董慧來(lái)

（中海殼牌石油化工有限公司）

隨著自動(dòng)化技術(shù)水平的不斷提高，過(guò)程分析儀表的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 樣品處理系統(tǒng)技術(shù)是過(guò)程分析系統(tǒng)的核心，樣品處理系統(tǒng)的作用是保證分析儀在最短的滯后時(shí)間內(nèi)得到有代表性的工藝樣品。 樣品的狀態(tài)（溫度、壓力、流量和清潔程度）要能適合分析儀所需的操作條件。 在線(xiàn)分析儀能否用好，往往不只與分析儀本身有關(guān)，而是取決于樣品系統(tǒng)的完善程度和可靠性［1］。 在石油化工行業(yè)中，在線(xiàn)分析儀的樣品處理系統(tǒng)經(jīng)常面臨的是高溫樣品。 因此在樣品進(jìn)入分析儀之前，需要先對(duì)高溫樣品進(jìn)行冷卻，防止高溫對(duì)分析儀內(nèi)部精密的檢測(cè)器等元件造成損壞。 筆者對(duì)使用渦流管制冷的樣品處理系統(tǒng)的溫度控制的特點(diǎn)進(jìn)行了探討并給出了簡(jiǎn)潔有效的高溫樣品溫度控制解決方案。

1 樣品處理系統(tǒng)制冷方式

對(duì)于高溫液體樣品的冷卻，經(jīng)常使用列管式熱交換器來(lái)完成。 樣品流束從交換器的管中流過(guò)而冷卻介質(zhì)從換熱器夾套中流過(guò)。 根據(jù)樣品溫度的不同和所需的冷卻效果，冷卻介質(zhì)可使用冷卻水或冷凍水。 因?yàn)闅怏w樣品中所包含的熱量遠(yuǎn)少于液體樣品， 對(duì)于高溫含濕氣體樣品的冷卻，使用最多的是渦流管制冷、壓縮機(jī)制冷和半導(dǎo)體制冷［2］。

半導(dǎo)體制冷通常使用珀耳帖元件（Peltier Element）， 其制冷能力有限， 例如，M&C 公司的ECP1000 氣體冷卻器的制冷能力為50 kJ/h。

壓縮機(jī)制冷的制冷能力比較強(qiáng)， 例如，M&C公司的ECM-1 壓縮機(jī)冷卻器的制冷能力為144 kJ/h，ECEX-1G 的制冷能力達(dá)到了520 kJ/h。

渦流管，也稱(chēng)渦旋管，其制冷特點(diǎn)是無(wú)需電力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高，而且運(yùn)行不產(chǎn)生電氣火花，無(wú)制冷劑泄漏污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)［3］。 渦流管的制冷能力介于半導(dǎo)體制冷和壓縮機(jī)制冷之間，例如，Vortex 公司106-8-H 渦流管的制冷能力約達(dá)到422 kJ/h。因此，渦流管制冷器在在線(xiàn)分析儀表領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在處理高溫帶液氣體時(shí)。

2 渦流管制冷的工作特點(diǎn)

渦流管的工作原理如圖1 所示， 壓縮空氣（在線(xiàn)分析儀表通常采用儀表風(fēng)） 從進(jìn)氣口進(jìn)入渦流室形成渦流，形成渦流的氣體在渦流管中發(fā)生一系列相互作用， 分成一冷一熱兩股氣流，兩股氣流分別從渦流管的兩端流出。 在渦流管熱氣流出口端有控制閥，控制閥可以調(diào)節(jié)冷熱兩端氣體流量的比例，從而調(diào)節(jié)兩端氣流的溫度。 筆者以行業(yè)中常用的Vortex 公司的渦流管為例，對(duì)于渦流管的制冷特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

圖1 渦流管工作原理

影響渦流管性能的因素主要包括渦流管的直徑、長(zhǎng)度、冷端孔徑、噴嘴參數(shù)等幾何參數(shù)以及壓縮空氣入口壓力、溫度和冷流比。 而一旦渦流管選定且冷端出口無(wú)背壓時(shí)，則影響其性能的因素只有壓縮空氣的入口壓力、溫度和冷流比［3］。為了不影響制冷效果，不要在冷風(fēng)出口安裝尺寸過(guò)小的管道、配件及閥門(mén)等來(lái)限制渦流管外的冷空氣的流動(dòng)。

冷流比，是指通過(guò)渦流管冷端排出的壓縮空氣占進(jìn)入空氣的百分比。 如果冷流比為80%，意味著進(jìn)入空氣的80%通過(guò)管子的冷端排出，剩余的20%將通過(guò)管道的熱端排出。

表1 是Vortex 公司常用渦流管的溫度升降數(shù)據(jù)。 同一入口壓力下，第1 行數(shù)據(jù)為冷端溫降數(shù)值，第2 行數(shù)據(jù)為熱端溫升數(shù)值。 以壓縮空氣入口溫度為21 ℃為例，當(dāng)入口壓力為1.4 bar（1 bar=0.1 MPa）、冷流比為10%時(shí)，冷端溫降為35 ℃，即冷端出口的溫度降低到-14 ℃。

表1 Vortex 公司渦流管溫度升降數(shù)據(jù)

由表1 可知，當(dāng)冷流比一定，即熱端控制閥保持不變時(shí)，壓縮空氣的入口壓力越大則冷風(fēng)出口的溫度越低。 當(dāng)壓縮空氣的入口壓力保持不變時(shí)，冷流比越小，即冷空氣的流量越小，冷端出口的空氣溫度越低。 如果將冷流比調(diào)大，則雖然冷端出口空氣流量加大，但是冷端出口空氣的溫度也隨之升高。

調(diào)整熱端控制閥的開(kāi)度可以調(diào)節(jié)冷流比，以獲得最佳的制冷量。 開(kāi)大閥門(mén)可降低冷風(fēng)流量和冷空氣溫度，關(guān)小閥門(mén)會(huì)提高冷風(fēng)流量和冷空氣的溫度。 由于不同廠(chǎng)家、不同批次渦流管的加工尺寸不同，會(huì)導(dǎo)致冷端溫降數(shù)值的差異，實(shí)際渦流管在達(dá)到最大制冷量時(shí)的冷流比略有差異。 如Vortex 公司給出在70%的冷流比時(shí)渦流管達(dá)到最佳制冷量。 而同樣在分析儀表領(lǐng)域使用較多的EXAIR 公司的渦流管在大多數(shù)應(yīng)用中，80%的冷流比會(huì)獲得最佳制冷量。 為了在節(jié)能的情況下達(dá)到最佳制冷效果，應(yīng)盡量調(diào)節(jié)控制閥以獲得最優(yōu)冷流比設(shè)定值。

計(jì)算其他壓力下的冷流比可知，渦流管的最優(yōu)冷流比不隨入口壓力的改變而改變，只有在結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)，渦流管的最優(yōu)冷流比才會(huì)發(fā)生改變。 當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時(shí)，渦流管的最優(yōu)冷流比不因工作參數(shù)的改變而改變［4］。

渦流管本身的局限性為，如果壓縮空氣的露點(diǎn)比渦流管傳遞的溫度高，就會(huì)在渦流管的冷端結(jié)冰，因此對(duì)壓縮空氣質(zhì)量要求較高。 由于工廠(chǎng)風(fēng)含水量太大， 會(huì)使渦流管出現(xiàn)失效的情況，因此要求使用儀表風(fēng)，而且越干燥越好。 此外高壓壓縮空氣出口會(huì)產(chǎn)生噪聲， 消聲器可以降低噪聲，但對(duì)渦流管的冷卻效率極為不利［1］。

綜上所述，渦流管制冷的一個(gè)明顯的特點(diǎn)是冷端出口溫度和壓縮空氣的溫度密切相關(guān)。 在春夏之交、秋冬之交，氣溫一天內(nèi)會(huì)急劇變化超過(guò)10 ℃，壓縮空氣的溫度也劇烈變化，這樣會(huì)導(dǎo)致渦流管制冷量不夠或者后面的分析儀進(jìn)液波動(dòng)，甚至渦流管損壞。 若樣品溫度太低會(huì)使含水的樣品被凍住，導(dǎo)致分析結(jié)果失效。

圖2 為2021 年12 月25～27 日的壓縮空氣溫度趨勢(shì)圖。 可以看出，壓縮空氣溫度在不到兩天內(nèi)下降超過(guò)了15 ℃。 如果僅靠手工調(diào)節(jié)渦流管的壓縮空氣入口的調(diào)壓閥來(lái)控制樣品溫度，則會(huì)出現(xiàn)溫度失控、儀表取樣管線(xiàn)被凍住或分析儀產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)值的現(xiàn)象。

圖2 壓縮空氣溫度趨勢(shì)

3 樣品溫度控制系統(tǒng)

圖3 為原Vortex 冷卻樣品系統(tǒng)。 高溫含水樣氣進(jìn)入一個(gè)由渦流管制冷的保溫箱，保溫箱內(nèi)的樣品管道為盤(pán)管，用以增大換熱面積。 冷卻后的樣品經(jīng)過(guò)氣液分離罐和自動(dòng)排液罐將冷凝的液相排出， 分離后的氣態(tài)樣品進(jìn)入分析儀進(jìn)行分析。 自動(dòng)排液閥的使用避免了手工定期排放的復(fù)雜操作和操作員經(jīng)常不能及時(shí)關(guān)掉閥門(mén)，從而造成可燃有毒介質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。 同時(shí)安裝排液閥會(huì)保證連續(xù)、自動(dòng)地排放液體，不會(huì)浪費(fèi)空氣或氣體。 這里溫度控制的難點(diǎn)在于既要對(duì)樣品冷卻以去除所含的液體，又不能冷卻過(guò)度導(dǎo)致含水的樣品凍結(jié)。 進(jìn)入制冷器的制冷量通過(guò)進(jìn)入渦流管的壓縮空氣壓力調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是每逢氣溫突變，儀表都會(huì)出現(xiàn)故障。

圖3 原Vortex 冷卻樣品系統(tǒng)

3.1 樣品溫度控制系統(tǒng)的改造

為了對(duì)制冷量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以通過(guò)對(duì)壓縮空氣的壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 如增加就地式PID 溫度控制器、電氣轉(zhuǎn)換器和增壓調(diào)節(jié)器組成一個(gè)就地PID 回路控制方案。ABB 公司DRS（Dynamic Reflux Sampler） 系統(tǒng)的樣品溫度控制就采取了這種方法。 若參考這種方式對(duì)現(xiàn)有的樣品系統(tǒng)進(jìn)行改造則相對(duì)比較復(fù)雜， 而且費(fèi)用偏高。

由于大多數(shù)分析儀要求的樣品溫度控制不需要特別精確，只要保證在一個(gè)合理的范圍內(nèi)即可。 筆者采用了一個(gè)更簡(jiǎn)潔、可靠的溫控方式，即通過(guò)對(duì)渦流管的壓縮空氣進(jìn)行“通”和“斷”的兩位式控制實(shí)現(xiàn)樣品溫度的控制。 這種方式僅增加了溫控器、電磁閥和熱電阻部件，樣品處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，這也是樣品處理系統(tǒng)的基本要求之一［2］。 改造后成功地將制冷后的樣品氣體的溫度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，如圖4 所示。

圖4 改造后的Vortex 冷卻樣品系統(tǒng)

3.2 溫度控制系統(tǒng)接線(xiàn)

溫度控制器應(yīng)用了WATLOW 公司生產(chǎn)的PM6C3FJ-AAAADAA 溫度控制器，其電源是24 V直流電源，內(nèi)置機(jī)電式繼電器。 溫度控制通過(guò)機(jī)電式繼電器的通斷功能配合溫度報(bào)警來(lái)實(shí)現(xiàn)。 電磁閥使用了Norgren 公司的24 V 直流電磁閥。在樣品出口增加三通并安裝一個(gè)Pt100 熱電阻。 溫控器接線(xiàn)方式如圖5 所示。

圖5 溫控器接線(xiàn)示意圖

將圖5 中的98、99 號(hào)端子接24 V 直流電源，T1、S1 和R1 接Pt100 熱電阻，L2 和K2 為溫控器內(nèi)部機(jī)電式繼電器的兩個(gè)端子，將電磁閥串聯(lián)在這兩個(gè)端子上并連接到24 V 直流電源，CD和CE 為RS485 通信端口。 可以通過(guò)RS485-RS232 轉(zhuǎn)換器連接安裝有相應(yīng)組態(tài)軟件的電腦，對(duì)溫控器進(jìn)行編程，修改各種參數(shù)。

3.3 溫控器的組態(tài)

正確連接溫控器，打開(kāi)Watlow 組態(tài)軟件成功建立通信后，軟件讀入溫控器的各個(gè)參數(shù)。

首先設(shè)置溫度單位為℃， 在Display Units 中選擇C（圖6）。

圖6 溫控器前面板設(shè)置畫(huà)面

設(shè)置測(cè)溫元件類(lèi)型。 進(jìn)入Setup 菜單下的Analog Input，設(shè)定模擬輸入1 的類(lèi)型為RTD 100 Ohm，RTD Leads 選擇3，即三線(xiàn)制Pt100（圖7）。

圖7 設(shè)定測(cè)溫元件類(lèi)型

設(shè)定參考操作溫度。 進(jìn)入Control Loop 1 中，根據(jù)需要設(shè)定參考的溫度控制點(diǎn)。 此處Set Point設(shè)為12 ℃。 參考的最小設(shè)定點(diǎn)Minimum Set Point為-10 ℃，最大設(shè)定點(diǎn)Maximum Set Point 為50 ℃（圖8）。

圖8 設(shè)定參考操作溫度

設(shè)置溫度控制器輸出。在Output 菜單下可以有兩個(gè)輸出設(shè)置，Output 1 為4～20 mA 輸出，用于復(fù)雜的PID 調(diào)節(jié)，Output 2 為報(bào)警輸出。僅設(shè)置Output 2 即可， 即選擇溫度控制器的報(bào)警輸出。Function 設(shè)為Alarm（圖9）。

設(shè)置溫度報(bào)警滯后設(shè)定點(diǎn)。 利用報(bào)警繼電器來(lái)控制電磁閥的動(dòng)作，此處可以設(shè)定報(bào)警滯后溫度值。 進(jìn)入Alarm 菜單下的Alarm 1，根據(jù)具體需要設(shè)置Hysteresis，此處為8 ℃，即比高報(bào)設(shè)定點(diǎn)High Set Point 低8 ℃關(guān)閉繼電器，目的是通過(guò)切斷電磁閥的電源來(lái)關(guān)閉渦流管的壓縮空氣。 將高報(bào)設(shè)定點(diǎn)設(shè)為12 ℃。 由于此處的應(yīng)用為冷卻高溫樣氣，將低報(bào)設(shè)定點(diǎn)Low Set Point 設(shè)為較低的一個(gè)數(shù)值，此處為-30 ℃（圖10）。

組態(tài)完畢后需要將相關(guān)的組態(tài)下裝到溫度控制器中。 這樣，當(dāng)熱電阻測(cè)量的樣品氣體的溫度高于高報(bào)設(shè)定值12 ℃時(shí)， 溫控器內(nèi)部的機(jī)電式繼電器閉合，電磁閥接通電源打開(kāi)渦流管的壓縮空氣進(jìn)行制冷。 當(dāng)樣品氣的溫度低于高報(bào)設(shè)定值的滯后值8 ℃，即4 ℃時(shí)關(guān)閉電磁閥。 從而關(guān)閉渦流管的壓縮空氣氣源，停止制冷。 由于制冷和升溫存在一個(gè)過(guò)渡的過(guò)程，所以實(shí)際的溫度范圍控制在2～14 ℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然用PID 回路控制溫度的控制精度更高，但是所需設(shè)備復(fù)雜。 在滿(mǎn)足控制要求的情況下使用簡(jiǎn)單有效的方案反而可靠性更高。 在增加自動(dòng)溫度控制后，仍然保留原手動(dòng)旁路。 手動(dòng)旁路的氣源壓力設(shè)定值以冬季單獨(dú)使用手動(dòng)旁路時(shí)也能夠達(dá)到要求的制冷能力為標(biāo)準(zhǔn)。 這樣手動(dòng)旁路氣源可以使渦流管保持基本的制冷效果，自動(dòng)控制電磁閥也可以在較低的工作頻率下運(yùn)行。 當(dāng)溫度升高到報(bào)警值時(shí)，自動(dòng)溫度控制電磁閥打開(kāi)作為補(bǔ)充制冷。 在系統(tǒng)投用后，樣品處理系統(tǒng)運(yùn)行非?？煽浚傥窗l(fā)生樣品凍結(jié)或者后系統(tǒng)帶液的情況，取得了較好的效果。