在線分析儀的設計重點分析

1、在線分析儀的設計重點分析儀表工程師論文第五篇摘要：在線分析系統(tǒng)的工程設計是以自控專業(yè)為主導，多個專業(yè)協(xié)調配合，復雜且綜合的過程設計。本文結合某些項目的經(jīng)驗教訓，闡述了在線分析系統(tǒng)的工程設計要點，包括分析儀的選型、分析小屋的設計原則，從分析小屋總圖位置的選擇、防爆和通風設計原則、安全聯(lián)鎖等角度加以探討和論述。另外，基于幾個項目的設計經(jīng)驗，強調了一些設計中的其他注意事項。關鍵詞：在線分析系統(tǒng)； 分析儀選型； 分析小屋； 正壓通風； 安全聯(lián)鎖；0 引言在石油、化工等行業(yè)的工藝過程控制中，除了常規(guī)的溫度、壓力、流量、液位檢測之外，在線監(jiān)測介質的組分也是一個不容忽視的控制手段。相較于上述四大參數(shù)的檢測儀

2、表，在線分析儀表的測量原理更多樣，檢測方案也更復雜，但它卻最能直接反映過程控制的成效。一些工藝路線中的組分分析，可以說對整個過程控制的安全和最終產(chǎn)品的質量起著不可替代的關鍵作用。在線分析系統(tǒng)是由采樣系統(tǒng)、在線分析儀及分析柜或分析小屋構成的系統(tǒng)，對比于分析時間長、分析結果滯后的實驗室分析，它更有利于生產(chǎn)裝置的實時調整。從工程設計的角度出發(fā)，結合參與過的幾個項目的實際經(jīng)驗，粗淺地談一下在線分析系統(tǒng)在設計中的一些要點。1 在線分析儀的選型在線分析儀表雖然種類繁多，但也可從不同的角度加以分類：1）根據(jù)分析儀表的測量對象，可以分為氣體分析儀器和液體分析儀器兩個大類；2）如果按照主要的測量原理分類，分析儀

3、可以分為： （1） 光學分析儀； （2） 電化學分析儀； （3） 色譜分析儀； （4） 物性分析儀； （5） 其他分析儀（如順磁式氧分析儀、熱導式氣體分析儀、射線分析儀、質譜儀等）1.一套在線分析系統(tǒng)的成功應用，離不開準確的工程設計、集成制造、運行維護。而在線分析儀正確合理的選型是工程設計階段最核心的工作。因此，在線分析系統(tǒng)技術規(guī)格書和分析儀數(shù)據(jù)表是最關鍵的設計文件，也是最根本的選型依據(jù)。在技術規(guī)格書中，工程公司會根據(jù)項目實際情況明確具體的技術要求，包括：執(zhí)行的標準規(guī)范、氣象條件、環(huán)境條件、供貨范圍、分析小屋（柜）配管配線、文件及圖紙、FAT、SAT、性能考核、技術服務、備品備件等；分析儀數(shù)據(jù)

4、表則定義了分析儀的測量對象、用途、測量范圍、采樣點及采樣返回點的溫度、壓力、流量、儀表的防爆等級和防護性能，規(guī)定了分析儀的性能指標包括：準確度、靈敏度、穩(wěn)定性、重復性、線性范圍、響應時間等。而其中，采樣點背景組分的定性定量是整個數(shù)據(jù)表中最關鍵的參數(shù)，工藝專業(yè)在提交儀表條件時必須準確，尤其是有些裝置在正常運行和開停車階段工藝參數(shù)有較大區(qū)別時，必須針對各自不同的工況提出相應的工藝條件。之所以這樣做的原因是：在線分析儀表種類繁多，各個類型的儀表技術指標各不相同。即使是相同測量原理的儀表，在不同工況下的適應性也大不相同。分析儀較之于其他常規(guī)儀表更特殊的另一個原因，就是其自身的制造結構復雜而且特別嬌貴;

5、,現(xiàn)場惡劣的環(huán)境、復雜的工況與儀器儀表本身對于樣品的溫度、壓力、腐蝕性、水分含量、灰塵含量的品質要求必然會形成矛盾，這就對于儀表的選型、設計、安裝、調試、維護等一系列工作提出更高的要求。過去在某個項目中的經(jīng)驗教訓：1）某總有機碳分析儀（TOC）在項目投運一定時間后，進樣瓶有鹽分析出結晶，導致現(xiàn)場運維人員需要每天清洗。通過進一步離線取樣分析后發(fā)現(xiàn)，樣品本身的實際含鹽量遠高于數(shù)據(jù)表中的組分濃度。眾所周知，TOC是以碳的含量表示介質中有機物的總量，常作為評價介質被有機物污染程度的一項參考指標。其主要測量方法有：直接燃燒氧化-NDIR（非分散紅外法）、紫外/過硫酸鹽催化氧化-NDIR法、濕法氧化-非色

6、散紅外探測（二級氧化法）。各測量原理的優(yōu)劣比較如下：直接燃燒氧化-NDIR（非分散紅外法）具有高溫燃燒、氧化完全的特點，一般應用于有機物含量較高及成分較復雜的工業(yè)廢水監(jiān)測2.但一般它的進樣量有嚴格限制（10μL以下），取樣管線纖細易堵塞，需對樣品嚴格過濾，維護量大；樣品中的鹽和沉積物會阻塞燃燒爐，需對反應器經(jīng)常清洗除垢，需要經(jīng)常校正，催化劑會中毒失效等缺點。紫外/過硫酸鹽催化氧化-NDIR法具有靈敏度高、量程寬、響應時間快等特點，一般應用于飲用水、地表水等比較干凈的水體監(jiān)測。但它存在氧化能力不足，樣品需要過濾，鹽含量高時影響氧化效果，紫外燈功率會衰減，消減反應器材質受限制，需要經(jīng)常校正，

7、維護量較高等劣勢。濕法氧化-非色散紅外探測（二級氧化法）以兩種型號的羥基自由基和臭氧兩級氧化及過硫酸鹽+熱消解氧化法為代表，消解效能高，高鹽高濁度樣均能消解，樣品可無需過濾和除雜，比較適合含鹽工業(yè)廢水的測量，可做到反應器自清洗和雙量程選擇。缺點是試劑消耗多，有些蠕動泵泵管需要經(jīng)常更換，維護量相對較高。當初項目選用的是直接燃燒氧化測量原理的TOC,從上述可知，所選型式并不適用于含鹽量特別高的場合。出于對項目業(yè)主負責及根本解決問題角度出發(fā)，最終，項目上不得不重新采購了一臺TOC（濕法氧化-非色散紅外探測）。重新投用后，上述問題得以解決。但顯而易見，此次變更涉及設計、采購、施工，影響面較大，成本有所

8、增加且整個項目的進度也有所滯后。2）某分析儀在開車調試階段一直無法正常工作，后發(fā)現(xiàn)是由于進樣管線內(nèi)含水導致（正常工況是不含水分的）。后續(xù)不得不在預處理裝置中增加氣液分離設備，并對整個進樣管路重新吹掃、調試、測試。上述兩個經(jīng)驗教訓告訴我們，不同原理的分析儀表，其適用的工況不同，價格也不同。從工藝數(shù)據(jù)準確性，選擇合適的測量原理（方法），滿足測量要求，并能穩(wěn)定運行，體現(xiàn)儀表選型的重要性及解決問題方法。2 分析小屋的設計原則2.1 總圖位置的選擇分析小屋的位置選擇，一般由以下幾個方面綜合考慮：1）盡量選擇在安全區(qū)，當不得不安裝在爆炸危險場所，根據(jù)石油化工在線分析儀系統(tǒng)設計規(guī)范（SH/T 3174-20

9、13）及自動分析器室設計規(guī)范（HG/T 20516-2014）的相關規(guī)定，應采取相應的防爆措施。一般可接受的爆炸危險區(qū)域的等級為2區(qū)。2）基于樣品的性質和分析儀響應時間的考慮，盡量靠近采樣點位置。3）便于分析小屋吊裝、安裝。4）遠離振動源、電磁干擾源。5）便于小屋的分析排放。2.2 防爆、通風系統(tǒng)設計防爆、通風系統(tǒng)的設計對整個在線分析系統(tǒng)的安全、平穩(wěn)運行至關重要。只有當分析小屋設置在安全區(qū)且小屋內(nèi)沒有可燃性介質泄漏或積聚的場合，電氣設備、照明燈具等才能采用非防爆型，小屋才可采用自然通風。表1 分析小屋的安全聯(lián)鎖因果關系表（示例）即使小屋的位置在非爆炸危險區(qū)域，如果樣品中含有可燃性氣體或者由于某

10、些分析儀表的客觀需要（比如FID測量原理的儀表需要H2作為燃料氣）而不得不需要可燃性氣體時，小屋應采取防爆措施。相應地，儀器儀表、配套的電氣設備、燈具等均需采用防爆型，小屋通風形式可采用機械通風。當小屋安裝在2區(qū)危險區(qū)域時，由于小屋畢竟屬于密閉空間，屋內(nèi)存在可燃氣體泄漏和積聚的可能。因此，分析小屋內(nèi)是作為1區(qū)危險區(qū)域定義的，小屋的通風方式需采用正壓通風。當小屋采取正壓通風的方式時，新風的引風口應位于非危險區(qū)域。另外，根據(jù)HG/T 20516-2014的規(guī)范要求，正壓通風系統(tǒng)的設計應滿足保證屋內(nèi)外壓差不低于25Pa（小屋門、窗關閉時）；通過門、窗等開口的風速不低于0.3m/s（門、窗打開時）；H

11、VAC的換氣次數(shù)不低于6次/小時。上述這些措施均是為了防止屋外的可燃有毒氣體進到屋內(nèi)，屋內(nèi)泄漏的氣體能快速稀釋并排出的目的，從而保證分析小屋內(nèi)人員和設備安全。在實際工程設計階段，有的業(yè)主要求分析小屋集成商提供小屋的整體防爆證書，目前一些知名的集成商雖然能夠提供類似的解決方案并有實際的業(yè)績和案例，但整個取證過程漫長，需要收集很多的資料信息而且產(chǎn)生的費用也不可小覷，這些客觀情況需要業(yè)主和設計人員根據(jù)實際情況在項目前期予以充分考慮和論證。在正壓通風系統(tǒng)設計過程中，有幾點需要特別注意：1）工程公司需與業(yè)主、分析儀集成商（有時也需要與HVAC供應商）提前溝通，討論風管的敷設路由和相關的支撐方案，之前就在

12、個別項目中發(fā)生過因為風管的距離過長、風管的彎頭過多從而影響到HVAC的效能。2）有的分析小屋會專門設置門斗以規(guī)避當小屋開門時，瞬時的失壓可能導致的安全事故。但這樣的設計會造成分析小屋的尺寸擴大。3） HVAC的換風次數(shù)需要根據(jù)小屋內(nèi)可能泄漏的可燃性氣體的爆炸下限，該介質在極端情況下泄漏量以及小屋的容積計算出來，在FAT、SAT、現(xiàn)場調試等階段可進一步測試驗證。4）在一些現(xiàn)場條件比較惡劣的國家和地區(qū)，如沙塵較多的地方，通風口配置的遮雨棚和防蟲網(wǎng)也可進一步做一些細節(jié)處理，優(yōu)化并完善整個系統(tǒng)的設計。2.3 安全聯(lián)鎖設計分析小屋的安全聯(lián)鎖設計也是整個在線分析系統(tǒng)設計的關鍵點，因為它不僅保證小屋的正常運

13、行，同時對于確?，F(xiàn)場操作人員的安全也起到了關鍵的作用。分析小屋安全措施設置的基本原則為：1）當小屋在爆炸危險區(qū)或測量含有易燃、易爆氣體，應設置可燃氣體檢測器，建議布置在管道排放口、HVAC新鮮風進風管、小屋出風口等位置。2）當測量的氣體為有毒氣體，應設置有毒氣體檢測器。3）設置至少一個煙感探測器。4）設置一個氧氣濃度檢測器。5）在小屋屋外主門位置上方，設置聲光報警裝置。甚至有的項目要求根據(jù)不同的系統(tǒng)（如：火災報警系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)）同時在屋外和/或屋內(nèi)設置多個聲光報警裝置。6）可設置就地手報，接入火災報警系統(tǒng)。7）可設置急停按鈕（帶保護罩，緊急狀況時斷電）。主要的安全聯(lián)鎖見表1.上

14、述安全聯(lián)鎖的邏輯多由分析小屋成套的小型PLC完成，該PLC預留一定的接口同裝置各系統(tǒng)（FAS、SIS、DCS、GDS）實現(xiàn)硬接線連接和/或通訊。但也碰到過有業(yè)主要求小屋的安全邏輯由裝置系統(tǒng)實現(xiàn)（涉及到HVAC的聯(lián)鎖由HVAC成套商的PLC完成）的案例。近幾年國家對于安全的要求越發(fā)嚴格，分析小屋的安全聯(lián)鎖功能可根據(jù)項目實際情況進行HAZOP分析及LOPA定級，對于小屋成套的PLC系統(tǒng)也可進行必要的SIL定級。另外，一些大型項目，在線分析儀管理系統(tǒng)也開始流行，這樣可以將多臺分析儀集成在同一個網(wǎng)絡上，便于業(yè)主集中監(jiān)視、管理和維護。3 其他設計要點在線分析系統(tǒng)的設計是一個系統(tǒng)工程，設計過程中需要考慮的

15、方方面面很多，除了上述主要內(nèi)容外，以下幾個事項也應注意：1）小屋的尺寸：小屋尺寸不宜過大，一般控制在6m （L） ×2.5m （W） ×2.7m （H） ,尺寸太大的小屋其一是總圖位置不一定有；其二也不方便運輸。當然，一些大型項目中，長度超過10m的小屋也并非沒有應用的經(jīng)驗。2）分析儀尾氣的回收和排放：由于國家對于環(huán)保的要求越來越嚴格，分析儀的排放問題也成了一個核心設計內(nèi)容。在設計前期，儀表專業(yè)需同工藝、安全等專業(yè)密切配合，詳細了解整個項目廢氣、廢液的工藝路線，如項目是否有尾氣回收系統(tǒng)、是否有焚燒爐或火炬系統(tǒng)，回收或排放的后系統(tǒng)有無背壓，然后結合分析儀排放的特性、排放出來的尾氣、廢液介質物化數(shù)據(jù)，綜合考慮具體的回收排放方案。當項目不得不采用直排的方式時，需遵守當?shù)丨h(huán)保規(guī)范，對于排放管的位置、高度在設計時應慎重。3）分析儀標定：對于一些劇毒介質（比如：光氣）或者一些背景組分特別復雜的工況，分析儀的標定往往也是項目的一個難點。在設計過程中需與廠家、業(yè)主充分討論，確定具體的標定方案。對于一些環(huán)保用分析儀表，如：煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）、非甲烷總烴（NMHC）等，某些地方的環(huán)保規(guī)范要求儀表全回路標定，在設計階段需予以體現(xiàn)