何德頌

(中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

在化工裝置中，在線過程分析采樣系統(tǒng)用于自動取樣，并分析出試樣中特定的組分及含量。一個完整的在線過程分析采樣系統(tǒng)由取樣點、取樣探頭、試樣傳輸及采樣處理、分析儀、顯示裝置和通信接口等組成。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)項目的實際情況，結(jié)合具體的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和要求，評估和管理該系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的配置和性能指標(biāo)，以確保最終的在線過程分析采樣系統(tǒng)能滿足設(shè)計需求。本文對照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合大量的工程實踐經(jīng)驗，對在線過程分析采樣系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了梳理和介紹，旨在從工程設(shè)計的角度出發(fā)，增強(qiáng)對在線過程分析系統(tǒng)的認(rèn)識和理解，有助于提高工程設(shè)計者對在線過程分析采樣系統(tǒng)的設(shè)計選型和質(zhì)量把控。

1 在線過程分析采樣系統(tǒng)的執(zhí)行流程和分工

在線過程分析采樣系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通常需要業(yè)主、EPC總承包商、分析系統(tǒng)集成商和分析儀的制造商等多方參與完成。每個項目的在線過程分析采樣系統(tǒng)均需要獨立設(shè)計，無法進(jìn)行簡單的復(fù)用，這就要求設(shè)計人員具備整合和管理工藝、儀表、電氣、安全、給排水、環(huán)保等多專業(yè)的工程知識和專業(yè)技能，并能夠與業(yè)主、分析系統(tǒng)集成商、分析儀制造商和施工單位等多方協(xié)同。文獻(xiàn)[1-2]中給出了該系統(tǒng)的執(zhí)行流程指南，設(shè)計人員可結(jié)合相關(guān)的國內(nèi)外設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)完成具體的項目。

在國內(nèi)設(shè)計院和工程公司中，該系統(tǒng)一般由儀表專業(yè)主導(dǎo)，由儀表專業(yè)接收工藝條件并編制分析儀的數(shù)據(jù)表、技術(shù)規(guī)格書，完成該系統(tǒng)的招標(biāo)，評標(biāo)，F(xiàn)AT，SAT和現(xiàn)場交付等工作。在分析儀的設(shè)計選型結(jié)束后，儀表專業(yè)應(yīng)重點審查集成商的取樣探頭頻率計算、分析流路壓降計算、分析系統(tǒng)滯后時間計算，分析小屋(機(jī)柜)的規(guī)格尺寸、布局、配電、照明、消防、安全聯(lián)鎖邏輯、試樣排放和配套公用工程等內(nèi)容，并及時與相關(guān)的工藝、管道、設(shè)備布置等專業(yè)溝通，確保最終的設(shè)計方案滿足設(shè)計要求。在線過程分析采樣系統(tǒng)執(zhí)行流程和分工如圖1所示。

圖1 在線過程分析采樣系統(tǒng)的執(zhí)行流程和分工示意

2 取樣點位置和取樣探頭型式

2.1 取樣點位置的選取

合適的取樣點位置和取樣探頭插入方位，是正確獲取試樣的第一步。為避免不必要的工藝過程時間滯后，取樣點的位置應(yīng)選取在能實時反映工藝過程控制結(jié)果的管線處，且該取樣點的工藝介質(zhì)和組分穩(wěn)定、準(zhǔn)確，并靠近固定的平臺和扶梯位置便于操作維護(hù)。當(dāng)在線過程分析采樣系統(tǒng)的滯后時間不滿足工藝要求時，還應(yīng)盡量利用工藝管線的壓差來完成快速循環(huán)系統(tǒng)或旁通系統(tǒng)的配置。同時，還需要根據(jù)所選型的分析儀的工作特性，盡可能地選取接近分析儀工作要求的溫度、壓力、濕度等工藝條件，以減少預(yù)處理系統(tǒng)的部件數(shù)量和復(fù)雜度。

當(dāng)工藝管線為水平管道時，對于氣體介質(zhì)取樣點的開孔位置應(yīng)在管道的上半部，而液體介質(zhì)取樣點的開孔位置則應(yīng)在管道的下半部與管道的水平中心線成0～45°的夾角范圍內(nèi)。當(dāng)工藝管線為垂直管道時，取樣點的位置為管道的側(cè)面，如果工藝介質(zhì)為液體，其在管道內(nèi)的流向應(yīng)為自下而上。另外，為了保證在線過程分析采樣系統(tǒng)的取樣點位置與實驗室分析儀的分析互不干擾，文獻(xiàn)[3-4]中要求兩者的取樣點位置應(yīng)完全分開；而在文獻(xiàn)[5]中則建議在能避免同時使用時且取樣流量過低時，兩者可以共用一個取樣點。

2.2 取樣探頭型式的比較

為避免管道的壁效應(yīng)帶來的影響，需要使用采樣探頭來獲取相對準(zhǔn)確和干凈的取樣點的工藝介質(zhì)。采樣探頭在結(jié)構(gòu)上主要可分為固定式和可抽取式。固定式探頭是最基本的探頭結(jié)構(gòu)，是化工裝置中在線分析儀最常用的采樣探頭，適用于干凈的工藝介質(zhì)；可抽取式探頭適用于工藝不停車的情況下，將取樣管從工藝管道中抽取出來進(jìn)行維護(hù)，適用于含有少量顆?；蝠こ淼墓に嚱橘|(zhì)，不推薦在高壓或有毒的工藝介質(zhì)場合中使用。

結(jié)合IEC和API的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了采樣探頭的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。取樣探頭的前端坡口常為45°，并且在取樣探頭的法蘭或者密封接頭處做出安裝方向標(biāo)識，以保證取樣探頭的前端坡口背向介質(zhì)流動的方向，達(dá)到將探頭周圍的顆粒物從流體中分離出來的目的。取樣探頭可由Tube管或Pipe管制作而成，根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]中的安裝建議，對于單相態(tài)過程取樣，取樣點所在的工藝管道口徑為DN50及以上。固定式探頭的采樣探頭采用尺寸規(guī)格為DN15，壁厚為SCH 160的Pipe管，法蘭尺寸為DN40；可抽取式取樣探頭常采用Tube管制作而成，常見的外徑規(guī)格為3,6,10,12 mm，等。取樣探頭的內(nèi)、外徑尺寸，由取樣點的工藝介質(zhì)相態(tài)、壓力等級、含塵量等決定，同時還與采樣系統(tǒng)的滯后時間相關(guān)。

圖2 采樣探頭的典型結(jié)構(gòu)示意

2.3 取樣探頭的插入深度

在文獻(xiàn)[6]中要求取樣點應(yīng)位于DN80及以上的管道上，文獻(xiàn)[7]則建議當(dāng)取樣點在小于DN80的管道上安裝時可采用擴(kuò)大管。取樣探頭的插入深度宜位于管道直徑的0.33～0.50倍處，文獻(xiàn)[4]推薦的插入管道內(nèi)長度值如式(1)所示：

(1)

式中：lmin——插入管道內(nèi)的最小長度，mm；lmax——插入管道內(nèi)的最大長度，mm；d——工藝管道的內(nèi)徑，mm。

插入工藝管道的取樣探頭還會受到流體帶來的彎曲應(yīng)力和旋渦分離效應(yīng)影響，在設(shè)計時應(yīng)關(guān)注取樣探頭的最大允許長度。彎曲應(yīng)力主要由探頭的尺寸、探頭的材料屬性、流體的流速和密度來計算，當(dāng)探頭水平安裝時還會受到由探頭材料自身質(zhì)量產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致取樣探頭引流體阻力而產(chǎn)生向流向彎曲的效應(yīng)。旋渦分離效應(yīng)主要與探頭的尺寸、探頭的材料屬性和流體的流速有關(guān)，旋渦分離效應(yīng)會導(dǎo)致取樣探頭發(fā)生共振效應(yīng)。在實際的工程設(shè)計中，取樣探頭的最大允許長度由旋渦分離效應(yīng)所決定，在基于一定的假設(shè)條件和考慮安全系數(shù)后，簡化的計算公式如式(2)所示：

(2)

式中：L——旋渦分離效應(yīng)所限定的探頭最大允許長度，mm；do——取樣探頭的外徑，mm；di——取樣探頭的內(nèi)徑，mm；v——工藝管道中介質(zhì)的流速，m/s；E——取樣探頭材料的彈性模量，GPa；ρ——取樣探頭材料的密度，kg/m3；k——系數(shù)，量綱一的量，文獻(xiàn)[4]給出的k值取164，在文獻(xiàn)[3]和部分制造商資料中較為保守，k的取值為100。

在化工裝置中的取樣探頭材質(zhì)若為316SS，E可取195 GPa，ρ可取7.95×103kg/m3。以材質(zhì)為316SS的固定式取樣探頭為例，不同外徑和壁厚等級的取樣探頭，在不同工藝管道流速下所對應(yīng)的最大允許長度如圖3所示。

圖3 固定式取樣探頭最大允許長度示意

為保證探頭的內(nèi)部容積最小，L的長度應(yīng)盡量小，取樣截止閥的尺寸和閥芯內(nèi)徑也應(yīng)保持與探頭尺寸等徑或盡量小。在實際項目中，取樣探頭可由分析儀廠家成套制作完成或由分析儀廠家購買定型的取樣探頭產(chǎn)品。取樣探頭尺寸規(guī)格、取樣探頭最大允許長度、取樣截止閥的安裝方式和設(shè)計范圍分工，應(yīng)由設(shè)計院和分析儀集成商共同確定。

3 試樣傳輸及采樣處理

3.1 取樣管線的選擇

試樣傳輸?shù)墓芫€應(yīng)盡可能的短，管閥件應(yīng)盡量少，以減少分析采樣的滯后時間。由于Tube管內(nèi)部體積小、撓性好、便于彎曲施工安裝，取樣管線常使用Tube管。對于氣體試樣，取樣管線長度常使用6 mm。液體試樣，取樣管線長度常使用10 mm 或12 mm。對于試樣傳輸?shù)牧魉伲瑲怏w一般為6～15 m/s，液體一般為1.5～4.0 m/s。設(shè)計人員應(yīng)要求分析系統(tǒng)集成商提供露點計算書，以便判斷取樣管線選取合適的伴熱方式，確保試樣在傳輸過程中不會發(fā)生冷凝。

3.2 采樣處理的組成

該分析采樣系統(tǒng)的采樣處理，按照位置的不同可分為前級處理單元和后級處理單元。前級處理單元緊靠取樣點之后，主要對試樣進(jìn)行減壓、減溫、過濾等操作，便于傳輸試樣；后級處理單元主要調(diào)節(jié)試樣的流量、溫度、壓力，并對試樣進(jìn)行過濾、干燥、除雜、流路切換和試樣排放等進(jìn)一步操作。采樣處理主要由取樣管線、隔離閥、調(diào)壓閥、止回閥、安全閥、過濾器、流量儀表、壓力儀表、溫度儀表等組成。試樣的傳輸和采樣處理，目前主要采用傳統(tǒng)的管道式系統(tǒng)。為提高試樣傳輸和采樣處理的性能，降低設(shè)計、制造和安裝的成本，降低運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，ISA制定了ISA/ANSI 76.00.02開放式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，小型化、模塊化和智能化的產(chǎn)品和安裝方式正在逐步形成。典型的采樣系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 典型的采樣系統(tǒng)組成示意

3.3 取樣滯后時間

分析系統(tǒng)的總滯后時間由過程滯后時間、取樣系統(tǒng)滯后時間和分析儀響應(yīng)時間組成。一般情況下，取樣系統(tǒng)滯后時間要比分析儀器自身的響應(yīng)時間大得多，在確定分析儀的類型和型號后，設(shè)計人員應(yīng)重點關(guān)注從取樣點經(jīng)過取樣管線和采樣處理單元傳送到分析儀的各個環(huán)節(jié)所帶來的延遲時間，即圖4中A段到D段的滯后時間。A段到D段的滯后時間可由理論計算和現(xiàn)場實際測試兩種方式來確定，理論計算主要由體積流量法和差壓流速圖解法兩種，在文獻(xiàn)[4]的附錄C中給出了試樣管線中滯后時間的圖解算法，以體積流量法為例，基本計算公式如式(3)所示：

(3)

式中：t——試樣傳輸滯后時間，min；tAB——A段到B段的傳輸滯后時間，min；tBC——B段到C段的傳輸滯后時間，min；tCD——C段到D段的傳輸滯后時間，min；VAB——A段到B段的試樣容積，L；VBC——B段到C段的試樣容積，L；VCD——C段到D段的試樣容積，L；qVAB——A段到B段的試樣體積流量，L/min；qVBC——B段到C段的試樣體積流量，L/min；qVCD——C段到D段的試樣體積流量，L/min。

在分析儀選型確定后，圖4中所示的分析儀輸入試樣的流量和壓力為定值，在C處加入快速循環(huán)回路或旁路時，可通過提高A-C段的流速來降低該段傳輸管線的傳輸時間，從而減小系統(tǒng)的滯后時間。

3.4 焦耳湯普森效應(yīng)的影響

在對高壓氣體減壓時，減壓閥常設(shè)置在取樣點處。圖4中D處的壓力和流速常為定值，通過減壓來減少B處到D處的氣體量，從而最大程度地減小取樣系統(tǒng)的滯后時間。此外，還應(yīng)注意焦耳-湯普森效應(yīng)所引起的熱損耗，溫度變化可根據(jù)焦耳-湯姆森系數(shù)和熱力學(xué)基本關(guān)系式，計算如式(4)所示：

(4)

若已知實際氣體的狀態(tài)方程以及cp的關(guān)系式，可代入式(4)計算出調(diào)壓前后的溫度變化。實際氣體的狀態(tài)方程和熱容的計算有很多種，例如： P-R方程、范德瓦爾斯方程、PKS方程和BWRS方程等，且仍處在發(fā)展階段，不斷有新的方程被提出，可根據(jù)具體項目工藝介質(zhì)的性質(zhì)和允許精度選擇合適的實際氣體狀態(tài)方程來進(jìn)行計算。應(yīng)要求分析系統(tǒng)集成商提供減壓后的溫降計算書，核對是否需要對減壓器進(jìn)行伴熱和保溫。減壓器的伴熱保溫可采用電伴熱帶或蒸汽伴熱的型式，或選用帶自加熱功能的減壓器。

設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)具體的工藝過程測量和控制要求，要求分析系統(tǒng)集成商提供分析系統(tǒng)的總滯后時間計算書，核對分析采樣系統(tǒng)集成商的取樣管線和采樣處理配置是否合理，確保能夠以最小的試樣流量來達(dá)到可接受的滯后時間。

4 分析系統(tǒng)的安全防護(hù)

在根據(jù)工藝介質(zhì)的性質(zhì)和測量要求確定好分析儀的類型后，需要根據(jù)分析儀的工作特性、現(xiàn)場環(huán)境條件、維修操作的要求、危險場所的分類、經(jīng)濟(jì)合理性的考慮和項目合同的特殊要求等，確定分析系統(tǒng)的安全防護(hù)手段和措施。

分析系統(tǒng)的安裝方式分為分析儀在現(xiàn)場直接安裝、分析小棚、分析柜和分析小屋4種。分析小屋可安裝多臺分析儀，便于現(xiàn)場操作和維護(hù)，常用于工業(yè)色譜儀、工業(yè)質(zhì)譜儀、紅外分析儀、熱導(dǎo)式分析儀、氧分析儀、總硫分析儀等的集中安裝和操作。在化工裝置中分析小屋常采用金屬或GRP材質(zhì)，規(guī)格尺寸和布局由分析儀的類型和數(shù)量、操作維護(hù)要求和運(yùn)輸條件等決定，并且應(yīng)按照相關(guān)建筑物規(guī)范考慮相應(yīng)的溫度控制、照明、防雷、接地、消防、配管配線、配套公用工程等。小屋需考慮最少2 m無障礙凈高并預(yù)留維護(hù)通道，方便操作和維護(hù)人員工作。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對分析小屋的規(guī)格尺寸和正壓通風(fēng)的基本配置對比見表1所列。

表1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對分析小屋的規(guī)格尺寸和正壓通風(fēng)的基本配置對比

分析小屋內(nèi)分析的試樣多為可燃或有毒介質(zhì)，需要采用自然或強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)計將分析管線泄漏的危險介質(zhì)稀釋到允許的安全下限，無論使用何種通風(fēng)方式(自然或強(qiáng)制)都至少考慮5次/h的置換速度。強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計時還應(yīng)考慮防止外部的可燃或有毒氣體進(jìn)入房間，小屋內(nèi)空氣壓力應(yīng)保持最小正壓25 Pa。分析小屋通風(fēng)系統(tǒng)的引風(fēng)口應(yīng)位于不存在可燃或有毒介質(zhì)的非危險區(qū)域，引風(fēng)口處還需設(shè)置遮雨帽和防蟲網(wǎng)。

當(dāng)引風(fēng)口位于爆炸危險2區(qū)時，應(yīng)確保分析小屋內(nèi)的電氣設(shè)備至少選用爆炸危險2區(qū)認(rèn)證設(shè)備，并設(shè)置相應(yīng)的安全聯(lián)鎖。當(dāng)分析試樣中含有可燃?xì)怏w時，考慮到內(nèi)部分析管道系統(tǒng)泄漏的可能，為保證分析小屋在通風(fēng)系統(tǒng)故障時分析儀可以連續(xù)運(yùn)行，建議分析儀優(yōu)先選用爆炸危險1區(qū)認(rèn)證設(shè)備。推薦的強(qiáng)制通風(fēng)分析小屋的安全聯(lián)鎖見表2所列。在文獻(xiàn)[4]的附錄G和H給出了帶強(qiáng)制通風(fēng)的分析小屋的聯(lián)鎖控制邏輯，設(shè)計人員可結(jié)合項目的具體要求進(jìn)行配置。分析小屋內(nèi)的采暖通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)、可燃/有毒氣體和電氣儀表設(shè)備的聯(lián)鎖和控制，常由安裝在分析小屋內(nèi)的可編程邏輯控制器(PLC)完成。

表2 強(qiáng)制通風(fēng)分析小屋的安全聯(lián)鎖

分析管線或通風(fēng)系統(tǒng)可能釋放有毒氣體(或惰性氣體)的分析小屋內(nèi)應(yīng)設(shè)置有毒氣體(或欠氧)檢測器。當(dāng)有毒氣體含量高于職業(yè)暴露極限(或缺氧)時，應(yīng)在小屋室外顯眼處安裝聲光報警器并切斷相關(guān)有毒分析管線進(jìn)入分析小屋內(nèi)，同時可啟動備用通風(fēng)來降低有毒氣體濃度。

分析后試樣的排放在設(shè)計時需要注意安全和環(huán)保問題，當(dāng)試樣為可燃、有毒或有腐蝕性的介質(zhì)時，應(yīng)將分析后的試樣返回至工藝裝置或排放至火炬系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合在線過程分析采樣系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從工程設(shè)計者的角度對化工裝置中分析采樣系統(tǒng)的取樣點位置、探頭選型、取樣管線、采樣處理和分析小屋所涉及的幾個關(guān)鍵問題和注意事項進(jìn)行了介紹和建議。在線過程分析系統(tǒng)的設(shè)計需要關(guān)注各個環(huán)節(jié)的內(nèi)容，設(shè)計人員應(yīng)熟練掌握國內(nèi)外各個標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)資料的異同點，并做出正確的判斷和分析，與分析儀制造商、分析系統(tǒng)集成商和業(yè)主共同協(xié)作和溝通，確保在線過程分析系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到穩(wěn)定可靠、安全可控、經(jīng)濟(jì)合理和技術(shù)領(lǐng)先。