氣相色譜儀在多流路多組分氣體分析中的應用

王瑞坤，張 皓

（中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

氣相色譜儀在多流路多組分氣體分析中的應用

王瑞坤，張 皓

（中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

在化工生產裝置中，混合氣體中各組分的體積分數是工藝監測和安全生產的重要指標。本文通過對常規多流路、多組分分析儀表的比較，采用氣相色譜儀對混合氣體組分進行測量。結合裝置特點，詳細闡述了氣相色譜儀采樣系統設計過程的要點及難點，并對樣氣傳輸滯后時間進行計算，對分析小屋設計的注意事項進行了介紹，以期對類似工程提供有益的參考。

氣相色譜儀；多流路；多組分；采樣系統；傳輸滯后時間

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.004

在化工生產裝置中，經常需要在線分析混合氣體組分，以掌握并及時調整工藝反應過程，保障安全生產，并實現精細管理。對于一些高溫、高壓、復雜且危險的反應過程，如煤氣化、甲醇合成等反應過程，往往要求對裝置中多個流路混合氣體中的多種組分進行分析。在某項目甲醇合成裝置中，工藝要求測量四個流路中CO、CO2、H2三種組分的含量。各流路樣氣組分見表1，其中：CO體積分數為1%～30%，CO2體積分數為2%～10%，H2體積分數為60%～90%。

表1　各流路組分含量

自動化儀表選型設計規范［1］針對多流路多組分的含量分析有下列規定：“當需要分析混合氣中多流路多組分的含量時，宜選用工業氣相色譜儀；需要響應速度快時，宜選用工業質譜儀。其體積分數范圍可從10-6級到100%。”該裝置被測氣體的組分范圍在規范適用的范圍內，考慮選用色譜儀或質譜儀進行分析。

1　色譜儀原理及選型

色譜儀利用先分離、后檢測的原理進行工作［2］。樣氣通過色譜柱時，被色譜柱內填充劑所吸附、脫吸、溶解、解析，由于氣體分子種類、化學結構不同，在填充劑上的吸附能力、溶解能力不同，被填充劑吸收或吸附的程度也不同，因而通過色譜柱的速度產生差異，經過一定的色譜柱長后，樣氣中各種組分被先后分離出來，按順序從色譜柱末端流出后進入檢測器進行檢測。檢測器把分離后的各個組分的濃度信號轉換為電信號，再經過數據處理，可得到混合物的組成和濃度。因此，色譜儀可定量分析氣體組分，分析周期為3～5 min。色譜儀因分析準確和分析數據具有實時性，在生產中起著優化控制、控制產品質量等重要作用。

和質譜儀相比，色譜儀具有分析精度高、價格便宜等優點［3］，雖然分析周期較長，但考慮到裝置反應氣成分比較穩定，3～5min的分析周期在工藝生產可接受的范圍內，故該工程采用1臺氣相色譜儀對4個流路3種組分進行測量。

本裝置氣相色譜儀為ABB PGC5000，以氮氣為載氣，TCD恒溫鎢錸熱絲熱導檢測器，色譜柱采用高分子填充柱。在色譜儀控制器面板上可通過鍵盤和LCD顯示窗，進行菜單操作，用戶可容易地修改或編輯分析參數；顯示和存儲色譜圖、測量結果及分析參數。數據傳輸采用模擬并行傳輸方式，為4個流路（每流路3組分）共配置12根信號電纜，以確保被測介質體積信號的可靠傳輸。同時預留與控制室DCS通訊的RS485標準串行接口。

氣相色譜儀要求樣氣壓力在0.01～0.5 MPa，溫度≤150℃，無腐蝕性氣體，無油脂及固體顆粒，本裝置樣氣壓力高達8 MPa，需配置采樣系統對樣氣減壓、減溫及除塵處理。色譜儀是成熟產品，能否可靠安全工作，主要取決于采樣系統設計的好壞。

2　采樣系統設計

采樣系統是氣相色譜儀應用的一個重要環節，它對色譜儀正常工作與否起決定作用。該裝置4個取樣點相對分散，流路1距分析小屋最遠，約42.5m，規范要求樣氣傳輸滯后時間不宜超過60 s。樣氣進色譜儀流量為30 L/h，忽略降壓對樣氣的影響，流路1樣氣通過42.5m，φ6×1不銹鋼管所需時間用經驗系數修正后約為90 s，遠不能滿足滯后時間要求，必須采用快速回路以減少傳輸滯后。

快速回路有快速循環回路和快速旁通回路兩種。快速循環回路利用工藝管線壓差，在其上、下游之間并聯一條管線，形成快速循環回路，樣氣從并聯管線上取出。快速旁通回路，樣氣從工藝管線取出，直接送至分析儀，在進入分析儀前旁引出一條支路，返回工藝裝置或火炬系統。化工生產裝置一般采用旁通回路，旁路排至火炬。

本裝置采樣系統由采樣探頭、前級預處理、后級預處理系統組成。其中前級預處理位于取樣探頭附近，后級預處理安裝于分析小屋外側。前、后級預處理箱采用304SS，管線、閥門及管件采用316LSS或316SS材質。采樣流程見圖1。

圖1　色譜儀采樣流程

2.1 采樣探頭

采樣探頭采用插入式安裝，通過法蘭球閥插入工藝管道內部進行取樣。因流路2操作溫度高達210℃，且含有少量水分，采用風冷型探頭，其他流路采用常溫探頭。風冷型探頭采用旋風制冷器制冷，并除去樣氣中水分，樣氣中冷凝析出的水分在重力作用下重新流回到工藝管道內，從而在采樣處實現降溫、脫水的目的。

連通域指的是圖像被二值化之后的若干像素的集合，假設前景像素為1，背景像素為0的前提下，連通域具有以下兩個屬性：一是只有前景像素的集合，二是在同一個連通域中的兩個像素間總能找到一條路徑由這個集合中的像素組成，也就是說像素之間兩兩互通。連通域算法在數字圖像處理中進行目標跟蹤、目標識別、多目標分割等方面都有應用，在這里進行顆粒狀農產品的分選也可以采用連通域算法，先將灰度圖像采用閾值分割得到二值圖像，這個二值圖像中包含了對圖像分割后的多個連通域，然后采用連通域算法給出其屬性，進而對圖像中的目標進行識別、跟蹤以及判斷[7]。在這里采用種子填充法實現。

2.2預處理系統

裝置區前級預處理主要用于樣氣的初級減壓、過濾、脫水，以減少分析滯后，降低后期預處理負荷。前級減壓站安裝在前級預處理箱內，布置在靠近取樣點處。樣氣經針形閥、過濾器、減壓閥等進行過濾、降壓，過濾精度7μm，完成對氣體的減壓、除水，輸出壓力＜0.3 MPa（a），其壓力可通過就地壓力表指示，處理后的樣氣送至后級預處理。

后級預處理用于樣氣的精細處理，完成樣氣的穩壓、穩流、脫水等功能。后級預處理安裝在靠近分析小屋的預處理箱內。經前級減壓后的樣氣，經過三通過濾器過濾分流取樣，樣氣經控制器控制的氣動三通球閥，和其他流路樣氣切換，切換后的樣氣由載氣運載進入色譜儀；取樣后多余氣體經止回閥由加壓泵排入火炬總管。

在預處理系統中，需要提供低壓蒸汽進行伴熱，防止CO2氣體在減壓時因吸收熱量冷凝，影響組分分析及阻塞管路。經過上述處理對樣氣進行降壓力、凈化、干燥，減少了分析的干擾因素，提高了分析質量。

2.3樣氣傳輸滯后時間計算

一般采用體積流量法來計算樣氣傳輸時間［4］，因減壓閥、過濾器容積較小，對滯后時間的影響可忽略。用經驗值修正后的計算公式如下：

式中：Tt為樣氣傳送滯后時間；1.2～1.5為體積修正經驗值；V1、F1+F2為AB段樣氣體積、流速；V2、F2為BC段樣氣體積、流速；F1為快速旁通回路流量，240 L/h；F2為色譜儀進氣流量，30 L/h。

本裝置樣氣傳輸系統管線為φ6×1不銹鋼管，以下計算以流路1為例。已知：L1為取樣探頭至減壓閥連接管線，長2m；L2為減壓閥至旁通過濾器連接管線，長38m；L3為旁通過濾器至色譜儀連接管線，長2.5m。

L1段容積（減壓減溫前容積）：

L2、L3段樣氣體積經計算，依次為：0.477 L、0.031 L。

因L1段樣氣操作壓力及溫度8MPa（a）、103℃，后經減壓減溫后為0.3 MPa（a），30℃，需經氣體狀態方程修正，計算公式為：

式中：V1、p1、T1為減壓減溫前的體積、壓力、溫度；V2、p2、T2為減壓減溫后的體積、壓力、溫度；L1段減壓減溫后等效的樣氣體積：

AB段樣氣體積為L1段等效體積和L2段體積之和，BC段樣氣體積為L3段體積。將L1等效體積0.83 L、L2段0.477 L、L3段0.031L及F1=240 L/h、F2=30 L/h，代入公式（1）得到：

從上述計算可以看出，減壓前經修正的樣氣體積0.83 L，比減壓后38m傳輸段的容積0.477 L還大。該工況L1段距離縮短1 m，可減少滯后時間8 s。為減小滯后時間，應盡量縮短取樣點至前級預處理的距離。

在色譜儀采樣系統設計時，應關注以下3個方面的問題：①取樣探頭的形式應滿足樣氣溫度壓力的要求，必要時采用降溫措施；②對多流路切換單元，應采用必要流路切換處理措施，確保被選擇的流路樣氣不被滯留樣氣和其他流路樣氣污染；③應對樣氣傳輸滯后時間進行核算，確保滿足規范要求的不超過60 s的時間要求。若傳輸管線較長，應采取必要的快速回路以縮短傳輸滯后，并使取樣點至前級減壓閥的距離最短。

3　分析小屋安全措施

氣相色譜儀的工作環境要求為5～35℃，相對濕度≤80%［5］，一般要求安裝在密封性較好的分析小屋內。本裝置小屋采用全封閉的碳鋼噴涂結構，頂部安裝板向兩側傾斜的防水結構，墻和屋頂填充阻燃型無毒保溫材料，門上設置安全視窗。該裝置分析小屋布置在2區爆炸危險場所且色譜儀分析樣氣中含可燃及有毒氣體，應采取一定的安全措施。

小屋的安全措施主要從可燃、有毒氣體檢測和正壓通風管路壓力保護兩個方面考慮。

色譜儀的4流路均含有可燃氣體H2、CH3OH，含有有毒氣體CO，為防止氣體泄漏造成人身傷害，分析小屋內設置可燃氣體檢測報警器（H2、CH3OH）各1臺；毒性氣體檢測報警器（CO）1臺；在分析小屋室內外各設置1個防爆閃光報警器。可燃、毒性氣體檢測器采用一體式帶現場顯示。設置可編程序控制器（PLC）用于安全聯鎖。氣體檢測器接點輸出：上限接點經PLC接至內外閃光報警器，同時送至DCS系統；上上限接點去PLC進行聯鎖邏輯控制，啟動排風扇。

因分析小屋采用正壓通風防爆方式，為保證安全，在通風管線上安裝壓力控制開關，實現切斷色譜儀電源的聯鎖。即一旦正壓通風壓力低，PLC聯鎖切斷色譜儀電源，觸發現場聲光報警器進行報警提示，并輸出干接點報警信號至DCS系統。

對于爆炸危險區域的分析小屋，設計時應考慮必要的保護措施，應根據組分特點，設置相應的氣體檢測器，并且氣體檢測器和正壓系統聯鎖應由安裝在分析小屋內的PLC實現，小屋內外應設置閃光報警燈，當小屋環境異常時，提醒操作人員注意。

4　結語

氣相色譜儀已廣泛應用于分析多流路、多組分反應氣含量，其運行穩定，起到了工藝控制眼睛的作用，對提高產品產量、降低能耗、保證安全生產具有十分重要的作用。本文在結合裝置特點的基礎上，詳細闡述了色譜儀采樣系統和分析小屋的設計要點及注意事項，該設計方法已成熟運用于生產，并取得了良好的效果。

［1］中國寰球工程有限公司，中國五環工程有限公司.HG/T 20507—2014，自動化儀表選型設計規范［S］.

［2］王森.在線分析儀器手冊.北京：化學工業出版社，2008.

［3］薛東勝.氣相色譜儀和質譜儀的應用［J］.石油化工自動化，2008（4）：55-57.

［4］SH/T 3174—2013，石油化工在線分析儀系統設計規范［S］.

［5］郭冰.氣相色譜儀及其應用［J］.石油化工自動化，2007，43（5）：88-90.

修改稿日期：2016-03-22

Application of Gas Chromatography in the Analysis of M ulti-Flow Path and M ulti-com ponent Gas

WANG Rui-kun，ZHANG Hao
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

In the chemical production equipment，the volume proportion of each component in the compound gas is an important index for the processmonitoring and safety production.Through the comparison of the conventionalmulti-flow path and multi-component analysis instruments，the gas chromatography is used tomeasure the composition of the compound gas.According to the characteristics of the device，this papermakesa detailed explanation of the essentials and difficulties in the designing process of the sampling system of gas chromatograph，calculates the lag time of the sample gas transmission，and introduces the key points for attention in analyzing the cabin design，in the hope of providing the beneficial reference to the similar projects.

gas chromatograph；multi-flow path；multi-component；sampling system；transmission lag time

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.004

O657.71

A

1004-8901（2016）04-0012-04

王瑞坤（1980年—），女，河南南陽人，2007年畢業于武漢理工大學自動化學院控制理論與控制工程專業，碩士研究生，高級工程師，現主要從事石油化工自動化工程設計工作。