熱導(dǎo)式氫分析儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李瑾

（中國石化工程建設(shè)公司，北京100101）

在高壓加氫裝置中，時(shí)常需要利用氫分析儀測量氫氣的純度。樣氣提取位置在循環(huán)氫壓縮機(jī)出口管線，介質(zhì)為循環(huán)氫與新制氫氣的混合物，以下簡稱混合氫?；旌蠚浣?jīng)過換熱器換熱，加熱爐升溫，與反應(yīng)進(jìn)料一起流至反應(yīng)器。取樣點(diǎn)處氫氣的純度通常在80%～100%，如果其純度降低，控制室會(huì)顯示低報(bào)警值?；旌蠚浼兌冉档?，就會(huì)增加反應(yīng)器結(jié)焦的趨勢，降低反應(yīng)器中的催化劑活性，從而影響裝置產(chǎn)品的質(zhì)量。所以，監(jiān)測氫氣的純度在加氫反應(yīng)中具有非常重要的意義。

1 氫分析儀的合理選型

以某高壓加氫裝置為例，可以看出被測介質(zhì)混合氫中氫氣和其他背景氣在熱傳導(dǎo)過程中，其熱傳導(dǎo)速率不同。氫分析儀測量混合氫取樣組成及各組分在0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)λ0，見表1所列。

混合氫氣的熱導(dǎo)率具有疊加性，公式如下：

式中：λ混——混合氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)；λi——混合氫氣中第i組分的導(dǎo)熱系數(shù)；φi——混合氫氣中第i組分的體積分?jǐn)?shù)；λ氫氣——?dú)錃獾膶?dǎo)熱系數(shù)。

欲求混合氫氣中氫氣組分的體積分?jǐn)?shù)φ氫氣，由于其余各組分導(dǎo)熱系數(shù)相近：

故公式（1）簡化為

測得混合氫氣λ混之后，即可求得φ氫氣。

表1 混合氫近似取樣組成及其各組分在0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)λ0

由以上推論可知，當(dāng)背景氣穩(wěn)定時(shí)，滿足背景氣各組分的導(dǎo)熱系數(shù)十分相近或近似相等，且與氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)有明顯差異這兩個(gè)條件，宜選用熱導(dǎo)式氣體分析儀。當(dāng)氫氣組分體積分?jǐn)?shù)低，而背景氣體積分?jǐn)?shù)變化大時(shí)，不宜選用熱導(dǎo)式氣體分析儀。熱導(dǎo)式氣體分析儀是基于氣體成分的變化導(dǎo)致混合氣體的總導(dǎo)熱系數(shù)變化這一物理特性，間接測量混合氣體中待測組分體積分?jǐn)?shù)的。

2 熱導(dǎo)式氫分析儀的試樣處理系統(tǒng)與樣氣分析

樣氣處理是將一臺在線分析儀器與源流體、排放點(diǎn)連接起來的系統(tǒng)。其作用是保證分析儀在最短的滯后時(shí)間內(nèi)得到具有代表性的試樣，該試樣的狀態(tài)（溫度、壓力、體積流量和清潔度）適合分析儀所需要的操作條件。樣氣經(jīng)過提取、傳輸、處理后進(jìn)入熱導(dǎo)式氫分析儀，最后對通過分析儀后的樣氣進(jìn)行合理排放。

2.1 樣氣提取

a）由取樣點(diǎn)取出的樣氣應(yīng)具有代表性，如實(shí)反映工藝介質(zhì)的組分和體積分?jǐn)?shù)，且通過取樣系統(tǒng)后不改變工藝介質(zhì)的組分和體積分?jǐn)?shù)。在大多數(shù)氣體管線中，從混合良好的湍流位置上取樣，可保證樣氣具有代表性。取樣點(diǎn)可選在彎頭之后的順流位置，或選在節(jié)流元件下游相對平穩(wěn)的位置。不應(yīng)將取樣點(diǎn)設(shè)置在流體呈層流的低流速區(qū)及緊靠節(jié)流件下游的渦流區(qū)和死角。

b）取樣點(diǎn)應(yīng)選在清潔、干燥、溫度、壓力合適的位置，且便于接近與維護(hù)的地方。

c）取樣點(diǎn)的插入方位：水平管道樣氣提取時(shí)，探頭應(yīng)從管道頂部插入，以避開可能存在的凝液和液滴。

d）取樣探頭組件的選擇（取樣探頭組件是插入過程流中提取試樣流的裝置）：

1）應(yīng)根據(jù)取樣位置分為負(fù)壓、正壓以及高壓。根據(jù)溫度不同，取樣裝置分為低溫和高溫裝置。根據(jù)試樣狀態(tài)的不同，分為氣態(tài)試樣和液態(tài)試樣。某高壓加氫裝置中，循環(huán)氫壓縮機(jī)出口管線上取樣點(diǎn)壓力為21.338MPa，溫度為68℃。取樣探頭應(yīng)兼顧測量的要求為高壓、低溫、氣態(tài)試樣。取樣探頭可選用ASME B16.5，Class 2500不銹鋼材質(zhì)法蘭與1／2″316SS Pipe管焊接。取樣根閥材質(zhì)為ASTM A182－F316，這種鋼號的材質(zhì)成分為18%鉻，8%鎳，并含有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉬。溫度為－18～815℃（0～1 500℉）。首先考慮防腐蝕，鉬的加入很大程度上增加了抗氫腐蝕性能。取樣根閥應(yīng)作為探頭組件的一部分加以考慮，且該閥以閘閥或球閥為宜。同時(shí)應(yīng)考慮雙閥系統(tǒng)，避免高壓氣體泄漏，這是一種雙重隔離的附加保護(hù)措施。

2）對于含塵量小的氣體試樣可以采用直通式（敞開式）探頭，如圖1所示。為了避免浮塵或顆粒等雜質(zhì)進(jìn)入取樣探頭，直通式取樣探頭一般沿45°坡面剖口，探頭開口面背對氣流方向安裝，利用慣性分離原理，將探頭周圍的顆粒物從流體中分離出來，但不能分離粒徑較小的顆粒物。

圖1 直通式取樣探頭組件

3）取樣探頭組件插入長度。為保證提取試樣具有代表性，一般插入管道直徑1／3或1／2深度。國外標(biāo)準(zhǔn)EEMVA No.138（在線分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝）推薦：最小插入深度為30mm；最大插入深度為0.5d＋10mm（d為管道內(nèi)徑）。

2.2 樣氣傳輸

傳輸管線最好是經(jīng)直線管路到達(dá)分析儀，取樣點(diǎn)至分析儀的距離盡可能短，使傳輸滯后時(shí)間縮短。

樣氣傳輸管線優(yōu)先選用316不銹鋼無縫Tube管，管子經(jīng)過退火處理后的優(yōu)點(diǎn)為316不銹鋼不會(huì)與樣氣組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且具有優(yōu)良的耐腐蝕性能；無縫鋼管與焊接碳鋼管比較，對樣氣的吸附作用很小，耐壓等級高，適合于高壓樣氣的傳輸；Tube管采用卡套接頭連接，密封性好，死體積??；退火處理的Tube管撓性高，便于彎曲施工和卡套連接。由于樣氣系統(tǒng)的體積流量與工藝物流相比是很小的，其管徑應(yīng)盡可能減小。對于樣氣一般采用0.635cm（1／4in）OD Tube管。根據(jù)常用英寸制Tube管的規(guī)格、最高允許工作壓力及溫度降級系數(shù)選擇壁厚。某高壓加氫裝置中管件規(guī)格選用0.635cm（1／4in）OD，管壁厚0.089cm（0.035in）。此規(guī)格的316不銹鋼無縫tube管最高允許工作壓力為35.16MPa。

2.3 樣氣處理

因?yàn)榧託溲b置中混合氫氣所含組分中一般均含塵及硫化氫等，所以從工藝管道提取的樣氣需經(jīng)體積流量、壓力、溫度調(diào)節(jié)、除塵、除水、穩(wěn)壓、穩(wěn)流等處理過程。樣氣處理通常在樣氣提取點(diǎn)之后和緊靠分析儀之前進(jìn)行。為了便于區(qū)分，習(xí)慣上把前者叫樣氣的前處理器，后者叫預(yù)處理單元。樣氣預(yù)處理單元連接，如圖2所示。樣氣的前處理器單元連接，如圖3所示。

圖2 樣氣預(yù)處理單元連接

2.3.1 樣氣體積流量的調(diào)節(jié)

在樣氣進(jìn)入前處理器和預(yù)處理單元過程時(shí)，都要通過針閥來微調(diào)樣氣體積流量和壓力。對于在線分析儀來說，無論正壓力或負(fù)壓力樣氣，都需要在規(guī)定的體積流量下進(jìn)行檢測分析，一般采用帶針閥的轉(zhuǎn)子流量計(jì)來調(diào)節(jié)和顯示樣氣的體積流量?？焖倩芈泛瓦M(jìn)入分析儀前的管路上通常都會(huì)采用帶針閥的轉(zhuǎn)子流量計(jì)來調(diào)節(jié)樣氣的體積流量。

2.3.2 除塵和除水

過濾器是樣氣處理系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的除塵設(shè)備，主要通過選擇過濾孔徑來濾除樣氣中不同大小的固體顆粒。樣氣在進(jìn)入前處理器和預(yù)處理單元之前都要進(jìn)入過濾器，去除粉塵顆粒。粗過濾器安裝在樣氣前處理器單元，要求耐壓并去除大量顆粒。精過濾器設(shè)置在樣氣預(yù)處理單元，也就是在分析儀入口處，去除小粒度顆粒。旁通過濾器有兩個(gè)出口，一部分經(jīng)過濾后由樣氣出口排出，其余樣氣未經(jīng)過濾由旁通出口排出。旁通過濾器、聚結(jié)過濾器、膜式過濾器都可以用于脫除液滴，達(dá)到氣液分離的目的。

2.3.3 樣氣壓力的調(diào)節(jié)

某加氫裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)出口壓力為21.338MPa，在樣氣前處理器單元中要經(jīng)過減壓達(dá)到樣氣分析的壓力要求。因此，要考慮穩(wěn)妥的減壓措施。樣氣減壓時(shí)一般距離取樣點(diǎn)較近，也就是說，樣氣前處理器單元要離取樣點(diǎn)盡可能近些。特別是高壓樣氣的減壓，因?yàn)閭魉透邏簶託庥邪l(fā)生危險(xiǎn)的可能，并且會(huì)因延遲減壓造成膨脹體積大帶來過大的時(shí)間滯后。氣體降壓節(jié)流膨脹會(huì)造成溫度急劇下降，可能導(dǎo)致某些試樣組分冷凝析出，周圍空氣中的水分也會(huì)凍結(jié)在減壓閥上而造成故障。根據(jù)氣體熱力學(xué)定律可知，氣體減壓前后溫度降與壓力差成正比，與氣體的初始溫度成反比，即壓力越高、溫度越低的樣氣減壓后，溫度降低幅度越大。此外，溫度降低還與氣體的性質(zhì)有關(guān)。高壓氣體減壓設(shè)計(jì)時(shí)，粗略估算壓力每降低0.1MPa，溫度下降0.3～0.5℃。因此，可以在樣氣前處理器單元中設(shè)置電伴熱系統(tǒng)。根據(jù)需求規(guī)定電伴熱設(shè)定溫度，電伴熱的伴熱溫度通常比蒸汽伴熱溫度更穩(wěn)定。

為了減少采樣流程中的泄漏點(diǎn)，提高樣氣處理系統(tǒng)的可行性，需要經(jīng)過兩級減壓及安全泄壓。即，分別經(jīng)過兩級高壓減壓閥，該壓力調(diào)節(jié)器配有壓力表。

圖3 樣氣前處理器單元連接

同時(shí)，樣氣前處理器單元還配有安全泄壓閥，泄壓閥又稱安全閥，用以保護(hù)分析儀和某些耐壓能力有限的試樣處理部件免受高壓樣氣的損害。安全閥泄壓后需要連接管道至高點(diǎn)安全排放。

2.4 快速回路

如果在分析儀允許通過的體積流量下，時(shí)間滯后超過60s，則應(yīng)采用快速回路系統(tǒng)?？焖倩芈分饕羌涌鞓託饬鲃?dòng)以縮短樣氣傳輸時(shí)間的管路?？焖倩芈返臉?gòu)成形式通常有兩種，即返回到裝置的快速循環(huán)回路和通往廢氣放空管線的快速旁通回路。快速循環(huán)回路可降低樣氣傳輸?shù)臅r(shí)間滯后，并使工藝流體的耗損量降至最低。在樣氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用快速循環(huán)回路，但也要根據(jù)實(shí)際工況具體分析。樣氣經(jīng)過前處理器單元減壓后，壓力已經(jīng)降低，樣氣返回工藝已不現(xiàn)實(shí)。且樣氣中易燃?xì)錃怏w積分?jǐn)?shù)較高，背景氣中含有有毒的硫化氫，所以樣氣返回火炬放空管線是最安全、經(jīng)濟(jì)的處理方法。

通往廢氣放空管線的快速旁通回路，是從工藝管道到排氣口的試樣流通系統(tǒng)。由于它是分析回路的旁通支路，所以稱為“旁通回路”。樣氣從前處理器單元進(jìn)入預(yù)處理單元分析柜時(shí)，先經(jīng)過體積流量微調(diào)，然后壓力表測量顯示進(jìn)入分析柜中的樣氣壓力?？焖倩芈芬话銖呐酝ㄟ^濾器引出，引出點(diǎn)壓力為0.1～0.15MPa，要求火炬放空管線壓力低于引出點(diǎn)壓力，保證有一定壓差?？焖倥酝ɑ芈飞献詈糜袉蜗蜷y，只允許樣氣單向流動(dòng)，避免逆向流動(dòng)。

2.5 樣氣分析

通過旁通過濾器過濾的樣氣，經(jīng)過帶針閥的轉(zhuǎn)子流量計(jì)微調(diào)體積流量，并再次除塵后進(jìn)入熱導(dǎo)式氫分析儀。熱導(dǎo)式氫分析儀可劃分為熱導(dǎo)檢測器和電路兩大部分。熱導(dǎo)檢測器（習(xí)慣上稱為發(fā)送器）由熱導(dǎo)池和測量電橋構(gòu)成，熱導(dǎo)池作為測量電橋的橋臂連接在橋路中，兩者密不可分。電路部分包括穩(wěn)壓電源、恒溫控制器、信號放大電路、線性化電路和輸出電路等。

目前，所有熱導(dǎo)式分析儀都把導(dǎo)熱系數(shù)的測量轉(zhuǎn)換為隨其變化的電阻值的測量。通常采用如圖4所示的熱導(dǎo)室，在熱導(dǎo)室中懸一金屬（鎢或鉑）電阻絲，其0℃時(shí)的電阻值為R0，通以恒定的I0后，電阻絲產(chǎn)生熱量并向四周散熱。待分析的樣氣從氣室下方通入，上方排出，熱量主要通過氣體傳向氣室壁。設(shè)室壁溫度t0恒定，電阻絲達(dá)到熱平衡時(shí)溫度為tn，這時(shí)電阻絲的電阻值為Rn。若混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)λ混越大，說明散熱條件越好，熱平衡時(shí)電阻絲的溫度tn越低，其電阻值Rn也越?。环粗?，λ混越小，則tn越高，電阻絲的電阻值Rn也越大，從而將混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電阻絲的電阻值變化。

圖4 熱導(dǎo)式分析儀熱導(dǎo)池工作原理示意

熱導(dǎo)池的作用是把混合氫中待測組分氫氣純度的變化轉(zhuǎn)換成電阻絲阻值的變化。應(yīng)用電橋測量電阻十分方便，而且靈敏度和精度都比較高。電阻值轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為測量信號，如模擬輸出測量值信號和數(shù)字故障狀態(tài)信號。

熱導(dǎo)式分析儀的測量誤差由基本誤差和附加誤差兩部分組成?；菊`差是分析儀在規(guī)定條件下工作產(chǎn)生的誤差，而附加誤差是由于對儀器的調(diào)整、使用不當(dāng)或外界條件變化帶來的誤差。熱導(dǎo)式氣體分析儀產(chǎn)生附加誤差的主要因素包括標(biāo)準(zhǔn)氣的組成和精度；灰塵和液滴的存在；電橋工作電流的變化等。

2.6 樣氣排放

通過分析儀后的樣氣，其壓力與大氣壓力相同。由于樣氣體積流量不大，故選擇高點(diǎn)放空，直接排入大氣。由于氫氣易燃易爆的特性，排放末端管口一定要加阻火帽，對分析儀起保護(hù)作用。排入大氣的管路需足夠長，排放管應(yīng)高于附近有人員作業(yè)的最高設(shè)備2m以上。

3 其他設(shè)計(jì)問題

3.1 零點(diǎn)氣與量程氣調(diào)校

熱導(dǎo)式氫分析儀的校準(zhǔn)周期一般為1個(gè)月，視儀表運(yùn)行狀況的需要或因工藝操作人員的要求，亦可隨時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。零點(diǎn)氣和量程氣待測組分體積分?jǐn)?shù)接近于工藝控制指標(biāo)，而且其背景組分應(yīng)與工藝樣氣中的背景組分性質(zhì)相同或近似。在某高壓加氫裝置實(shí)際應(yīng)用中零點(diǎn)氣為80%H2，10%CH4，10%N2，量程氣為99.99%H2。零點(diǎn)氣與量程氣調(diào)校管路用一個(gè)三通球閥作為樣氣切斷閥，從而引入標(biāo)準(zhǔn)氣。另一個(gè)三通球閥可以用來選擇零點(diǎn)氣或量程氣作為標(biāo)準(zhǔn)氣。按規(guī)定體積流量給分析儀通入標(biāo)準(zhǔn)氣，待示值穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)分析儀電位器，使儀表輸出值與標(biāo)準(zhǔn)氣體積分?jǐn)?shù)相符。

3.2 分析儀柜供風(fēng)

分析儀柜一般采用正壓通風(fēng)方式。正壓通風(fēng)是指強(qiáng)制通風(fēng)措施，其作用是將柜內(nèi)可能泄漏的危險(xiǎn)氣體稀釋并排出。測量的樣氣主要為氫氣，屬于可燃?xì)怏w。此外，樣氣中含有少量硫化氫，屬于有毒氣體。所以必須把可能泄漏的有毒、可燃?xì)怏w置換出去，以保證操作員的安全。

3.3 分析儀系統(tǒng)供電

整個(gè)分析儀系統(tǒng)的供電包括熱導(dǎo)式氫分析儀工作用電和樣氣前處理器單元、樣氣預(yù)處理單元內(nèi)電伴熱用電。

4 結(jié)束語

對于高壓加氫裝置氫純度分析，首先需要根據(jù)工藝數(shù)據(jù)分析選定測量方法，其次要考慮高壓樣氣的降壓，再次要對樣氣的排放加以考慮，以保證分析儀操作人員和維護(hù)人員的安全，減少對環(huán)境的污染?？傊?，精準(zhǔn)的測量，環(huán)境保護(hù)與安全操作，以人為本是氫氣分析儀設(shè)計(jì)中要達(dá)到的最終目標(biāo)。

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