摘 要 換熱器中胺類物料泄漏是導致?lián)Q熱器內漏的重要原因之一，除采取前置措施外，檢測換熱器出、入口處的氨氮量尤為重要。針對胺類物料的泄漏問題，基于改進的水楊酸分光光度法開發(fā)氨氮自動檢測系統(tǒng)，并進行試驗驗證，結果表明：系統(tǒng)的檢測量程0～10 mg/L，線性度0.999 0，顯色時間5 min，重復性實驗分析相對標準偏差1.97384%，檢測精度控制在±2%。

關鍵詞 氨氮濃度檢測 換熱器 胺 水楊酸分光光度法 在線檢測

中圖分類號 TH83"" 文獻標志碼 A"" 文章編號 1000 3932（2025）01 0039 08

在石化行業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中，換熱器是交換熱量、提高工藝效率、保證產品質量、回收利用廢熱的關鍵設備［1］。但換熱器內漏是長期以來的痛點，循環(huán)水系統(tǒng)中物料的泄漏會導致循環(huán)水質異常，造成換熱器內漏，降低換熱效率，增加能耗，嚴重時會造成整個循環(huán)水系統(tǒng)停運，甚至引發(fā)安全事故［2］。循環(huán)水系統(tǒng)中胺類物料的泄漏是造成換熱器內漏的主要原因之一，當胺泄漏時與水中氧化性殺菌劑發(fā)生硝化反應，致使水體富營養(yǎng)化，水中微生物迅速繁殖，大量微生物附著在換熱器表層，破壞換熱器表層金屬保護膜，加劇換熱器腐蝕，導致?lián)Q熱器內漏，整個過程中氨氮濃度不斷升高［3～5］，對循環(huán)水系統(tǒng)甚至企業(yè)經濟效益造成嚴重影響。因此，對換熱器出、入口的氨氮含量進行檢測尤為重要。此外，氨氮是水體污染程度的重要指標之一，也是排污控制的常規(guī)指標［6］，因此，對循環(huán)水質中氨氮含量的檢測尤為重要。

目前，水質中氨氮含量的檢測有光學檢測法、電化學檢測法、熒光檢測法、生物酶檢測法

等［7，8］，在石化行業(yè)實際工作環(huán)境、成本等眾多因素的影響下，電化學檢測方法易受水質中高濃度離子的干擾，檢測精度較低［9，10］；熒光法檢測成本較高，實驗室應用場景較多［11］；生物酶檢測法雖成本較低，但在反應過程中環(huán)境的pH值、溫度對其影響較大［12］。上述3種方法均不利于企業(yè)實際生產現(xiàn)場的氨氮檢測。在工業(yè)現(xiàn)場除采取前置措施預防換熱器內漏外，主要檢測方法為光學檢測法和人工檢測法。光學檢測方法主要包括納氏試劑分光光度法和水楊酸分光光度法，其中，納氏試劑分光光度法雖然顯色時間較短，但納氏試劑配制復雜且使用的二氯化汞（HgCl2）和碘化汞（HgI2）均為劇毒物質，對人體和環(huán)境具有嚴重威脅［13］；水楊酸分光光度法檢測耗時較長，且氨氮含量高時水楊酸分光光度法檢測精度較低［14］，其次氯酸鈉具有不穩(wěn)定的性質，但其試劑配制較易且試劑無毒；人工檢測法主要包括人工實驗法和目視法，人工實驗法和目視法具有檢測精度低、滯后時間長、勞動強度大等問題，而且受時間和空間影響較大［15］。綜合考慮上述檢測方法的優(yōu)缺點、現(xiàn)場工作環(huán)境和成本，同時為避免試劑對人體和環(huán)境造成的危害，筆者研究采用水楊酸分光光度法并對其進行改進，開發(fā)石化行業(yè)循環(huán)水質氨氮濃度自動檢測系統(tǒng)，以期實現(xiàn)循環(huán)水中氨氮含量的自動檢測。

1 檢測原理

在堿性介質和亞硝基鐵氰化鈉存在的條件下，水楊酸和次氯酸離子與水中的氨、銨離子發(fā)生反應，使水楊酸的濃度發(fā)生變化。由于次氯酸鈉具有不穩(wěn)定的性質，不易長期存儲，常溫下自然分解［16］，而二氯異氰尿酸鈉可以在水溶液中均勻地釋放出次氯酸，并具有更好的穩(wěn)定性［17］，因此選用二氯異氰尿酸鈉代替次氯酸鈉，檢測溶液的顏色隨溶液中氨氮濃度的升高由淡黃色變?yōu)榫G色再變?yōu)樗{色。

根據朗伯比爾定律，當一個適當波長的平行單色光透過溶液時，其吸光度與溶液中吸光物質的濃度及吸收層光程成正比［18］。當溶液中氨氮濃度越高時，其光程越大，吸光度越高，光強減弱越明顯。本系統(tǒng)使用LED光源透射反應溶液，光電探測器接收光源透射溶液的光強信息，檢測原理如圖1所示。通過PLC轉換光強信息得到反應溶液的吸光度，根據標定曲線y=kx+b（該曲線以吸光度A為縱坐標y；吸光物質的濃度c為橫坐標x；k為斜率；b為截距）計算水中氨氮的含量，吸光度計算式如下：

A=lg =lg =K·l·c（1）

其中，I為入射光的強度；I為透射光的強度；T為透射比；K為吸收系數(shù)；l為吸收介質的厚度。

2 系統(tǒng)架構

如圖2所示，石化行業(yè)循環(huán)水氨氮濃度自動檢測系統(tǒng)主要由人機交互裝置、試劑存儲系統(tǒng)、計量單元、分析單元、PLC控制模塊、流路系統(tǒng)等部分組成。

PLC控制模塊分別與計量單元、分析單元、人機交互系統(tǒng)通信，通過控制多通道選擇閥和計量泵順序抽取定量樣品、氧化劑、顯色劑、清洗液等，并自動控制抽取劑量、溶液加熱等，完成自動檢測。

試劑存儲系統(tǒng)用來存儲試劑、標準液和純水。樣品為生產現(xiàn)場循環(huán)水，通過取樣系統(tǒng)過濾后進入樣品瓶；試劑1為二氯異氰尿酸鈉溶液，代替次氯酸鈉作氧化劑；試劑2為顯色劑水楊酸溶液，通過國標法配制水楊酸溶液；試劑3為硝酸溶液，用于檢測過程完成后清洗反應池；標準液1～4分別為4個不同濃度的氨氮標準溶液，用于氨氮標準曲線的繪制；純水采用實驗室超純水機制取，作用是清洗反應池、檢測空白溶液、稀釋溶液等。

計量單元由多通道選擇閥、計量泵、三通閥、排廢泵、光電檢測裝置組成。多通道選擇閥可以切換不同的流路通道，不同的通道連接不同的溶液或試劑，其中有一個通道不連接任何溶液或試劑，它抽取空氣進入反應池，使反應充分進行；計量泵提供動力，抽取溶液或空氣進入系統(tǒng)；三通閥分別連接計量泵、排廢泵、反應池，通過控制可以完成任何一個通道的通斷，通過PLC控制可以分別完成進液、排廢等；排廢泵連接三通閥，用于排出反應池中反應完成后的廢液；光電檢測裝置安裝在流路的透明管道上，管道中有溶液經過時會產生電信號，判斷管道中是否流經溶液。

分析單元由反應池、光源、光電探測器、加熱絲、溫度傳感器組成，反應池用于溶液反應和吸光度檢測；光源采用波長為697 nm的LED光源；光電探測器用于接收光源透射溶液后的光強信息；加熱絲的作用是加熱反應溶液，減少充分反應時間，加熱時間5 min；溫度傳感器用于檢測溫度，系統(tǒng)通過PLC控溫。

系統(tǒng)通過高清觸摸顯示屏實現(xiàn)人機交互，具有人工控制檢測流程、檢測參數(shù)、檢測設置、歷史記錄查詢等功能。

3 檢測流程

氨氮自動檢測流程如圖3所示，整個檢測過程分6步完成：

a. 高精計量泵通過多通道選擇閥抽取定量樣品溶液到反應池；

b. 高精計量泵抽取定量顯色劑到反應池，此時反應池中溶液顯色劑的顏色為淡黃色；

c. 高精計量泵抽取定量氧化劑到反應池內混合；

d. 高精計量泵鼓入空氣使反應更充分；

e. 高精計量泵加入定量純，同時加熱絲加熱加快反應進度，待反應完成后光電傳感器檢測吸光度；

f. 待吸光度檢測完成后，蠕動泵排出反應池中的廢液至廢液桶清洗，流程結束。

4 實驗與結果分析

依據國標配制1 000 mg/L的氨氮標準溶液，將其稀釋為3、6、10 mg/L的氨氮標液，在PLC的控制下抽取定量的標準液和試劑，分別測定氨氮濃度為0、3、6、10 mg/L的標準液在波長697 nm處的吸光度，測量結果見表1。以氨氮濃度為x軸，以吸光度為y軸，擬合得到氨氮標定曲線方程y=0.4155x+0.1096，如圖4所示。此曲線擬合度R2為0.999 5，線性關系良好，符合朗伯比爾定律，余下實驗以該曲線的k=0.4155、b=0.1096為基礎進行。

4.1 檢測量程分析

本實驗做4個量程的測試，分別為0～2 mg/L、0～5 mg/L、0～10 mg/L、0～100 mg/L。如圖5所示，其擬合度依次為0.999 3、0.999 3、0.999 0、0.985 3。如圖6所示，隨著氨氮濃度的提高，溶液顏色由淡黃色逐漸向綠色再向藍色變化，顯色正常。

4.1.1 量程0～2 mg/L

選取4個不同濃度（0.0、0.5、1.0、2.0 mg/L）的氨氮標準液進行吸光度檢測，結果見表2。得到擬合方程y=0.4282x+0.1195，如圖5a所示，擬合度為0.999 3，線性關系良好，符合朗伯比爾定律，符合檢測要求。檢測溶液顏色信息如圖6a所示。

4.1.2 量程0～5 mg/L

選取4個不同濃度（0、1、3、5 mg/L）的氨氮標準液進吸光度檢測，結果見表3。得到擬合方程y=0.4268x+0.1006，如圖5b所示，擬合度為0.999 3，線性關系良好，符合朗伯比爾定律，符合檢測要求。檢測溶液顏色信息如圖6b所示。

4.1.3 量程0～10 mg/L

選取4個不同濃度（0、3、6、10 mg/L）的氨氮標準液進行吸光度檢測，檢測結果見表4。線性擬合得到方程y=0.4244x+0.0962，如圖5c所示，擬合度為0.999 0，線性關系良好，符合朗伯比爾定律，符合檢測要求。檢測溶液顏色信息如圖6c所示。

4.1.4 量程0～100 mg/L

選取4個不同濃度（0、30、60、100 mg/L）的氨氮標準液進行吸光度檢測，結果見表5。得到擬合方程y=0.0288x+0.2069，如圖5d所示，擬合度為0.985 3。顯然，將氨氮溶液濃度提高到一定濃度時擬合度為0.985 3，相比于0～2、0～5、0～10 mg/L量程的擬合度明顯下降，精度較之前更低，設定較大的稀釋倍數(shù)，但由于硬件選型并不能達到相應的稀釋倍數(shù)，導致測定濃度結果偏離標準溶液濃度。檢測溶液顏色信息如圖6d所示。

4.2 系統(tǒng)重復性分析

穩(wěn)定性S2和相對標準偏差RSD計算公式分別如下：

S=［（x-）+（x-）+…+（x-）］（2）

RSD=×100%（3）

其中，n為檢測次數(shù)；x為各組檢測濃度；為檢測濃度平均值。

為驗證本系統(tǒng)的重復性，選取1 mg/L的氨氮溶液進行自動檢測，在不更換實驗環(huán)境和系統(tǒng)樣機的前提下連續(xù)檢測6次，檢測結果見表6，可以看出6組檢測數(shù)據均與實際值接近，其中S2為0.000 414 5，RSD為1.97384%，數(shù)據離散程度較小，精度較高，符合測量要求，證實所提氨氮濃度自動檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性較高、重復性較好。

5 系統(tǒng)檢測方案

石化行業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)結構簡圖如圖7所示。

根據循環(huán)水系統(tǒng)的結構特點，提出兩種檢測方案：

a. 針對胺類換熱器的泄漏，在換熱器進口（檢測點1）和出口（檢測點2）抽取樣品至本系統(tǒng)進行氨氮濃度檢測，抽取檢測時間間隔根據實際生產現(xiàn)場設定，若換熱器進口和出口的氨氮濃度偏差較大或數(shù)據發(fā)生突變時，判斷此換熱器發(fā)生泄漏。

b. 針對循環(huán)水系統(tǒng)中其余換熱器泄漏導致循環(huán)水系統(tǒng)中氨氮含量升高，在蓄水池排污口處設置一處檢測點（檢測點3），抽取樣品至本系統(tǒng)，若檢測數(shù)據增高或出現(xiàn)增高趨勢時，判斷循環(huán)水質出現(xiàn)異常，工人可依此為依據進行系統(tǒng)故障排查。

兩種方案均可達到預警的目的，工作人員可以根據檢測數(shù)據及時實施應對措施。相比于人工實驗和人工肉眼辨色法，解決了檢測滯后性、精度低等問題，檢測數(shù)據所檢即所現(xiàn)，真正實現(xiàn)實時檢測，出現(xiàn)問題及時止損，減少經濟損失。

6 結束語

通過PLC控制模塊實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的功能以及模塊與模塊間的相互配合，提出一種高精度、高量程的新型循環(huán)水質氨氮濃度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動取樣、自動檢測等功能。經實驗，本系統(tǒng)可測量程0～10 mg/L，相對標準偏差1.97384%，重復性較好，精度±2%，具有實時性好、精度高等特點，可以替代人工自動檢測氨氮濃度，有效避免因人工判斷失誤而采取錯誤的策略。同時，提出兩種檢測方案，均可達到預警目的，能夠有效防止換熱器內漏導致系統(tǒng)設備損壞、企業(yè)經濟效益降低、安全事故等狀況，具有重復性好、穩(wěn)定性強、自動化程度高等優(yōu)勢，可有效實現(xiàn)換熱器胺泄漏風險預警，進而指導精準調控，促進企業(yè)節(jié)能減排，提高企業(yè)的競爭力。

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（收稿日期：2024-05-21，修回日期：2024-06-19）

Auto monitoring System for the Ammonia Nitrogen Concentration of

Circulating Water in Petrochemical Industry

LIU Qing1， CHEN Xiu sheng1， HUANG Yuan feng2， CAO Huai xiang2，

YUAN Tao2， SHI Bu fan2， LI Meng wei2

（1. School of Mechanical Engineering， University of Jinan； 2. Shandong Special Inspection Technology Co.， Ltd.）

Abstract""" The amine leakage is one of the important reasons for the internal leakage of heat exchangers. In addition to taking pre measures， the detection of ammonia nitrogen at the inlet of heat exchanger becomes important. Considering the leakage monitoring of amine materials， having the improved salicylic acid spectrophotometry based to develop an ammonia nitrogen monitoring system was implemented. The test results show that， the detection range of the detection system stays at 0 to 10 mg/L， the linearity is 0.999 0， and the color development time is 5 min. The RSD of repeatable experimental analysis is 1.97384% and the detection accuracy is controlled within ±2%.

Key words"" ammonia nitrogen concentration detection， heat exchanger，amine， salicylic acid spectrophotometry， on line monitoring