量结果的影响，确保了数据的准确性和稳定性。

图2 四方仪器拉曼技术系列产品

瞬时响应：激光过程气体分析仪

　　 四方仪器的激光过程气体分析仪，具有多项技术优势，可满足在实际应用对复杂环境监测需求。

　　 激光过程气体分析仪采用TDLAS技术，具有抗干扰能力强，不受背景气体交叉干扰，准确地对目标气体分析。可同时监测多种气体，如O₂、CO、CO₂、CH₄等常见工业气体。

　　四方仪器生产的激光过程气体分析仪主要特点包括：

　　原位安装测量：可直接安装在工业现场的管道或设备上进行原位测量，避免了传统采样方式带来的时间延迟和样品失真等问题，能够实时反映被测气体的真实情况。

　　响应速度快：响应时间快速，在原位式测量中一般以秒计算，可及时捕捉到气体浓度的变化，对于快速变化的工业过程控制具有重要意义。

　　测量精度高：能够连续不断地对气体进行监测，保证了测量数据的可靠性和连续性，为工业过程的精准控制提供了有力的数据支持。

　　 适应性和稳定性：在高温、高粉尘、高水分、高腐蚀性、高流速等恶劣测量环境下具有良好的适应性，可在多种复杂的工业场景中稳定工作，减少了因环境因素导致的测量误差和维护成本。采用隔爆防爆设计，安全系数高，可有效防止因电气故障等原因引发的爆炸事故，保障工业生产的安全运行。

　　四方仪器的激光过程气体分析仪是基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）的高性能光学分析仪器，采用对射式设计，可用于工业过程气体控制；其响应时间快速，在原位式测量中一般以秒计算，避免采样式测量带来的时间延迟，可在线及时地反应被测气体浓度。

图3 四方仪器激光技术系列产品

低成本、高精度：红外气体分析仪

　　高精度测量：采用先进的红外气体传感技术，能够同时准确测量多种气体成分的浓度，测量精度高。

　　多气体同时测量能力强：可以同时测量多种气体，针对不同类型的气体和不同的测量需求，可以选择不同技术原理的传感器进行组合配置。

　　抗干扰能力强：通过特殊的设计和技术手段，如采用微流红外检测技术并配置水分补偿机构，有效解决了气态水对气体测量的干扰问题，即使在湿度较高的环境下也能保证测量结果的准确性。在复杂的气体环境中，能够抵抗其他气体对目标气体测量的交叉干扰，确保测量数据的可靠性和稳定性。

　　红外气体分析仪采用自主知识产权的非分光红外（NDIR）气体分析技术，长寿命电化学传感技术，以及基于MEMS的热导技术，可同时测量煤气、生物燃气的热值，以及CO、CO₂、CH₄、H₂、O₂、C_nH_m等气体的体积浓度。

图4 四方仪器红外技术系列产品

四方仪器成功应用案例

　　 四方仪器的产品已在油气开采、燃气集输、冶金、石油化工、煤化工、焦化、乙烯裂解、发电等多领域得到广泛的应用。这里，笔者选择了两个典型案例以飨读者。

　　案例1：大型油气企业——天然气全组分监测项目

　　合作背景

　　随着全球能源结构的转型和环境保护意识的增强，天然气作为清洁能源的重要组成部分，在能源市场中的地位日益凸显。在这一背景下，众多大型海上油气生产运营商都面临着环境保护、产品质量和安全生产等多方面的挑战和要求，全组分监测技术显得尤为重要。此外，热值监测也是优化开采和处理工艺、提高资源利用率和经济效益的关键。随着法规对环保和安全标准的提高，热值监测设备也成为了运营商确保合规性不可或缺的工具。由于天然气的热值和燃烧效率直接受其组分影响，所以在精确监测天然气成分的同时，热值监测也可以为企业在天然气质量上严格把关，帮助企业提高市场竞争力。

　　项目介绍

　　中海石油（中国）有限公司海南分公司，作为我国海上第一大天然气清洁能源供应基地，承担着大面积海域石油天然气的勘探、开发和生产业务，对天然气全组分及热值监测的需求尤为迫切。

　　天然气分析仪作为一种专业的气体监测与分析设备，其主要目的是精确测量天然气中各组分的浓度。这种设备可以有效识别和量化天然气中的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等烃类成分，以及硫化氢、二氧化碳等非烃类成分。通过这些数据的获取，可以为天然气生产、输配、利用等环节提供有力的技术支持和决策依据。传统的气相色谱分析仪虽然能够提供组分分析，但在热值监测方面存在局限，且价格十分昂贵。

　　响应“核心仪表国产化”的号召，中石油迫切需要一种能替代传统进口色谱分析仪的国产化解决方案。经过深入的市场调研和产品测试，四方仪器生产的激光拉曼分析仪完全符合客户需求。该设备在中海油的终端处理厂的试点验证中，与现有的某进口品牌色谱仪进行了对比测试，展现出了卓越的性能。

　　案例2：走出国门——卢旺达KivuWatt天然气开采监测项目

　　项目背景

　　卢旺达的基伍湖被誉为“非洲大湖”之一，在分层深水区（低于250米）中有大量溶解甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂），浓度高达约20 mmol/l的甲烷气体足以用于商业气体提取和发电。ContourGlobal在基伍湖上实施了一个发电计划，利用基伍湖深水中发现的高浓度甲烷气体来发电，这一项目被称为KivuWatt项目。

　　合作背景

　　卢旺达KivuWatt项目是世界上第一个漂浮在湖中的天然气开采平台。为了安全开采基伍湖的甲烷，天然气提取设施位于湖岸13公里处，连接至湖底。从350米深处取水，气体提取过程通过气体分离器，从压力35-2bar的载气水中提取出含有CH₄的气泡，然后在四个洗涤塔中洗涤原始气体，最终产生洁净的高浓度甲烷气体，通过一条13公里长的半淹没管道输送到湖岸边26兆瓦的发电厂。发电厂内的大型内燃发电机组将沼气能量转化为电能，为卢旺达国家公用电力系统提供必需的电力。二氧化碳则被泵回湖中，以维持湖中微妙的平衡不被破坏。

　　项目介绍

　　为确保输送到发电厂的气体符合内燃机对燃气的质量要求，卢旺达KivuWatt项目需要在气体提取平台上安装一个可长期连续运行的沼气监测系统，用于监测来自3个不同工艺点的天然气气体质量数据：原始气体，提纯后的气体，以及火炬气。

　　项目需要直接测量原始气体的成分，而不是通过计算得出，包括CH₄、CO₂、H₂S、O₂和N₂等，以精准监测气体成分。这就需要实时在线连续监测，确保工艺的正常运转并尽量降低维护周期和停机检修带来的损失，以达到最佳生产效率。

　　为实现以上监测目的，KivuWatt项目组通过对不同技术路线和不同供应商方案的比较，最终采用了四方仪器激光拉曼在线防爆型分析系统，提供高精度、低维护的实时监测。

　　公司简介

　　四方光电（武汉）仪器有限公司为四方光电股份有限公司（股票代码688665）的全资子公司，简称：四方仪器，前身为成立于2010年的湖北锐意自控系统有限公司，是一家专业提供气体成分及流量测量方案的高新技术企业，服务于工业过程监测、环境监测、汽车/发动机排放检测、科学研究气体分析等领域。

　　在工业过程监测领域，基于自有核心气体传感技术平台的优势，四方仪器自主研发了激光拉曼(LRD)、可调谐半导体激光(TDLAS)、非分光红外(NDIR)、超声波(Ultrasonic)、热导(TCD)、长寿命电化学(ECD)等技术原理的气体传感器模组、分析仪器及气体流量计。产品形态丰富，包括在线式仪表、便携式仪表、防爆监测系统等，充分满足各种复杂环境下的工况监测需求。其中，激光拉曼光谱气体分析仪曾被列入“国家重大科学仪器设备开发专项”，所参与的“天然气中硫化物光谱检测技术研究及应用”项目荣获“2021年度中国石油与化工自动化行业科技进步一等奖”。便携式红外沼气分析仪、红外煤气分析仪曾相继获得国家重点新产品证书，红外煤气分析仪获得中国仪器仪表学会“优秀产品奖”荣誉，其核心技术获评“湖北省发明专利金奖”。

　　四方仪器凭借长期的技术沉淀、严格的质量体系及国际化视野，产品已出口多个国家和地区，正朝着高端气体分析科学仪器国际品牌迈进。