光纖式微量水分析儀的應(yīng)用

李菲，童方君

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

光纖式微量水分析儀的應(yīng)用

李菲，童方君

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

微量水分在線測量廣泛存在于石油化工行業(yè)，用于優(yōu)化生產(chǎn)工藝和監(jiān)控安全。通過與傳統(tǒng)微量水分析儀的對比，介紹了光纖式微量水分析儀的測量原理及優(yōu)勢。結(jié)合烯烴精制工況，對比傳統(tǒng)單通道、采樣預(yù)處理的系統(tǒng)配置和多通道、可抽取安裝的光纖法系統(tǒng)配置，驗證了光纖法在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢，并詳細(xì)闡述了實(shí)際工程應(yīng)用中的注意事項。

微量水分析儀 光纖式 多通道 可抽取組件

微量水分析儀是一種重要的工業(yè)在線分析儀表，用于檢測水分含量，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)裝置中。微量水分的準(zhǔn)確測量對防止設(shè)備被腐蝕、安全監(jiān)控以及產(chǎn)品質(zhì)量把控等具有重要意義。

1 微量水分析儀的分類

微量水分析儀種類較多、原理各異，目前傳統(tǒng)的微量水分析儀分為4種類型： 電解法、電容法、冷鏡式和激光光譜式。

1.1電解法

電解法的原理： 被測氣體流經(jīng)電解池時，微量的水分會被電極上的五氧化二磷吸收，并被電解為氫氣和氧氣排出，而五氧化二磷得以再生。當(dāng)吸收和電解達(dá)到平衡后，進(jìn)入電解池的水分全部被五氧化二磷吸收并電解，通過法拉第定律可推導(dǎo)出水的電解電流與含水量的關(guān)系。該方法適用于非常微量的水的工況，但受測量原理影響，僅用于氣體測量，吸收和電解平衡時間長、響應(yīng)慢、穩(wěn)定性也較差，很大程度上受制于環(huán)境因素[1-2]。

1.2電容法

傳感器部分相當(dāng)于電容器，傳感器表面是半透膜，其孔徑小于大多數(shù)有機(jī)物分子，只允許比有機(jī)物小得多的分子滲入。水分子通過氧化鋁薄膜上的金層滲入薄膜氧化鋁孔，其水分被氧化鋁孔吸收，孔壁的導(dǎo)電率取決于吸附在孔壁上的水分子數(shù)量。孔壁阻抗決定了電阻值，而電阻值對應(yīng)于不同的水氣壓力，通過電阻值可以計算得到微量水的含量。該類儀表不適用于含腐蝕性氣體、粉塵或雜質(zhì)較多的工況，并且對溫度敏感，應(yīng)用條件有一定的局限性[1，3]。

1.3冷鏡法

讓樣氣流經(jīng)露點(diǎn)冷鏡室的冷凝鏡，通過等壓制冷，使得樣氣達(dá)到飽和結(jié)露狀態(tài)，此時冷凝鏡上有液滴析出，測量冷凝鏡此時的溫度即是樣氣的露點(diǎn)。冷鏡法微量水分析儀精度高且準(zhǔn)確可靠，空分裝置使用較多。但由于響應(yīng)時間慢，不能應(yīng)用于腐蝕性測量工況，且需要專人維護(hù)，應(yīng)用受到限制。

1.4激光光譜式

激光微量水分析基于半導(dǎo)體激光吸收光譜(DLAS)技術(shù)，利用激光能量被氣體分子選擇性吸收，形成吸收光譜的原理來測得微量水含量。主要由發(fā)射探頭、發(fā)射單元、接受探頭以及接收單元組成。發(fā)射探頭內(nèi)的激光器發(fā)出的激光光束準(zhǔn)直后，穿過石英或藍(lán)寶石窗口玻片，進(jìn)入被測氣體，透射光穿過接受探頭的窗口玻片后被光電傳感器吸收，獲得的測量信號通過電纜傳輸?shù)轿諉卧?jīng)分析處理后獲得微量水含量。激光光譜法適用于純氣、高純氣中微量水的測量，缺點(diǎn)是價格昂貴[4-8]。

2 光纖式微量水分析儀測量原理

和傳統(tǒng)的微量水分析儀相比，光纖式微量水分析儀有獨(dú)特的檢測方式和技術(shù)特點(diǎn)，克服了很多傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用缺陷，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中得到了良好應(yīng)用[9-10]。

光纖式微量水分析儀的傳感器表面為具有不同反射系數(shù)的氧化硅和氧化鋯構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)，通過先進(jìn)的熱固化技術(shù)，使傳感器表面的孔徑控制在0.3nm，使0.28nm的水分子可以滲入。控制器發(fā)射出1束790～820nm的近紅外光，通過光纖電纜傳送給傳感器，進(jìn)入到傳感器的水分子會引起光的折射，從而引起波長的變化，該變化量與介質(zhì)的水分含量成相應(yīng)的比例關(guān)系。通過測量接收到的光的波長，就可以得到介質(zhì)的水分含量及水露點(diǎn)等相關(guān)參數(shù)。測量原理如圖1所示。

圖1 光纖式微量水分析儀測量原理

3 光纖式微量水分析儀特點(diǎn)

由于傳感器的特殊結(jié)構(gòu)，測量信號無干擾，可靠性、精度及重現(xiàn)性極高；可用于惡劣介質(zhì),且不需要維護(hù)，也不需要定期標(biāo)定。特點(diǎn)：

1) 傳感器可以應(yīng)用于Zone 0防爆場所，主機(jī)可以安裝在現(xiàn)場。

2) 可以實(shí)現(xiàn)多通道測量，最多3個通道。

3) 既可以測量氣體中的微量水分，也可以測量液體中的微量水分。

溫度的波動對微量水測量影響較大，濕度探頭內(nèi)除內(nèi)置光纖探頭外，還配有溫度傳感器。溫度傳感器可實(shí)時測量試樣溫度，其結(jié)果可用于對水含量測量進(jìn)行實(shí)時在線校正。控制器部分還設(shè)有壓力輸入信號接口，通常情況下測點(diǎn)的壓力不會有太大波動，但如果需要更高精度的測量，也可結(jié)合實(shí)時的壓力信號對微量水含量的測量進(jìn)行在線修正。

4 工程項目應(yīng)用實(shí)例

4.1工況簡介

筆者參與設(shè)計的某烴類精制裝置，設(shè)置了2臺精制塔： 第1臺用于過濾烴類介質(zhì)中含有的水分；第2臺用于過濾烴類介質(zhì)中的其他雜質(zhì)。工藝要求參與反應(yīng)的介質(zhì)必須是干燥潔凈的，否則會降低催化劑的活性，嚴(yán)格控制烴類介質(zhì)中的水含量至關(guān)重要。

來自界區(qū)的介質(zhì)從精制塔底部進(jìn)入，通過精制塔內(nèi)的分子篩，分子篩上的吸附劑能將烴類介質(zhì)中的水分吸附掉，從而完成脫水。在精制塔的進(jìn)出口以及塔內(nèi)的分子篩處分別設(shè)置微量水分析儀用以監(jiān)測介質(zhì)中的水含量。當(dāng)精制塔進(jìn)口介質(zhì)含水量過高時，說明來源介質(zhì)的質(zhì)量存在問題，此時該微量水分析儀水含量高報警，需要操作人員檢查上游裝置的生產(chǎn)環(huán)節(jié)是否正常；當(dāng)精制塔入口和分子篩水含量正常，而出口微量水分析儀水含量高報警時，說明介質(zhì)脫水不夠充分，需要將下游水含量過高的介質(zhì)重新返回到1號精制塔進(jìn)行脫水；當(dāng)分子篩內(nèi)水含量過高，則說明分子篩已經(jīng)飽和，需要更換分子篩。

4.2優(yōu)化方案對比

1) 傳統(tǒng)單通道微量水分析儀系統(tǒng)配置如圖2所示，每個采樣點(diǎn)需配1套采樣探頭、1套預(yù)處理系統(tǒng)、1臺二次儀表，且二次儀表需安裝在非防爆區(qū)。因此，該工況下，采樣探頭、預(yù)處理系統(tǒng)、二次儀表、現(xiàn)場預(yù)處理箱到二次儀表的專用電纜需3套。

圖2 傳統(tǒng)單通道微量水分析儀系統(tǒng)配置示意

2) 經(jīng)優(yōu)化后，該項目采用光纖法微量水分析儀，工藝裝置采樣的系統(tǒng)配置如圖3所示。

圖3 光纖式微量水分析儀系統(tǒng)配置示意

光纖法僅需要3套光纖式傳感器和少量用于連接現(xiàn)場到二次儀表的專用電纜。通過對比明顯可見，使用光纖式微量水分析儀不采用采樣預(yù)處理系統(tǒng)，可以提高分析的實(shí)時性；并且多通道設(shè)計，可以節(jié)約2套二次儀表，從而減少了故障率、降低了成本。

4.3應(yīng)用中注意事項

1) 儀表安裝。光纖式微量水分析儀采用直插式可抽取安裝(COMPAC盲法蘭)，該方式不需要采樣預(yù)處理系統(tǒng)，既避免了取樣部件對水分子的吸附，可以更真實(shí)地得到試樣的水含量，同時也避免了試樣排放造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

2) 防爆要求。傳感器安裝在現(xiàn)場，須滿足現(xiàn)場防爆要求；分析儀二次儀表安裝在現(xiàn)場的防爆箱內(nèi)，再安裝在不銹鋼機(jī)柜內(nèi)；機(jī)柜應(yīng)安裝在靠近傳感器的現(xiàn)場，距離應(yīng)小于15m。北方冬季氣溫低，為確保分析儀表能正常工作，在機(jī)柜內(nèi)部需安裝帶溫控設(shè)備的電加熱裝置。

3) 儀表接線。復(fù)合光纖電纜為鎧裝電纜，含有發(fā)送和接收2根光纖，并且還含有溫度補(bǔ)償電纜，用于將溫度/濕度一體化傳感器連接到分析儀二次儀表。二次儀表可接出6路4～20mA模擬量或RS-485輸出信號至DCS。

4) 儀表供電。使用時需要交流220V外供電源，其工作用電宜使用安全可靠的UPS電源，保證分析儀的穩(wěn)定運(yùn)行。

5) 校準(zhǔn)。水分凝結(jié)不會影響傳感器；一旦干燥，可以再次使用，而不需要重新校準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

光纖式微量水分析儀具有多通道設(shè)計、無干擾測量、精度高等特點(diǎn)，可用于防爆區(qū)，為生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

[1] 楊海哲.微量水分析儀在空分設(shè)備中的應(yīng)用與維護(hù)[J].通用機(jī)械,2009(07)： 36-38.

[2] 劉翔,周欣,Alfred F.烯烴聚合產(chǎn)物中微量水分測量的激光傳感器[J].自動化儀表,2007(09)： 104-107.

[3] 劉軍支,石玉川.工業(yè)氣相微量水分儀在氯氣檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2006,42(05)： 81-82.

[4] 郎憲明,王崠.微量水分析儀的設(shè)計與應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2013,40(10)： 1228-1231.

[5] 黃偉,俞大海,顧海濤,等.HG/T 4376—2012 化工用在線激光微量水分析儀[S].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[6] 尚學(xué)輝,于旸.激光微量水測量技術(shù)及應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2013(03)： 40-42.

[7] 黃偉,顧海濤,周永峰.基于DLAS技術(shù)的微量水分在線分析儀[J].化工自動化及儀表，2008,35(06)： 38-40.

[8] 鄧文平,俞大海,李鷹,等.激光在線氣體分析儀的應(yīng)用[J].石油化工自動化,2012,48(02)： 60-65.

[9] 朱玉軍,鄧建友.光纖式微量水分析技術(shù)及應(yīng)用[J].儀器儀表用戶,2013(03)： 77-78.

[10] 劉慶華.在線分析儀表在工程應(yīng)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.

TQ056.1+6

B

1007-7324(2017)05-0064-03

稿件收到日期： 2017-05-27，修改稿收到日期2017-07-26。

李菲(1986—)，女，河北保定人，2011年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國天辰工程有限公司，從事儀表專業(yè)設(shè)計工作，任工程師。