Специздание 2023

Обзорная статья

УДК 543.421/.424:665.612.3
(UDK 543.421/.424:665.612.3)

Для получения доступа к статьям

Авторизуйтесь

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА КОМПОНЕНТОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

(OPTICAL METHODS FOR ANALYSING NATURAL GAS COMPONENTS: CURRENT CONDITION AND PROSPECTS)

В данном обзоре рассматриваются основные принципы анализа компонентного состава природного газа с использованием различных оптических методов. Последние достижения в области разработки инструментов и спектроскопических техник значительно расширили возможности рутинного спектроскопического анализа проб природного газа. В настоящее время активно разрабатываются новые, более надежные и удобные приборы с высокой чувствительностью и возможностью получения избыточной информации, благодаря чему они становятся эффективными инструментами не только для полевых измерений, но и для оценки достоверности полученных результатов. Эта тенденция способствует развитию количественного газового анализа в различных областях применения, включая здравоохранение, экологический мониторинг, обеспечение качества в промышленности, а также обеспечение безопасности Российской Федерации.

This summary reviews the basic principles of analyzing the natural gas composition using various optical methods. The recent progress in the development of tools and spectroscopy techniques has considerably advanced the routine spectroscopic analysis of sampled natural gas. Currently, the new, more reliable and comfortable instruments are being developed. Since they feature the high sensitivity and enable the collection of the redundant information, they are found to be efficient not only in field measurements, but also in the validity assessment of the results obtained. This trend stimulates development of the quantitative gas analysis in various applications, including health care, environmental monitoring, industrial quality assurance, as well as security assurance in the Russian Federation.

ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ ГАЗА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ АБСОРБЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, АНАЛИЗ СОСТАВА ГАЗА, СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ, ГАЗ ГОРЮЧИЙ ПРИРОДНЫЙ

INFRARED SPECTROSCOPY, GAS COMPOSITION, MOLECULAR ABSORPTION SPECTROSCOPY, GAS COMPOSITION ANALYSIS, ABSORPTION SPECTRUM, COMBUSTIBLE NATURAL GAS

М.С. Ковалев, к.т.н., ФГБУН Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (Москва, Россия), kovalevms@lebedev.ru

Г.К. Красин, ФГБУН Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, krasingk@lebedev.ru

А.В. Кротов, к.т.н., ПАО «Газпром автоматизация» (Москва, Россия), A.Krotov@gazprom-auto.ru

Д.В. Канев, ПАО «Газпром автоматизация», D.Kanev@gazprom-auto.ru

П.В. Платонов, ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (Москва, Россия), pavelplatonov@bmstu.ru

А.В. Чеканский, ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, Россия), gazprom@gazprom.ru

M.S. Kovalev, PhD in Engineering, P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences (Moscow, Russia), kovalevms@lebedev.ru

G.K. Krasin, P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, krasingk@lebedev.ru

A.V. Krotov, PhD in Engineering, PJSC “Gazprom avtomatizatsiya” (Moscow, Russia), A.Krotov@gazprom-auto.ru

D.V. Kanev, PJSC “Gazprom avtomatizatsiya”, D.Kanev@gazprom-auto.ru

P.V. Platonov, Bauman Moscow State Technical University (Moscow, Russia), pavelplatonov@bmstu.ru

A.V. Chekanskiy, PJSC Gazprom (Saint Petersburg, Russia), gazprom@gazprom.ru

Брокарев И.А., Васьковский С.В., Фархадов М.П. Современные методы и средства анализа показателей качества природного газа // Газовая промышленность. 2020. № 9 (806). С. 38–43.

Popa D., Udrea F. Towards integrated mid-infrared gas sensors // Sensors. 2019. Vol. 19, No. 9. Article ID 2076. DOI: 10.3390/s19092076.

Матвеев Б.А., Сотникова Г.Ю. Светодиоды средневолнового ИК диапазона на основе гетероструктур A3 B5 в газоаналитическом приборостроении. Возможности и применения 2014–2018 // Оптика и спектроскопия. 2019. Т. 127, № 8. С. 300–305. DOI: 10.21883/OS.2019.08.48046.357-18.

Tian L., Xia J., Kolomenskii A.A., et al. Gas phase multicomponent detection and analysis combining broadband dual-frequency comb absorption spectroscopy and deep learning // Communications Engineering. 2023. Vol. 2, No. 1. Article ID 54. DOI: 10.1038/s44172-023-00105-z.

Очкин В.Н. Спектроскопия малых газовых составляющих неравновесной низкотемпературной плазмы // Успехи физических наук. 2022. Т. 192, № 10. С. 1145–1178. DOI: 10.3367/UFNr.2021.07.039026.

Белов М.Л. Количественный газоанализ сложных многокомпонентных смесей // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. № 10. С. 233–252. DOI: 10.7463/1013.0615247.

Литвак А. Новое поколение оптических микроячеек для контроля углеводородных газов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2007. № 8. С. 72–73.

Hodgkinson J., Tatam R.P. Optical gas sensing: A review // Meas. Sci. Technol. 2013. Vol. 24, No. 1. P. 012004. DOI: 10.1088/0957-0233/24/1/012004.

Kim S.-S., Menegazzo N., Young C., et al. Mid-infrared trace gas analysis with single-pass Fourier transform infrared hollow waveguide gas sensors // Applied Spectroscopy. 2009. Vol. 63, No. 3. P. 331–337. DOI: 10.1366/000370209787598924.

Parry J.P., Griffiths B.C., Gayraud N., et al. Towards practical gas sensing with micro-structured fibres // Meas. Sci. Technol. 2009. Vol. 20, No. 7. Article ID 075301. DOI: 10.1088/0957-0233/20/7/075301.

Chen J., Hangauer A., Strzoda R., Amann M.C. Resolution limits of laser spectroscopic absorption measurements with hollow glass waveguides // Applied Optics. 2010. Vol. 49, No. 28. P. 5254–5261. DOI: 10.1364/AO.49.005254.

Kaminski C.F., Watt R.S., Elder A.D., et al. Supercontinuum radiation for applications in chemical sensing and microscopy //Appl. Phys. B: Lasers Opt. 2008. Vol. 92, No. 3. Special Issue. P. 367–378. DOI: 10.1007/s00340-008-3132-1.

Coddington I., Swann W.C., Newbury N.R. Coherent dual-comb spectroscopy at high signal-to-noise ratio // Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. 2010. Vol. 82, No. 4. Article ID 043817. DOI: 10.1103/PhysRevA.82.043817.

Abbas M.A., Pan Q., Mandon J., et al. Time-resolved mid-infrared dual-comb spectroscopy // Sci. Rep. 2019. Vol. 9, No. 1. Article ID 17247. DOI: 10.1038/s41598-019-53825-8.

Okubo S., Inaba H., Sasada H., Okuda S. Frequency measurements of the 2 3A1- 3 band transitions of methane in comb-referenced infrared-infrared double-resonance spectroscopy // Phys. Rev. A. 2021. Vol. 103, No. 2. Article ID 022809. DOI: 10.1103/PhysRevA.103.022809.

Brehm M., Keilmann F., Schliesser A. Spectroscopic near-field microscopy using frequency combs in the mid-infrared // Opt. Express. 2006. Vol. 14, No. 23. P. 11222–11233. DOI: 10.1364/OE.14.011222.

Brokarev IA, Vaskovskii SV, Farkhadov MP. Modern methods and tools for analyzing natural gas quality attributes. Gas Industry [Gazovaya promyshlennost’]. 2020; 806(9): 38–43. (In Russian)

Popa D, Udrea F. Towards integrated mid-infrared gas sensors. Sensors. 2019; 19(9): article ID 2076. https://doi.org/10.3390/s19092076.

Matveev BA, Sotnikova GYu. Mid-IR leds based on A3 B5 heterostructures for gas analyzers. Capabilities and applications 2014–2018. Optics and Spectroscopy [Optika i spektroskopiya]. 2019; 127(8): 300–305. https://doi.org/10.21883/OS.2019.08.48046.357-18. (In Russian)

Tian L, Xia J, Kolomenskii AA, Zhu F, Li Y, He J, et al. Gas phase multicomponent detection and analysis combining broadband dual-frequency comb absorption spectroscopy and deep learning. Communications Engineering. 2023; 2(1): article ID 54. https://doi.org/10.1038/s44172-023-00105-z.

Ochkin VN. Spectroscopy of small gas components of a nonequilibrium low-temperature plasma. Advances in Physical Sciences [Uspekhi fizicheskikh nauk]. 2022; 192(10): 1145–1178. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.07.039026. (In Russian)

Belov ML. Quantitative gas analysis of complex multicomponent mixtures. Science and Education: Scientific Periodical of the Bauman MSTU [Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie MGTU im. N.E. Baumana]. 2013; (10): 233–252. https://doi.org/10.7463/1013.0615247. (In Russian)

Litvak A. New generation of optical microcells for monitoring hydrocarbon gases. Oil and Gas Territory [Territorija “NEFTEGAS”]. 2007; (8): 72–73. (In Russian)

Hodgkinson J, Tatam RP. Optical gas sensing: A review. Meas. Sci. Technol. 2013; 24(1): 012004. https://doi.org/10.1088/0957-0233/24/1/012004.

Kim S-S, Menegazzo N, Young C, Chan J, Carter C, Mizaikoff B. Mid-infrared trace gas analysis with single-pass Fourier transform infrared hollow waveguide gas sensors. Applied Spectroscopy. 2009; 63(3): 331–337. https://doi.org/10.1366/000370209787598924.

Parry JP, Griffiths BC, Gayraud N, McNaghten ED, Parkes AM, MacPhersonet WN, et al. Towards practical gas sensing with micro-structured fibres. Meas. Sci. Technol. 2009; 20(7): article ID 075301. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/7/075301.

Chen J, Hangauer A, Strzoda R, Amann MC. Resolution limits of laser spectroscopic absorption measurements with hollow glass waveguides. Applied Optics. 2010; 49(28): 5254–5261. https://doi.org/10.1364/AO.49.005254.

Kaminski CF, Watt RS, Elder AD, Frank JH, Hult J. Supercontinuum radiation for applications in chemical sensing and microscopy. Appl. Phys. B: Lasers Opt. 2008; 92(3): 367–378. https://doi.org/10.1007/s00340-008-3132-1.

Coddington I, Swann WC, Newbury NR. Coherent dual-comb spectroscopy at high signal-to-noise ratio. Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. 2010; 82(4): article ID 043817. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.82.043817.

Abbas MA, Pan Q, Mandon J, Cristescu SM, Harren FJM, Khodabakhsh A. Time-resolved mid-infrared dual-comb spectroscopy. Sci. Rep. 2019; 9(1): article ID 17247. https://doi.org/10.1038/s41598-019-53825-8.

Okubo S, Inaba H, Sasada H, Okuda S. Frequency measurements of the 2 3A1- 3 band transitions of methane in comb-referenced infrared-infrared double-resonance spectroscopy. Phys. Rev. A. 2021; 103(2): article ID 022809. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.022809.

Brehm M, Keilmann F, Schliesser A. Spectroscopic near-field microscopy using frequency combs in the mid-infrared. Opt. Express. 2006; 14(23): 11222–11233. https://doi.org/10.1364/OE.14.011222.
NEFTEGAS.info

Внимание к деталям — от идеи
до воплощения! Только актуальная информация и свежие новости.

Контакты

108811, г. Москва, Киевское ш.,
Бизнес-парк «Румянцево», корп. Б,
подъезд 5, офис 506 Б

+7 (495) 240-54-57