熱導式氫分析儀的設計與應用

李瑾

（中國石化工程建設公司，北京100101）

在高壓加氫裝置中，時常需要利用氫分析儀測量氫氣的純度。樣氣提取位置在循環氫壓縮機出口管線，介質為循環氫與新制氫氣的混合物，以下簡稱混合氫。混合氫經過換熱器換熱，加熱爐升溫，與反應進料一起流至反應器。取樣點處氫氣的純度通常在80%～100%，如果其純度降低，控制室會顯示低報警值。混合氫純度降低，就會增加反應器結焦的趨勢，降低反應器中的催化劑活性，從而影響裝置產品的質量。所以，監測氫氣的純度在加氫反應中具有非常重要的意義。

1 氫分析儀的合理選型

以某高壓加氫裝置為例，可以看出被測介質混合氫中氫氣和其他背景氣在熱傳導過程中，其熱傳導速率不同。氫分析儀測量混合氫取樣組成及各組分在0℃時的導熱系數λ0，見表1所列。

混合氫氣的熱導率具有疊加性，公式如下：

式中：λ混——混合氫氣的導熱系數；λi——混合氫氣中第i組分的導熱系數；φi——混合氫氣中第i組分的體積分數；λ氫氣——氫氣的導熱系數。

欲求混合氫氣中氫氣組分的體積分數φ氫氣，由于其余各組分導熱系數相近：

故公式（1）簡化為

測得混合氫氣λ混之后，即可求得φ氫氣。

表1 混合氫近似取樣組成及其各組分在0℃時的導熱系數λ0

由以上推論可知，當背景氣穩定時，滿足背景氣各組分的導熱系數十分相近或近似相等，且與氫氣的導熱系數有明顯差異這兩個條件，宜選用熱導式氣體分析儀。當氫氣組分體積分數低，而背景氣體積分數變化大時，不宜選用熱導式氣體分析儀。熱導式氣體分析儀是基于氣體成分的變化導致混合氣體的總導熱系數變化這一物理特性，間接測量混合氣體中待測組分體積分數的。

2 熱導式氫分析儀的試樣處理系統與樣氣分析

樣氣處理是將一臺在線分析儀器與源流體、排放點連接起來的系統。其作用是保證分析儀在最短的滯后時間內得到具有代表性的試樣，該試樣的狀態（溫度、壓力、體積流量和清潔度）適合分析儀所需要的操作條件。樣氣經過提取、傳輸、處理后進入熱導式氫分析儀，最后對通過分析儀后的樣氣進行合理排放。

2.1 樣氣提取

a）由取樣點取出的樣氣應具有代表性，如實反映工藝介質的組分和體積分數，且通過取樣系統后不改變工藝介質的組分和體積分數。在大多數氣體管線中，從混合良好的湍流位置上取樣，可保證樣氣具有代表性。取樣點可選在彎頭之后的順流位置，或選在節流元件下游相對平穩的位置。不應將取樣點設置在流體呈層流的低流速區及緊靠節流件下游的渦流區和死角。

b）取樣點應選在清潔、干燥、溫度、壓力合適的位置，且便于接近與維護的地方。

c）取樣點的插入方位：水平管道樣氣提取時，探頭應從管道頂部插入，以避開可能存在的凝液和液滴。

d）取樣探頭組件的選擇（取樣探頭組件是插入過程流中提取試樣流的裝置）：

1）應根據取樣位置分為負壓、正壓以及高壓。根據溫度不同，取樣裝置分為低溫和高溫裝置。根據試樣狀態的不同，分為氣態試樣和液態試樣。某高壓加氫裝置中，循環氫壓縮機出口管線上取樣點壓力為21.338MPa，溫度為68℃。取樣探頭應兼顧測量的要求為高壓、低溫、氣態試樣。取樣探頭可選用ASME B16.5，Class 2500不銹鋼材質法蘭與1／2″316SS Pipe管焊接。取樣根閥材質為ASTM A182－F316，這種鋼號的材質成分為18%鉻，8%鎳，并含有一定質量分數的鉬。溫度為－18～815℃（0～1 500℉）。首先考慮防腐蝕，鉬的加入很大程度上增加了抗氫腐蝕性能。取樣根閥應作為探頭組件的一部分加以考慮，且該閥以閘閥或球閥為宜。同時應考慮雙閥系統，避免高壓氣體泄漏，這是一種雙重隔離的附加保護措施。

2）對于含塵量小的氣體試樣可以采用直通式（敞開式）探頭，如圖1所示。為了避免浮塵或顆粒等雜質進入取樣探頭，直通式取樣探頭一般沿45°坡面剖口，探頭開口面背對氣流方向安裝，利用慣性分離原理，將探頭周圍的顆粒物從流體中分離出來，但不能分離粒徑較小的顆粒物。

圖1 直通式取樣探頭組件

3）取樣探頭組件插入長度。為保證提取試樣具有代表性，一般插入管道直徑1／3或1／2深度。國外標準EEMVA No.138（在線分析儀系統設計與安裝）推薦：最小插入深度為30mm；最大插入深度為0.5d＋10mm（d為管道內徑）。

2.2 樣氣傳輸

傳輸管線最好是經直線管路到達分析儀，取樣點至分析儀的距離盡可能短，使傳輸滯后時間縮短。

樣氣傳輸管線優先選用316不銹鋼無縫Tube管，管子經過退火處理后的優點為316不銹鋼不會與樣氣組分發生化學反應，并且具有優良的耐腐蝕性能；無縫鋼管與焊接碳鋼管比較，對樣氣的吸附作用很小，耐壓等級高，適合于高壓樣氣的傳輸；Tube管采用卡套接頭連接，密封性好，死體積小；退火處理的Tube管撓性高，便于彎曲施工和卡套連接。由于樣氣系統的體積流量與工藝物流相比是很小的，其管徑應盡可能減小。對于樣氣一般采用0.635cm（1／4in）OD Tube管。根據常用英寸制Tube管的規格、最高允許工作壓力及溫度降級系數選擇壁厚。某高壓加氫裝置中管件規格選用0.635cm（1／4in）OD，管壁厚0.089cm（0.035in）。此規格的316不銹鋼無縫tube管最高允許工作壓力為35.16MPa。

2.3 樣氣處理

因為加氫裝置中混合氫氣所含組分中一般均含塵及硫化氫等，所以從工藝管道提取的樣氣需經體積流量、壓力、溫度調節、除塵、除水、穩壓、穩流等處理過程。樣氣處理通常在樣氣提取點之后和緊靠分析儀之前進行。為了便于區分，習慣上把前者叫樣氣的前處理器，后者叫預處理單元。樣氣預處理單元連接，如圖2所示。樣氣的前處理器單元連接，如圖3所示。

圖2 樣氣預處理單元連接

2.3.1 樣氣體積流量的調節

在樣氣進入前處理器和預處理單元過程時，都要通過針閥來微調樣氣體積流量和壓力。對于在線分析儀來說，無論正壓力或負壓力樣氣，都需要在規定的體積流量下進行檢測分析，一般采用帶針閥的轉子流量計來調節和顯示樣氣的體積流量。快速回路和進入分析儀前的管路上通常都會采用帶針閥的轉子流量計來調節樣氣的體積流量。

2.3.2 除塵和除水

過濾器是樣氣處理系統中應用最廣泛的除塵設備，主要通過選擇過濾孔徑來濾除樣氣中不同大小的固體顆粒。樣氣在進入前處理器和預處理單元之前都要進入過濾器，去除粉塵顆粒。粗過濾器安裝在樣氣前處理器單元，要求耐壓并去除大量顆粒。精過濾器設置在樣氣預處理單元，也就是在分析儀入口處，去除小粒度顆粒。旁通過濾器有兩個出口，一部分經過濾后由樣氣出口排出，其余樣氣未經過濾由旁通出口排出。旁通過濾器、聚結過濾器、膜式過濾器都可以用于脫除液滴，達到氣液分離的目的。

2.3.3 樣氣壓力的調節

某加氫裝置的循環氫壓縮機出口壓力為21.338MPa，在樣氣前處理器單元中要經過減壓達到樣氣分析的壓力要求。因此，要考慮穩妥的減壓措施。樣氣減壓時一般距離取樣點較近，也就是說，樣氣前處理器單元要離取樣點盡可能近些。特別是高壓樣氣的減壓，因為傳送高壓樣氣有發生危險的可能，并且會因延遲減壓造成膨脹體積大帶來過大的時間滯后。氣體降壓節流膨脹會造成溫度急劇下降，可能導致某些試樣組分冷凝析出，周圍空氣中的水分也會凍結在減壓閥上而造成故障。根據氣體熱力學定律可知，氣體減壓前后溫度降與壓力差成正比，與氣體的初始溫度成反比，即壓力越高、溫度越低的樣氣減壓后，溫度降低幅度越大。此外，溫度降低還與氣體的性質有關。高壓氣體減壓設計時，粗略估算壓力每降低0.1MPa，溫度下降0.3～0.5℃。因此，可以在樣氣前處理器單元中設置電伴熱系統。根據需求規定電伴熱設定溫度，電伴熱的伴熱溫度通常比蒸汽伴熱溫度更穩定。

為了減少采樣流程中的泄漏點，提高樣氣處理系統的可行性，需要經過兩級減壓及安全泄壓。即，分別經過兩級高壓減壓閥，該壓力調節器配有壓力表。

圖3 樣氣前處理器單元連接

同時，樣氣前處理器單元還配有安全泄壓閥，泄壓閥又稱安全閥，用以保護分析儀和某些耐壓能力有限的試樣處理部件免受高壓樣氣的損害。安全閥泄壓后需要連接管道至高點安全排放。

2.4 快速回路

如果在分析儀允許通過的體積流量下，時間滯后超過60s，則應采用快速回路系統。快速回路主要是加快樣氣流動以縮短樣氣傳輸時間的管路。快速回路的構成形式通常有兩種，即返回到裝置的快速循環回路和通往廢氣放空管線的快速旁通回路。快速循環回路可降低樣氣傳輸的時間滯后，并使工藝流體的耗損量降至最低。在樣氣處理系統設計時，應優先考慮采用快速循環回路，但也要根據實際工況具體分析。樣氣經過前處理器單元減壓后，壓力已經降低，樣氣返回工藝已不現實。且樣氣中易燃氫氣體積分數較高，背景氣中含有有毒的硫化氫，所以樣氣返回火炬放空管線是最安全、經濟的處理方法。

通往廢氣放空管線的快速旁通回路，是從工藝管道到排氣口的試樣流通系統。由于它是分析回路的旁通支路，所以稱為“旁通回路”。樣氣從前處理器單元進入預處理單元分析柜時，先經過體積流量微調，然后壓力表測量顯示進入分析柜中的樣氣壓力。快速回路一般從旁通過濾器引出，引出點壓力為0.1～0.15MPa，要求火炬放空管線壓力低于引出點壓力，保證有一定壓差。快速旁通回路上最好有單向閥，只允許樣氣單向流動，避免逆向流動。

2.5 樣氣分析

通過旁通過濾器過濾的樣氣，經過帶針閥的轉子流量計微調體積流量，并再次除塵后進入熱導式氫分析儀。熱導式氫分析儀可劃分為熱導檢測器和電路兩大部分。熱導檢測器（習慣上稱為發送器）由熱導池和測量電橋構成，熱導池作為測量電橋的橋臂連接在橋路中，兩者密不可分。電路部分包括穩壓電源、恒溫控制器、信號放大電路、線性化電路和輸出電路等。

目前，所有熱導式分析儀都把導熱系數的測量轉換為隨其變化的電阻值的測量。通常采用如圖4所示的熱導室，在熱導室中懸一金屬（鎢或鉑）電阻絲，其0℃時的電阻值為R0，通以恒定的I0后，電阻絲產生熱量并向四周散熱。待分析的樣氣從氣室下方通入，上方排出，熱量主要通過氣體傳向氣室壁。設室壁溫度t0恒定，電阻絲達到熱平衡時溫度為tn，這時電阻絲的電阻值為Rn。若混合氣體的導熱系數λ混越大，說明散熱條件越好，熱平衡時電阻絲的溫度tn越低，其電阻值Rn也越小；反之，λ混越小，則tn越高，電阻絲的電阻值Rn也越大，從而將混合氣體導熱系數的變化轉換為電阻絲的電阻值變化。

圖4 熱導式分析儀熱導池工作原理示意

熱導池的作用是把混合氫中待測組分氫氣純度的變化轉換成電阻絲阻值的變化。應用電橋測量電阻十分方便，而且靈敏度和精度都比較高。電阻值轉換為電信號，經過處理轉換為測量信號，如模擬輸出測量值信號和數字故障狀態信號。

熱導式分析儀的測量誤差由基本誤差和附加誤差兩部分組成。基本誤差是分析儀在規定條件下工作產生的誤差，而附加誤差是由于對儀器的調整、使用不當或外界條件變化帶來的誤差。熱導式氣體分析儀產生附加誤差的主要因素包括標準氣的組成和精度；灰塵和液滴的存在；電橋工作電流的變化等。

2.6 樣氣排放

通過分析儀后的樣氣，其壓力與大氣壓力相同。由于樣氣體積流量不大，故選擇高點放空，直接排入大氣。由于氫氣易燃易爆的特性，排放末端管口一定要加阻火帽，對分析儀起保護作用。排入大氣的管路需足夠長，排放管應高于附近有人員作業的最高設備2m以上。

3 其他設計問題

3.1 零點氣與量程氣調校

熱導式氫分析儀的校準周期一般為1個月，視儀表運行狀況的需要或因工藝操作人員的要求，亦可隨時進行校準。零點氣和量程氣待測組分體積分數接近于工藝控制指標，而且其背景組分應與工藝樣氣中的背景組分性質相同或近似。在某高壓加氫裝置實際應用中零點氣為80%H2，10%CH4，10%N2，量程氣為99.99%H2。零點氣與量程氣調校管路用一個三通球閥作為樣氣切斷閥，從而引入標準氣。另一個三通球閥可以用來選擇零點氣或量程氣作為標準氣。按規定體積流量給分析儀通入標準氣，待示值穩定后，調節分析儀電位器，使儀表輸出值與標準氣體積分數相符。

3.2 分析儀柜供風

分析儀柜一般采用正壓通風方式。正壓通風是指強制通風措施，其作用是將柜內可能泄漏的危險氣體稀釋并排出。測量的樣氣主要為氫氣，屬于可燃氣體。此外，樣氣中含有少量硫化氫，屬于有毒氣體。所以必須把可能泄漏的有毒、可燃氣體置換出去，以保證操作員的安全。

3.3 分析儀系統供電

整個分析儀系統的供電包括熱導式氫分析儀工作用電和樣氣前處理器單元、樣氣預處理單元內電伴熱用電。

4 結束語

對于高壓加氫裝置氫純度分析，首先需要根據工藝數據分析選定測量方法，其次要考慮高壓樣氣的降壓，再次要對樣氣的排放加以考慮，以保證分析儀操作人員和維護人員的安全，減少對環境的污染。總之，精準的測量，環境保護與安全操作，以人為本是氫氣分析儀設計中要達到的最終目標。

［1］ 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊［M］.3版.北京：化學工業出版社，2000.

［2］ 李軍，賀慶之.檢測技術及儀表［M］.北京：中國輕工業出版社，1989.

［3］ 金義忠，曹以剛，常武.分析系統規范的專業化設計［J］.分析儀器，2009（04）：79－82.

［4］ 金義忠，曹以剛，楊支明，等.樣氣處理系統技術應用及發展綜論［J］.分析儀器，2008（06）：46－53.

［5］ 劉慶華.在線分析儀表在工程應用中存在的問題及解決方案［J］.石油化工自動化，2009，45（06）：63－65.

［6］ 王森，紀綱.儀表常用數據手冊［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［7］ 劉桂玲，李杰.GB 4962—2008氫氣使用安全技術規程［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［8］ 王森.在線分析儀表維修工必讀［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［9］ 金義忠，曹以剛，楊支明，等.在線分析工程技術導論［J］.分析儀器，2008（05）：39－45.

［10］ 季善義.熱導式氫分析器［M］.北京：化學工業出版社，1988.