在線色譜儀點(diǎn)火裝置的改進(jìn)

魏 薇 范學(xué)英

(中國(guó)石油蘭州石化公司自動(dòng)化研究院，蘭州 730060)

在線色譜儀點(diǎn)火裝置的改進(jìn)

魏 薇 范學(xué)英

(中國(guó)石油蘭州石化公司自動(dòng)化研究院，蘭州 730060)

在線色譜儀在某常減壓裝置投用后，由于檢測(cè)器出現(xiàn)火焰熄滅的現(xiàn)象，導(dǎo)致儀表不能正常分析數(shù)據(jù)。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)點(diǎn)火裝置進(jìn)行優(yōu)化改造，有效地解決了檢測(cè)器火焰熄滅的問(wèn)題，縮短了儀表的停表時(shí)間，保證了在線色譜儀的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

在線色譜儀 檢測(cè)器 點(diǎn)火裝置 優(yōu)化改進(jìn)

目前，多數(shù)煉廠在線分析油品質(zhì)量參數(shù)時(shí)都采用模擬實(shí)驗(yàn)室方法，存在不同質(zhì)量參數(shù)需要不同在線儀表來(lái)分析的問(wèn)題。例如，用于分析油品餾程的在線分析儀表，多采用經(jīng)典加熱餾方法，只能對(duì)油品的單點(diǎn)或不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行分析[1]。這樣，購(gòu)買(mǎi)儀表投入成本高、運(yùn)維工作量大且能耗高，而且像冰點(diǎn)等質(zhì)量參數(shù)，利用模擬實(shí)驗(yàn)室方法很難實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。鑒于以上弊端，項(xiàng)目組研究開(kāi)發(fā)了基于色譜技術(shù)的在線分析儀表，該儀表具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、分析快速、分析樣品用樣量少、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)維量少和多參數(shù)聯(lián)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于某常減壓裝置。

在線色譜分析儀表投用常減壓裝置后，儀表的準(zhǔn)確性滿足國(guó)標(biāo)要求，能夠提供實(shí)時(shí)的分析數(shù)據(jù)，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝和提高產(chǎn)品收率提供了有效的參考數(shù)據(jù)。但是，儀表采用氫火焰離子檢測(cè)器(Flame Ionization Detector，F(xiàn)ID)，運(yùn)行過(guò)程中存在檢測(cè)器火焰熄滅的現(xiàn)象。而現(xiàn)有在線分析儀表的自動(dòng)化程度低，不能自動(dòng)判斷火焰是否熄滅并自動(dòng)點(diǎn)火，運(yùn)維人員必須進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)儀表小屋進(jìn)行手動(dòng)點(diǎn)火，對(duì)系統(tǒng)的無(wú)故障運(yùn)行率有所影響。為了提高儀表的無(wú)故障運(yùn)行率，保證儀表的長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行，縮短停表時(shí)間，項(xiàng)目組決定對(duì)儀表的點(diǎn)火裝置進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

FID檢測(cè)器由離子室、離子頭和氣體供應(yīng)部分組成。FID檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 FID檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖

FID檢測(cè)器工作原理：以氫氣在空氣中燃燒為能源，載氣攜帶被分析組分和可燃?xì)鈴膰娮爝M(jìn)入檢測(cè)器，助燃?xì)?空氣)從四周導(dǎo)入，氫氣和載氣混合后通過(guò)噴嘴再與空氣混合點(diǎn)火燃燒，形成氫火焰。被測(cè)組分在火焰中被解離成正負(fù)離子，在火焰上方收集極和發(fā)射極所形成的靜電場(chǎng)作用下，正負(fù)離子向各自相反的電極移動(dòng)，形成的離子流向收集極形成離子流，經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)化，放大器放大107～1010倍，便獲得可測(cè)量的電信號(hào)。無(wú)樣品時(shí)兩極間離子很少，當(dāng)有樣品進(jìn)入火焰時(shí)，發(fā)生離子化反應(yīng)，生成許多離子。離子流經(jīng)過(guò)微電流放大器放大并被記錄下來(lái)，反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即可得出相應(yīng)的色譜圖，從而判斷得出碳?xì)浠衔锝M分的含量。離子流與被測(cè)組分的濃度成正比，組分濃度越高，離子流信號(hào)越大。

2 存在的問(wèn)題及其原因分析

一般FID檢測(cè)器不能點(diǎn)火或使用過(guò)程中熄火的常見(jiàn)原因如下[3]：

a. 檢測(cè)器積水；

b. 檢測(cè)器污染；

c. 檢測(cè)器的氫氣和空氣流量過(guò)小或配比不對(duì)，導(dǎo)致點(diǎn)不著火；

d. 氣路漏氣或接錯(cuò)氣瓶，使FID不能點(diǎn)火；

e. 載氣流速過(guò)大造成火焰被吹滅的現(xiàn)象；

f. 尾吹氣流量設(shè)置不當(dāng)，過(guò)大會(huì)吹滅火焰；

g. 檢測(cè)器溫度設(shè)置過(guò)低或檢測(cè)器溫度未達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，都不易點(diǎn)火；

h. 由于FID火焰燃燒產(chǎn)生冷凝水，容易導(dǎo)致檢測(cè)器火焰熄滅。

針對(duì)上述常見(jiàn)原因進(jìn)行排查，儀表當(dāng)前需要重點(diǎn)解決的是氫氣和空氣配比，以及載氣流速穩(wěn)定的問(wèn)題。

如圖2所示，在系統(tǒng)軟件總體功能設(shè)計(jì)中涉及到了點(diǎn)火控制，但因點(diǎn)火程序功能不完善，僅通過(guò)點(diǎn)火按鈕操作完成點(diǎn)火任務(wù)，一旦檢測(cè)器火焰熄滅，無(wú)人為判斷，會(huì)存在火滅發(fā)現(xiàn)不及時(shí)和手動(dòng)點(diǎn)火不及時(shí)的問(wèn)題。FID檢測(cè)器的火焰熄滅后，只能等到巡檢人員巡檢才能發(fā)現(xiàn)，之后再進(jìn)行手動(dòng)點(diǎn)火。由于每天巡檢時(shí)間是固定的，導(dǎo)致火焰熄滅以后不能及時(shí)進(jìn)行手動(dòng)點(diǎn)火，造成儀表無(wú)法正常分析數(shù)據(jù)，增加了儀表的停表時(shí)間，儀表的無(wú)故障運(yùn)行率降低。

圖2 在線色譜儀軟件系統(tǒng)的總體功能框圖

3 改進(jìn)與實(shí)施

針對(duì)氫氣和空氣配比、載氣流速及軟件功能不完善等問(wèn)題，對(duì)FID檢測(cè)器的點(diǎn)火裝置進(jìn)行技術(shù)改造。

3.1穩(wěn)壓穩(wěn)流

要解決FID檢測(cè)器熄火的問(wèn)題，需保持氫氣和空氣流量的相對(duì)穩(wěn)定，必須在氣路入口處增加壓力調(diào)節(jié)裝置，從而保持流量的穩(wěn)定。普通的穩(wěn)壓閥在工作時(shí)，當(dāng)后級(jí)氣阻變化后，無(wú)法調(diào)節(jié)輸出壓力，流量也會(huì)隨之發(fā)生變化，應(yīng)采用帶反饋的調(diào)節(jié)裝置，將后級(jí)壓力的變化情況隨時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)節(jié)執(zhí)行器，以保證輸出流量的穩(wěn)定[4]。

針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)壓系統(tǒng)，主要由電子壓力控制器(EPC)和初始?jí)毫υO(shè)定器構(gòu)成。穩(wěn)壓系統(tǒng)采用PID控制算法控制氣體的壓力。壓力傳感器檢測(cè)出當(dāng)前壓力信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入PID控制器，PID控制器根據(jù)當(dāng)前壓力和設(shè)定壓力計(jì)算出控制量驅(qū)動(dòng)控制閥，從而實(shí)現(xiàn)壓力控制。電子壓力控制原理如圖3所示。

圖3 電子壓力控制原理框圖

如圖4所示，具體實(shí)施時(shí)，在氫氣進(jìn)入FID檢測(cè)器前加裝EPC。氣體通過(guò)EPC控制電壓，從而控制空氣流量，進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)流控制，控制精度為±2mL。PLC發(fā)出點(diǎn)火脈沖后，通過(guò)改變EPC的控制電壓，保證氫氣流量保持相對(duì)恒定，以改變空氣流量的大小。為保證檢測(cè)器火焰不熄滅，在載氣流量不穩(wěn)的情況下，EPC會(huì)自動(dòng)監(jiān)控并及時(shí)調(diào)整流量。

圖4 加裝EPC示意圖

點(diǎn)火方式采用一體化高壓脈沖發(fā)生器，通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行控制。一體化高壓脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生10kV左右的高壓，放電間隙3～8mm，足以點(diǎn)燃?xì)錃?。點(diǎn)火周期1～2s，點(diǎn)火成功率有了很大的提高。當(dāng)檢測(cè)器溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，一次點(diǎn)火成功率能夠達(dá)到98%。而且一體化高壓脈沖發(fā)生器具有體積小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，這也大幅提升了儀表長(zhǎng)周期運(yùn)行的可靠性。

在應(yīng)用過(guò)程中，同時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓脈沖發(fā)生器點(diǎn)火時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾引起點(diǎn)火控制器死機(jī)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)摸索，采用延時(shí)繼電器進(jìn)行延時(shí)控制，解決了點(diǎn)火死機(jī)的問(wèn)題，保證了檢測(cè)器的正常工作。

3.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

如圖5所示，在程序中對(duì)檢測(cè)器點(diǎn)火裝置火

圖5 點(diǎn)火控制系統(tǒng)運(yùn)行流程

焰是否點(diǎn)燃增加實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)檢測(cè)器溫度達(dá)到290℃以上時(shí)，每2min進(jìn)行一次“火焰是否燃燒”的判斷。氫氣點(diǎn)燃后，輸出值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱的色譜信號(hào)，由于色譜信號(hào)非常微弱，容易和檢測(cè)器的工作噪聲混合，因此很難從色譜信號(hào)來(lái)判斷氫氣是否點(diǎn)燃，通過(guò)信號(hào)放大板，將微弱的色譜信號(hào)進(jìn)行放大，使色譜信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)明顯的變化值，從而判斷氫氣是否點(diǎn)燃。如果色譜信號(hào)大于0.1V說(shuō)明火焰燃燒正常，如果信號(hào)小于0.1V則判斷火焰已經(jīng)熄滅，判斷火焰熄滅后，程序會(huì)自動(dòng)開(kāi)始點(diǎn)火。

3.3自動(dòng)點(diǎn)火

如圖5所示，在點(diǎn)火程序中增加自動(dòng)點(diǎn)火功能，替代以前的手動(dòng)點(diǎn)火。當(dāng)檢測(cè)器溫度首次達(dá)到280℃時(shí)，判斷色譜信號(hào)，開(kāi)始點(diǎn)火。點(diǎn)火時(shí)，通過(guò)控制EPC電壓值，來(lái)降低空氣流量，將氫氣與空氣流量比值降為1∶4，此時(shí)打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，通過(guò)點(diǎn)火控制器發(fā)出點(diǎn)火脈沖，1s后將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)關(guān)閉，將氫氣與空氣流量比值逐步恢復(fù)至1∶10。如果點(diǎn)火成功色譜信號(hào)會(huì)隨之增大，如果點(diǎn)火未成功色譜信號(hào)不會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)判斷這個(gè)色譜信號(hào)，可以直觀地判斷出點(diǎn)火是否成功。如果火焰未著，程序?qū)⒚扛?min自動(dòng)點(diǎn)火一次。

4 結(jié)束語(yǔ)

從現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果來(lái)看，通過(guò)對(duì)點(diǎn)火裝置的優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)了FID檢測(cè)器點(diǎn)火裝置的自動(dòng)點(diǎn)火功能，有效地解決了FID檢測(cè)器火焰熄滅的問(wèn)題，使儀表因火焰熄滅造成的停表時(shí)間由原來(lái)的55%降至0%，顯著提高了儀表的可靠性和穩(wěn)定性。從運(yùn)維工作量來(lái)看，在以往的巡檢工作中，巡檢人員會(huì)重點(diǎn)關(guān)注儀表火焰的燃燒情況，通過(guò)查看色譜信號(hào)和采用水汽法，人為判斷FID檢測(cè)器是否火焰熄滅。進(jìn)行技術(shù)改造后，巡檢人員已經(jīng)不需要對(duì)火焰燃燒情況進(jìn)行關(guān)注，減輕了巡檢人員的工作量和人為判斷存在的誤差。

[1] 張巖.在線色譜模擬蒸餾分析儀的研制[D].天津:天津大學(xué),2006.

[2] 何世偉.色譜儀器[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2012:66～69.

[3] 徐明全,李倉(cāng)海.氣相色譜百問(wèn)精編[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013:152～155.

[4] 仇軍輝,倪源,王忠民.應(yīng)用EPE提高FID檢測(cè)器穩(wěn)定性[J].信息系統(tǒng)工程,2014,(4):63,94.

TH833

B

1000-3932(2016)06-0646-04

2016-05-16(修改稿)