在線分析系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

費(fèi) 斌

（上海華誼工程有限公司，上海 200241）

0 引言

在石油、化工等行業(yè)的工藝過(guò)程控制中，除了常規(guī)的溫度、壓力、流量、液位檢測(cè)之外，在線監(jiān)測(cè)介質(zhì)的組分也是一個(gè)不容忽視的控制手段。相較于上述四大參數(shù)的檢測(cè)儀表，在線分析儀表的測(cè)量原理更多樣，檢測(cè)方案也更復(fù)雜，但它卻最能直接反映過(guò)程控制的成效。一些工藝路線中的組分分析，可以說(shuō)對(duì)整個(gè)過(guò)程控制的安全和最終產(chǎn)品的質(zhì)量起著不可替代的關(guān)鍵作用。

在線分析系統(tǒng)是由采樣系統(tǒng)、在線分析儀及分析柜或分析小屋構(gòu)成的系統(tǒng)，對(duì)比于分析時(shí)間長(zhǎng)、分析結(jié)果滯后的實(shí)驗(yàn)室分析，它更有利于生產(chǎn)裝置的實(shí)時(shí)調(diào)整。從工程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，結(jié)合參與過(guò)的幾個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，粗淺地談一下在線分析系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中的一些要點(diǎn)。

1 在線分析儀的選型

在線分析儀表雖然種類繁多，但也可從不同的角度加以分類：1）根據(jù)分析儀表的測(cè)量對(duì)象，可以分為氣體分析儀器和液體分析儀器兩個(gè)大類；2）如果按照主要的測(cè)量原理分類，分析儀可以分為：①光學(xué)分析儀；②電化學(xué)分析儀；③色譜分析儀；④物性分析儀；⑤其他分析儀（如順磁式氧分析儀、熱導(dǎo)式氣體分析儀、射線分析儀、質(zhì)譜儀等）[1]。

一套在線分析系統(tǒng)的成功應(yīng)用，離不開(kāi)準(zhǔn)確的工程設(shè)計(jì)、集成制造、運(yùn)行維護(hù)。而在線分析儀正確合理的選型是工程設(shè)計(jì)階段最核心的工作。因此，在線分析系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書(shū)和分析儀數(shù)據(jù)表是最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)文件，也是最根本的選型依據(jù)。在技術(shù)規(guī)格書(shū)中，工程公司會(huì)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況明確具體的技術(shù)要求，包括：執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、氣象條件、環(huán)境條件、供貨范圍、分析小屋（柜）配管配線、文件及圖紙、FAT、SAT、性能考核、技術(shù)服務(wù)、備品備件等；分析儀數(shù)據(jù)表則定義了分析儀的測(cè)量對(duì)象、用途、測(cè)量范圍、采樣點(diǎn)及采樣返回點(diǎn)的溫度、壓力、流量、儀表的防爆等級(jí)和防護(hù)性能，規(guī)定了分析儀的性能指標(biāo)包括：準(zhǔn)確度、靈敏度、穩(wěn)定性、重復(fù)性、線性范圍、響應(yīng)時(shí)間等。而其中，采樣點(diǎn)背景組分的定性定量是整個(gè)數(shù)據(jù)表中最關(guān)鍵的參數(shù)，工藝專業(yè)在提交儀表?xiàng)l件時(shí)必須準(zhǔn)確，尤其是有些裝置在正常運(yùn)行和開(kāi)停車階段工藝參數(shù)有較大區(qū)別時(shí)，必須針對(duì)各自不同的工況提出相應(yīng)的工藝條件。之所以這樣做的原因是：在線分析儀表種類繁多，各個(gè)類型的儀表技術(shù)指標(biāo)各不相同。即使是相同測(cè)量原理的儀表，在不同工況下的適應(yīng)性也大不相同。

分析儀較之于其他常規(guī)儀表更特殊的另一個(gè)原因，就是其自身的制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且特別“嬌貴”，現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境、復(fù)雜的工況與儀器儀表本身對(duì)于樣品的溫度、壓力、腐蝕性、水分含量、灰塵含量的品質(zhì)要求必然會(huì)形成矛盾，這就對(duì)于儀表的選型、設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)等一系列工作提出更高的要求。

過(guò)去在某個(gè)項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：

1）某總有機(jī)碳分析儀（TOC）在項(xiàng)目投運(yùn)一定時(shí)間后，進(jìn)樣瓶有鹽分析出結(jié)晶，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員需要每天清洗。通過(guò)進(jìn)一步離線取樣分析后發(fā)現(xiàn)，樣品本身的實(shí)際含鹽量遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)表中的組分濃度。

眾所周知，TOC 是以碳的含量表示介質(zhì)中有機(jī)物的總量，常作為評(píng)價(jià)介質(zhì)被有機(jī)物污染程度的一項(xiàng)參考指標(biāo)。其主要測(cè)量方法有：直接燃燒氧化-NDIR（非分散紅外法）、紫外/過(guò)硫酸鹽催化氧化-NDIR 法、濕法氧化-非色散紅外探測(cè)（二級(jí)氧化法）。各測(cè)量原理的優(yōu)劣比較如下：

◇ 直接燃燒氧化-NDIR（非分散紅外法）

具有高溫燃燒、氧化完全的特點(diǎn)，一般應(yīng)用于有機(jī)物含量較高及成分較復(fù)雜的工業(yè)廢水監(jiān)測(cè)[2]。但一般它的進(jìn)樣量有嚴(yán)格限制（10μL 以下），取樣管線纖細(xì)易堵塞，需對(duì)樣品嚴(yán)格過(guò)濾，維護(hù)量大；樣品中的鹽和沉積物會(huì)阻塞燃燒爐，需對(duì)反應(yīng)器經(jīng)常清洗除垢，需要經(jīng)常校正，催化劑會(huì)中毒失效等缺點(diǎn)。

◇ 紫外/過(guò)硫酸鹽催化氧化-NDIR 法

具有靈敏度高、量程寬、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，一般應(yīng)用于飲用水、地表水等比較干凈的水體監(jiān)測(cè)。但它存在氧化能力不足，樣品需要過(guò)濾，鹽含量高時(shí)影響氧化效果，紫外燈功率會(huì)衰減，消減反應(yīng)器材質(zhì)受限制，需要經(jīng)常校正，維護(hù)量較高等劣勢(shì)。

◇ 濕法氧化-非色散紅外探測(cè)（二級(jí)氧化法）

以兩種型號(hào)的羥基自由基和臭氧兩級(jí)氧化及過(guò)硫酸鹽+熱消解氧化法為代表，消解效能高，高鹽高濁度樣均能消解，樣品可無(wú)需過(guò)濾和除雜，比較適合含鹽工業(yè)廢水的測(cè)量，可做到反應(yīng)器自清洗和雙量程選擇。缺點(diǎn)是試劑消耗多，有些蠕動(dòng)泵泵管需要經(jīng)常更換，維護(hù)量相對(duì)較高。

當(dāng)初項(xiàng)目選用的是直接燃燒氧化測(cè)量原理的TOC，從上述可知，所選型式并不適用于含鹽量特別高的場(chǎng)合。出于對(duì)項(xiàng)目業(yè)主負(fù)責(zé)及根本解決問(wèn)題角度出發(fā)，最終，項(xiàng)目上不得不重新采購(gòu)了一臺(tái)TOC（濕法氧化-非色散紅外探測(cè)）。重新投用后，上述問(wèn)題得以解決。但顯而易見(jiàn)，此次變更涉及設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工，影響面較大，成本有所增加且整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度也有所滯后。

2）某分析儀在開(kāi)車調(diào)試階段一直無(wú)法正常工作，后發(fā)現(xiàn)是由于進(jìn)樣管線內(nèi)含水導(dǎo)致（正常工況是不含水分的）。后續(xù)不得不在預(yù)處理裝置中增加氣液分離設(shè)備，并對(duì)整個(gè)進(jìn)樣管路重新吹掃、調(diào)試、測(cè)試。

上述兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)告訴我們，不同原理的分析儀表，其適用的工況不同，價(jià)格也不同。從工藝數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，選擇合適的測(cè)量原理（方法），滿足測(cè)量要求，并能穩(wěn)定運(yùn)行，體現(xiàn)儀表選型的重要性及解決問(wèn)題方法。

2 分析小屋的設(shè)計(jì)原則

2.1 總圖位置的選擇

分析小屋的位置選擇，一般由以下幾個(gè)方面綜合考慮：

1）盡量選擇在安全區(qū)，當(dāng)不得不安裝在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所，根據(jù)《石油化工在線分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3174-2013）及《自動(dòng)分析器室設(shè)計(jì)規(guī)范》（HG/T 20516-2014）的相關(guān)規(guī)定，應(yīng)采取相應(yīng)的防爆措施。一般可接受的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的等級(jí)為2 區(qū)。

2）基于樣品的性質(zhì)和分析儀響應(yīng)時(shí)間的考慮，盡量靠近采樣點(diǎn)位置。

3）便于分析小屋吊裝、安裝。

4）遠(yuǎn)離振動(dòng)源、電磁干擾源。

5）便于小屋的分析排放。

2.2 防爆、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防爆、通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)在線分析系統(tǒng)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

只有當(dāng)分析小屋設(shè)置在安全區(qū)且小屋內(nèi)沒(méi)有可燃性介質(zhì)泄漏或積聚的場(chǎng)合，電氣設(shè)備、照明燈具等才能采用非防爆型，小屋才可采用自然通風(fēng)。

表1 分析小屋的安全聯(lián)鎖因果關(guān)系表（示例）Table 1 Analysis of the safety interlocking causation table for huts (example)

即使小屋的位置在非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，如果樣品中含有可燃性氣體或者由于某些分析儀表的客觀需要（比如FID測(cè)量原理的儀表需要H2作為燃料氣）而不得不需要可燃性氣體時(shí)，小屋應(yīng)采取防爆措施。相應(yīng)地，儀器儀表、配套的電氣設(shè)備、燈具等均需采用防爆型，小屋通風(fēng)形式可采用機(jī)械通風(fēng)。

當(dāng)小屋安裝在2 區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，由于小屋畢竟屬于密閉空間，屋內(nèi)存在可燃?xì)怏w泄漏和積聚的可能。因此，分析小屋內(nèi)是作為1 區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域定義的，小屋的通風(fēng)方式需采用正壓通風(fēng)。當(dāng)小屋采取正壓通風(fēng)的方式時(shí)，新風(fēng)的引風(fēng)口應(yīng)位于非危險(xiǎn)區(qū)域。另外，根據(jù)HG/T 20516-2014 的規(guī)范要求，正壓通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足保證屋內(nèi)外壓差不低于25Pa（小屋門、窗關(guān)閉時(shí)）；通過(guò)門、窗等開(kāi)口的風(fēng)速不低于0.3m/s（門、窗打開(kāi)時(shí)）；HVAC 的換氣次數(shù)不低于6 次/小時(shí)。上述這些措施均是為了防止屋外的可燃有毒氣體進(jìn)到屋內(nèi)，屋內(nèi)泄漏的氣體能快速稀釋并排出的目的，從而保證分析小屋內(nèi)人員和設(shè)備安全。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)階段，有的業(yè)主要求分析小屋集成商提供小屋的整體防爆證書(shū)，目前一些知名的集成商雖然能夠提供類似的解決方案并有實(shí)際的業(yè)績(jī)和案例，但整個(gè)取證過(guò)程漫長(zhǎng)，需要收集很多的資料信息而且產(chǎn)生的費(fèi)用也不可小覷，這些客觀情況需要業(yè)主和設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況在項(xiàng)目前期予以充分考慮和論證。

在正壓通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有幾點(diǎn)需要特別注意：

1）工程公司需與業(yè)主、分析儀集成商（有時(shí)也需要與HVAC 供應(yīng)商）提前溝通，討論風(fēng)管的敷設(shè)路由和相關(guān)的支撐方案，之前就在個(gè)別項(xiàng)目中發(fā)生過(guò)因?yàn)轱L(fēng)管的距離過(guò)長(zhǎng)、風(fēng)管的彎頭過(guò)多從而影響到HVAC 的效能。

2）有的分析小屋會(huì)專門設(shè)置門斗以規(guī)避當(dāng)小屋開(kāi)門時(shí)，瞬時(shí)的失壓可能導(dǎo)致的安全事故。但這樣的設(shè)計(jì)會(huì)造成分析小屋的尺寸擴(kuò)大。

3）HVAC 的換風(fēng)次數(shù)需要根據(jù)小屋內(nèi)可能泄漏的可燃性氣體的爆炸下限，該介質(zhì)在極端情況下泄漏量以及小屋的容積計(jì)算出來(lái)，在FAT、SAT、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等階段可進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證。

4）在一些現(xiàn)場(chǎng)條件比較惡劣的國(guó)家和地區(qū)，如沙塵較多的地方，通風(fēng)口配置的遮雨棚和防蟲(chóng)網(wǎng)也可進(jìn)一步做一些細(xì)節(jié)處理，優(yōu)化并完善整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3 安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

分析小屋的安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)也是整個(gè)在線分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)樗粌H保證小屋的正常運(yùn)行，同時(shí)對(duì)于確保現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全也起到了關(guān)鍵的作用。

分析小屋安全措施設(shè)置的基本原則為：

1）當(dāng)小屋在爆炸危險(xiǎn)區(qū)或測(cè)量含有易燃、易爆氣體，應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)器，建議布置在管道排放口、HVAC新鮮風(fēng)進(jìn)風(fēng)管、小屋出風(fēng)口等位置。

2）當(dāng)測(cè)量的氣體為有毒氣體，應(yīng)設(shè)置有毒氣體檢測(cè)器。

3）設(shè)置至少一個(gè)煙感探測(cè)器。

4）設(shè)置一個(gè)氧氣濃度檢測(cè)器。

5）在小屋屋外主門位置上方，設(shè)置聲光報(bào)警裝置。甚至有的項(xiàng)目要求根據(jù)不同的系統(tǒng)（如：火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)）同時(shí)在屋外和/或屋內(nèi)設(shè)置多個(gè)聲光報(bào)警裝置。

6）可設(shè)置就地手報(bào)，接入火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

7）可設(shè)置急停按鈕（帶保護(hù)罩，緊急狀況時(shí)斷電）。

主要的安全聯(lián)鎖見(jiàn)表1。

上述安全聯(lián)鎖的邏輯多由分析小屋成套的小型PLC完成，該P(yáng)LC 預(yù)留一定的接口同裝置各系統(tǒng)（FAS、SIS、DCS、GDS）實(shí)現(xiàn)硬接線連接和/或通訊。但也碰到過(guò)有業(yè)主要求小屋的安全邏輯由裝置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（涉及到HVAC 的聯(lián)鎖由HVAC 成套商的PLC 完成）的案例。

近幾年國(guó)家對(duì)于安全的要求越發(fā)嚴(yán)格，分析小屋的安全聯(lián)鎖功能可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行HAZOP 分析及LOPA定級(jí)，對(duì)于小屋成套的PLC 系統(tǒng)也可進(jìn)行必要的SIL 定級(jí)。另外，一些大型項(xiàng)目，在線分析儀管理系統(tǒng)也開(kāi)始流行，這樣可以將多臺(tái)分析儀集成在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，便于業(yè)主集中監(jiān)視、管理和維護(hù)。

3 其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在線分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的方方面面很多，除了上述主要內(nèi)容外，以下幾個(gè)事項(xiàng)也應(yīng)注意：

1）小屋的尺寸：小屋尺寸不宜過(guò)大，一般控制在6m(L)×2.5m(W)×2.7m(H)，尺寸太大的小屋其一是總圖位置不一定有；其二也不方便運(yùn)輸。當(dāng)然，一些大型項(xiàng)目中，長(zhǎng)度超過(guò)10m 的小屋也并非沒(méi)有應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。

2）分析儀尾氣的回收和排放：由于國(guó)家對(duì)于環(huán)保的要求越來(lái)越嚴(yán)格，分析儀的排放問(wèn)題也成了一個(gè)核心設(shè)計(jì)內(nèi)容。在設(shè)計(jì)前期，儀表專業(yè)需同工藝、安全等專業(yè)密切配合，詳細(xì)了解整個(gè)項(xiàng)目廢氣、廢液的工藝路線，如項(xiàng)目是否有尾氣回收系統(tǒng)、是否有焚燒爐或火炬系統(tǒng)，回收或排放的后系統(tǒng)有無(wú)背壓，然后結(jié)合分析儀排放的特性、排放出來(lái)的尾氣、廢液介質(zhì)物化數(shù)據(jù)，綜合考慮具體的回收排放方案。當(dāng)項(xiàng)目不得不采用直排的方式時(shí)，需遵守當(dāng)?shù)丨h(huán)保規(guī)范，對(duì)于排放管的位置、高度在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重。

3）分析儀標(biāo)定：對(duì)于一些劇毒介質(zhì)（比如：光氣）或者一些背景組分特別復(fù)雜的工況，分析儀的標(biāo)定往往也是項(xiàng)目的一個(gè)難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需與廠家、業(yè)主充分討論，確定具體的標(biāo)定方案。對(duì)于一些環(huán)保用分析儀表，如：煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）、非甲烷總烴（NMHC）等，某些地方的環(huán)保規(guī)范要求儀表全回路標(biāo)定，在設(shè)計(jì)階段需予以體現(xiàn)并在FAT 和SAT 時(shí)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

4）當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件：這方面無(wú)需贅言，項(xiàng)目所在地的氣象條件是決定設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展，相信在線分析系統(tǒng)將扮演越發(fā)重要的角色。因此，準(zhǔn)確、安全地設(shè)計(jì)在線分析系統(tǒng)也成為項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵之一。它的安全性、穩(wěn)定性、智能化甚至數(shù)字化的應(yīng)用，應(yīng)該成為一名工程師的最終設(shè)計(jì)目的。