在線分析樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展研究

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(1.沃森測控技術(shù)(河北)有限公司，廊坊065000；2.重慶重科大分析儀器有限公司，重慶401331；3.重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶400041)

在線分析樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展研究

常壽兵1楊永龍2金義忠2、3

(1.沃森測控技術(shù)(河北)有限公司，廊坊065000；2.重慶重科大分析儀器有限公司，重慶401331；3.重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶400041)

樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)是在線分析系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，探索和研究如何創(chuàng)新發(fā)展，對于提高樣氣處理系統(tǒng)及其在線分析系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用水平，具有極其重要的工程意義。本文僅以LKP107型精準脫硝取樣探頭系統(tǒng)為例，解讀構(gòu)建和設(shè)計更加可靠免維護樣氣處理系統(tǒng)的創(chuàng)新思維和工程化方法。

樣氣處理系統(tǒng) 免維護 整體優(yōu)化設(shè)計 精準脫硝

1 引言

樣氣處理系統(tǒng)伴隨在線分析儀誕生，在我國已有61年技術(shù)史(1956～2017年)，隨著上世紀八十年代大規(guī)模引進技術(shù)國產(chǎn)化的推進，以及實施《過程分析器試樣處理系統(tǒng)性能表示》(JB/T6854-1993)*注1更新版本是《過程分析器試樣處理系統(tǒng)性能表示》(JB/T6854-2005)。的機械部行業(yè)標準，四川儀表九廠的RS1000系列過程分析成套系統(tǒng)被列為國家級火炬計劃項目，樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)才開始出現(xiàn)專業(yè)化研究和針對性、規(guī)范化設(shè)計的新趨勢，在線分析儀工程應(yīng)用的故障率已由過去的50%以上，逐步大幅度降低，并出現(xiàn)了在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用“100%投運成功率”的新概念。

在踐行創(chuàng)新驅(qū)動的國家發(fā)展戰(zhàn)略之際，流程工業(yè)的優(yōu)化控制和先進過程控制，環(huán)保行業(yè)超低排放急需的技術(shù)升級，都迫切要求本專業(yè)必須正面回應(yīng)并滿足國家重點工程和廣大工程用戶所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)及現(xiàn)實需要，為解決現(xiàn)有和新的工程應(yīng)用難題開辟新前景。為此，在線分析樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展研究，具有迫切的現(xiàn)實意義①。

2 樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新突破的主攻方向

為了使在線分析系統(tǒng)能夠真正實現(xiàn)長壽命周期的協(xié)調(diào)運行，就得更好抓住樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的精髓，鎖定樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新突破的主攻方向：

(1)對缺乏均一性和不可能按期望預(yù)設(shè)樣氣條件的良好適應(yīng)性。

(2)對在線分析儀穩(wěn)定性、可靠性、準確性、安全性和長壽命周期的可靠保障。

(3)對在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用中人工介入的解放，即少維護，甚至免維護。

樣氣處理系統(tǒng)產(chǎn)品要有生命力，其產(chǎn)品設(shè)計就得全面做到以上三點，這的確非常困難，卻又是必須的。

3 研制高端品質(zhì)樣氣處理系統(tǒng)何以可能

(1)朱良漪老前輩在2007年第二屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國際論壇的主旨報告：“21世紀前沿技術(shù)‘分析技術(shù)’與‘自動化’的系統(tǒng)集成”[1]，是在線分析技術(shù)質(zhì)量發(fā)展的一個重要轉(zhuǎn)折點，他多次強調(diào)的“國家重點工程導(dǎo)向”的技術(shù)觀點，已融入本專業(yè)工程師的技術(shù)觀及其工程實踐。

(2)人民科學家錢學森院士的《創(chuàng)建系統(tǒng)學》[2]的系統(tǒng)學科學理論，催生了在線分析系統(tǒng)應(yīng)用型基礎(chǔ)理論的初創(chuàng)[3]，其中從技術(shù)系統(tǒng)的開放性歸納出的樣氣處理系統(tǒng)的開放性具有特別重要的實踐意義：樣氣處理系統(tǒng)與其工程應(yīng)用的外部環(huán)境(樣氣條件、環(huán)境條件和安裝條件等)長期存在十分復(fù)雜、動態(tài)的物質(zhì)交換、能量交換和信息交換。這是設(shè)計高端品質(zhì)樣氣處理系統(tǒng)的鑰匙，也是尋找和排除在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用故障最有效的技術(shù)手段。

(3)前蘇聯(lián)發(fā)明大師根里奇·阿奇舒勒的發(fā)明問題解決理論TRIZ[4]，在我國推廣是命名為“萃智”，能讓工程師摒棄習慣應(yīng)用的嘗試法。真正采用發(fā)明原理、科學原理和科學效應(yīng)來提高研發(fā)新產(chǎn)品成功率及其質(zhì)量。

(4) 在線分析技術(shù)61年的技術(shù)史，特別是新世紀在線分析產(chǎn)業(yè)持續(xù)的爆發(fā)性增長，為樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供了最佳的契機和堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，不少子系統(tǒng)、微系統(tǒng)已經(jīng)是高度成熟的產(chǎn)品技術(shù)，可以放心地推廣應(yīng)用。多數(shù)技術(shù)制高點被攻破，是本專業(yè)工程師研發(fā)實力的真實表現(xiàn)。

(5)樣氣處理系統(tǒng)及在線分析系統(tǒng)的“多目標整體優(yōu)化設(shè)計方法”[5]，是高端品質(zhì)樣氣處理系統(tǒng)研制中值得推薦的先進方法，因為它符合“質(zhì)量源于設(shè)計(QbD)”的技術(shù)理念。其突出優(yōu)點體現(xiàn)在在線分析系統(tǒng)協(xié)調(diào)進化五原則中：

① 很好保留了原系統(tǒng)的優(yōu)點；

② 比較徹底地清除了原系統(tǒng)的局限和不足；

③ 新系統(tǒng)沒有變的更復(fù)雜和成本更高；

④ 新系統(tǒng)沒有引進新的缺陷和技術(shù)風險；

⑤ 新系統(tǒng)更能長壽命周期地協(xié)調(diào)運行。

至此，對于研制具有新世紀前沿技術(shù)特征的精準脫硝急需的取樣探頭系統(tǒng)，我們團隊積累起了很強的技術(shù)實力，并對于它的一次性成功充滿信心。

4 LKP107型精準脫硝取樣探頭研制的技術(shù)突破研究

4.1 環(huán)保超低排放脫硝工程面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)國家發(fā)改委，環(huán)境保護部和能源局制定的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》(2014～2020年)，將燃煤電廠大氣污染氮氧化物的排放限值從2011年的100～200mg/m3進一步降低至50mg/m3，使原來基本適用的樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)，現(xiàn)在根本滿足不了工程應(yīng)用的現(xiàn)實需要，催生了剛性的技術(shù)升級要求。

監(jiān)控和降低氮氧化物排放的脫硝(SCR)環(huán)保工程,需要準確監(jiān)測lt;3×10-6的微量氨逃逸，一般情況下逃逸微量氨含量大多只有1×10-6左右，在線分析儀所選量程一般為0～10×10-6NH3，工程應(yīng)用中將面對如下三大困難：

(1)煙氣條件的困擾

我國燃煤鍋爐煙氣的粉塵含量一般較高，而且缺乏均一性，不可能按需要預(yù)設(shè)，治理較晚的陶瓷行業(yè)更差，會成為很嚴重的廣義干擾，這給微量氨逃逸監(jiān)測的準確性、可靠性、連續(xù)性、維護性都造成很大困難，這特別是原位法測氨面對的技術(shù)難題。

(2)微量氨測量的困難

微量氨逃逸測量對分析儀的穩(wěn)定性、準確性、抗廣義干擾的要求都很高。氨容易產(chǎn)生吸附，是易溶性氣體，在取樣、傳輸、處理的全過程中，如有“冷點”出現(xiàn)，氨接觸冷凝水會產(chǎn)生流失，嚴重影響微量氨檢測的準確度。

(3)高溫取樣和傳輸?shù)睦щy

燃煤煙氣中不可避免地存在干擾組分SO3，會和NH3反應(yīng)生成NH4HSO4(硫酸氫胺)，NH3+SO3+H2O→NH4HSO4。

硫酸氫胺在146～232℃溫度范圍內(nèi)都是液態(tài)，會和煙氣中的飛灰結(jié)合而產(chǎn)生沉淀(類似于結(jié)晶)，必然造成空氣預(yù)熱器的阻力增大，嚴重時甚至有發(fā)生堵塞的風險，對空氣預(yù)熱器的安全運行造成嚴重威脅。而且，取樣探頭也有因為堵塞造成取樣中斷的風險。所以，脫硝微量氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)的安全運行溫度，理論上必須保持≥230℃的“高溫”，這是相對于此前行業(yè)性185℃左右的較低溫度而言。這個必須提高的“高溫”在工程化設(shè)計當中有很高的技術(shù)難度，使相應(yīng)的脫硝專用取樣探頭系統(tǒng)，被推上樣氣處理系統(tǒng)的技術(shù)制高點。

4.2 LKP107型脫硝取樣探頭的整體優(yōu)化設(shè)計

微量氨逃逸的監(jiān)測準確度，仍是工程界值得深入研究的課題，已有多個單位在開展“精準脫硝”和“脫硝優(yōu)化”的工程化深入研究，化學法氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)可能更具有技術(shù)優(yōu)勢的整體解決方案。采用多目標整體優(yōu)化設(shè)計的LKP107型脫硝取樣探頭，是為其特別制定的高端品質(zhì)配套產(chǎn)品。

(1)采用LKF2型超微孔SiC高精度探頭過濾器。

先進的表面過濾原理與眾多的深度過濾器有本質(zhì)的不同。高精度(0.3μm99%)和低氣流阻力(lt;80pa)(?50×?20×135mm)的完善協(xié)調(diào)，工程應(yīng)用中阻力增大還很緩慢，耐高溫、耐腐蝕、高強度、抗污染、長壽命(中等粉塵條件下至少四年)。

(2)將探頭過濾器設(shè)計成過濾器組件，內(nèi)置于探頭管前端煙道內(nèi)的高溫環(huán)境中(lt;450℃)，不需要對其再加溫，設(shè)計有開口防護罩，避免了粉塵的直接沖刷，又降低了粉塵的聚集。防漏灰的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計，大大提高了工程應(yīng)用的可靠性。

(3)探頭管外端設(shè)計有鎧裝式電加熱元件和測溫鉑電阻，以及探頭防護箱內(nèi)的保溫套，由PLC控制230℃的穩(wěn)定溫度，不至于出現(xiàn)引發(fā)結(jié)晶的“冷點”，可提高可靠性，壽命周期長。

(4)取樣探頭配置有獨立的反吹箱，可對過濾器實施長周期(例如8h 1次)的脈沖式反吹掃，實現(xiàn)無堵塞連續(xù)采樣。

(5)加熱反吹掃，反吹掃的儀表空氣不但經(jīng)過了除塵、除油的凈化處理，而且穩(wěn)定加熱至和煙氣溫度相當?shù)母邷?，避免低溫空氣將高溫過濾器吹裂，確保反吹掃效果。

(6)取樣探頭主要材質(zhì)采用316L，整個取樣管道表面采用了特殊處理工藝，有效避免因吸附等原因造成逃逸氨的流失。

(7)取樣探頭的整體式主體結(jié)構(gòu)總長1.8米，外徑?80mm，配套有帶護管的安裝法蘭，安裝、使用、維護、檢修很方便。

(8)LKP107型脫硝取樣探頭需要系統(tǒng)集成商提供相適應(yīng)的匹配條件：如230℃的電熱管，外徑(?60mm)，反吹掃時切斷樣氣的高溫氣動球閥(進口的高可靠產(chǎn)品)，以及PLC程序控制等。

4.3 LKP107型脫硝取樣探頭的主要技術(shù)特性

環(huán)境條件：環(huán)境溫度5～50℃，環(huán)境相對溫度lt;90%RH

樣氣條件：樣氣溫度lt;450℃(但gt;150℃)，樣氣壓力gt;-20KPa

樣氣流量：lt;15L/min，樣氣粉塵lt;200g/m3(無限制)

使用條件：供電電源220±22VAC，50Hz，加熱功率400W

反吹掃氣源：0.45～0.6Mpa潔凈儀表空氣

4.4 對“多目標整體優(yōu)化設(shè)計”的深度解析

少維護：長壽命周期協(xié)調(diào)運行，近乎免維護的工程應(yīng)用效果。

高可靠性：高可靠的無堵塞連續(xù)取樣。

高準確度：全程高溫≥230℃，無氨流失，無硫酸氫胺生成。

長壽命周期設(shè)計：目標壽命周期至少5年，爭取達到10年。

技術(shù)成熟度高：采用先進技術(shù)、成熟技術(shù)，經(jīng)過長期工程實踐的技術(shù)。例如高精度探頭過濾器自1985年開始在我國應(yīng)用，至少有幾萬件的成功工程實踐。

結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計的優(yōu)化合理。

產(chǎn)品具有高端品質(zhì)，能對分析儀提供真正可靠保障。

設(shè)備運營成本低，探頭及探頭過濾器的壽命周期長，反吹掃周期長。

LKP107型脫硝取樣探頭的首批產(chǎn)品，已于2017年5月進入工程應(yīng)用現(xiàn)場考核試驗。

5 技術(shù)討論

(1)要構(gòu)建、設(shè)計和駕馭高可靠、免維護的取樣探頭系統(tǒng)，就一定要在技術(shù)系統(tǒng)的整體和局部(包括最前端的微系統(tǒng))的關(guān)系中明察秋毫，杜絕一切疏漏。

(2)堅持樣氣處理系統(tǒng)設(shè)計的基本原則十分必要。那就是合理匹配、完善組合、協(xié)調(diào)運行，這只有更好抓住樣氣處理系統(tǒng)的精髓，才有可能做好。

(3)堅持國家重點工程導(dǎo)向，鎖定樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的主攻方向，其工程化的努力集中體現(xiàn)在“以協(xié)調(diào)進化五原則為核心的多目標整體優(yōu)化設(shè)計”的系統(tǒng)性方法上。

(4)LKP107型脫硝專用取樣探頭能夠很好滿足精準脫硝和脫硝優(yōu)化嚴苛的工程應(yīng)用要求，為脫硝細分行業(yè)的技術(shù)升級，提供了堅實可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，既適用于直接抽取式，也適用于旁路抽取式。

LKP107型精準脫硝取樣探頭系統(tǒng)，有可能是在線分析樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)一個新的技術(shù)制高點。

[1]朱良漪.21世紀的前沿技術(shù)“分析技術(shù)”與“自動化”的系統(tǒng)集成[C]//第二屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國際論壇文集，2007:4-6.

[2]錢學森.創(chuàng)建系統(tǒng)學[M].太原：山西科學技術(shù)出版社，2001：2-17.

[3]金義忠.構(gòu)建在線分析系統(tǒng)基礎(chǔ)理論的探索研究[M]//在線分析技術(shù)工程教育.北京：科學出版社，2016:30-37.

[4]楊清亮.發(fā)明是怎樣誕生的—TRIZ理論全接觸[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：11-24.

[5]金義忠.在線分析系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和整體優(yōu)化設(shè)計的探索研究[M]//在線分析技術(shù)工程教育.北京：科學出版社，2016:38-47.

2017-07-06

常壽兵，男，1978年出生，北京航空航天大學電子與通訊工程碩士，工程師，沃森測控技術(shù)(河北)有限公司技術(shù)總監(jiān)，研究方向：燃煤鍋爐的燃燒優(yōu)化控制，儀器儀表和計算機軟件控制系統(tǒng)設(shè)計，E-mall：stan.chang@walsn.com。

信息簡訊

我國首臺高平均功率太赫茲自由電子激光飽和出光

近日，由中國工程物理研究院應(yīng)用電子學研究所(中物院十所)牽頭負責的高平均功率太赫茲自由電子激光裝置(以下簡稱CTFEL裝置)首次飽和出光并實現(xiàn)穩(wěn)定運行。這標志著中國首臺具有高重復(fù)頻率、高占空比特性的太赫茲自由電子激光裝置建成，我國太赫茲源正式進入自由電子激光時代。

太赫茲(THz)輻射通常指頻率在0.1THz～10THz區(qū)間的電磁輻射，其波段位于微波和紅外光之間，是人類尚未完全認識并很好加以利用的最后一個波(光)譜區(qū)間。自由電子激光(FEL)由于具有頻率連續(xù)可調(diào)、功率大、線寬窄、方向性好、偏振強和皮秒時間結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，使得在同一臺裝置上實現(xiàn)太赫茲波段全覆蓋的大功率理想太赫茲源成為了可能，故FEL是目前該波段最有前途的高功率可調(diào)諧相干光源。

CTFEL裝置依托于國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項“相干強太赫茲源科學儀器設(shè)備開發(fā)”項目，于2011年正式啟動，2016年底完成裝置研制與總體集成。裝置采用諧振腔型FEL技術(shù)路線，主要包括直流高壓光陰極注入器、射頻超導(dǎo)加速器、搖擺器、激光諧振腔、THz傳輸與測量系統(tǒng)等。2017年9月20日，經(jīng)專家組現(xiàn)場測試和第三方檢測，CTFEL裝置在1.99 THz 、2.41 THz和2.92 THz三個頻率點穩(wěn)定運行，平均功率均大于10W，最高達到17.9W；微脈沖峰值功率均大于0.5MW，最高達到0.84MW，通過調(diào)節(jié)電子束能量和搖擺器磁場強度，可以實現(xiàn)輸出頻率連續(xù)可調(diào)，技術(shù)指標達到國際先進水平。

作為一種新型相干強太赫茲光源，高平均功率、高峰值功率的太赫茲自由電子激光在材料、生物醫(yī)學等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，通過系統(tǒng)研究強太赫茲波與新材料的作用機理、THz電磁輻射與DNA相互作用的生物效應(yīng)機理等，發(fā)現(xiàn)強太赫茲環(huán)境下的物理規(guī)律和實驗現(xiàn)象，為新實驗研究方法和新器件設(shè)計及研發(fā)提供理論依據(jù)。

下一步，該項目科研團隊將充分利用現(xiàn)有的技術(shù)優(yōu)勢，盡快開展裝置用戶實驗，多渠道發(fā)掘該裝置的應(yīng)用潛力與推廣前景，為各相關(guān)學科研究和THz輻射在其他高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供支撐。同時，在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上進一步拓展FEL激光波長范圍，使其成為我國光源體系中的重要組成部分，并使我國的太赫茲光源技術(shù)及應(yīng)用研究在國際上占有一席之地。(中國科學報 陸琦)

Technologicalinnovationanddevelopmentofreal-timeanalyticalgassamplingandhandingsystem.

ChangShoubing1,YangYonglong2,JinYizhong2,3

(1.WalsnMeasurementandControlTechnology(Hebei)Co.,Ltd.,Langfang065000,China; 2.ChongqingCKDAnalyzerCo.,Ltd.,Chongqing401331,China)

The sample gas handling technique is the key technology for real-time analysis system. It is of great engineering significance to innovate and develop this technology. In this paper, the LKP107 type precise denitrification sampling probe system is used as an example to interpret the innovation thinking and development method of a sample gas handling system.

sample gas handling system; maintenance free; design optimization; precise denitrification

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.06.016