萬華100萬噸/年乙烯裝置項目在線分析儀的選型與應(yīng)用

周 娟，程 泱

（惠生工程（中國）有限公司 設(shè)計中心儀表室，北京 100102）

0 引言

隨著石油化工行業(yè)的不斷進步和發(fā)展，工廠的數(shù)字化、自動化、智能化水平越來越高，在線分析儀表作為數(shù)字化工廠的眼睛和大腦，是實現(xiàn)工藝先進控制、生產(chǎn)高效運行的有效手段，直接影響著工廠的經(jīng)濟效益及用戶利益。

在進行PAS（Process Analyzer System，在線分析儀系統(tǒng)）設(shè)計時，不僅需要滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，而且需要對整套裝置的控制水平、工藝流程、介質(zhì)工況等進行綜合分析，優(yōu)化系統(tǒng)配置方案，合理選擇分析儀的類型，安裝、采樣、預(yù)處理及排放回收方式。在滿足用戶生產(chǎn)要求的前提下，充分保證乙烯裝置安全、平穩(wěn)、連續(xù)、高效地運行。

圖1 在線分析儀表的構(gòu)成Fig.1 Composition of on-line analytical instruments

本文將從PAS 的系統(tǒng)設(shè)計、在線分析儀表的選型及分類等方面，介紹萬華100 萬噸/年乙烯裝置項目在線分析儀的設(shè)計理念和技術(shù)選型方案。

1 PAS系統(tǒng)設(shè)計

在線分析儀表由工藝管線、采樣單元、預(yù)處理單元、分析儀表及控制系統(tǒng)、公用工程等部分構(gòu)成[1]，對工藝介質(zhì)的特性、組分等進行實時地分析、檢測，如圖1 所示。

萬華乙烯項目PAS 系統(tǒng)由在線分析儀表、信息處理單元、通訊網(wǎng)絡(luò)、操作站、打印機等構(gòu)成。PAS 系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)（Distributed Control System）進行數(shù)據(jù)通信，通信接口冗余。色譜分析儀的信號分別以通訊的方式傳輸至DCS 和AMADAS（Analyser Maintenance Data Acquisition System，分析儀表管理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)），其它分析儀采用硬接線與DCS 系統(tǒng)連接。

對安裝環(huán)境有特殊要求（如：溫度、濕度、防塵、防爆）的過程分析儀（如：色譜分析儀、紅外分析儀、磁氧分析儀）集成地安裝在現(xiàn)場的分析小屋內(nèi)，其它分析儀（如：PH 分析儀、微量水分析儀、氧化鋯分析儀、熱值儀）安裝在現(xiàn)場的機柜內(nèi)。萬華乙烯項目，整個裝置區(qū)設(shè)有13個分析小屋。PAS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

2 在線分析儀表的分類及選型

萬華乙烯項目，整個裝置區(qū)的在線分析儀表分為三大類：

1）過程小屋分析儀表。包括：色譜分析儀、紅外分析儀、磁氧分析儀。

2）環(huán)保小屋分析儀。包括：CEMS 分析儀、NOX 分析儀、NH3分析儀、脫銷用氧分析儀。

3）水分析儀。包括：PH 分析儀、電導(dǎo)率分析儀、TOC（總有機碳）分析儀、COD 分析儀、溶解氧分析儀、硅分析儀、磷分析儀、鈉離子分析儀、水中油分析儀。

4）專用分析儀。包括：微量水分析儀、熱值密度分析儀、氧化鋯分析儀、總硫分析儀。

圖2 PAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 PAS System architecture

2.1 分析小屋的設(shè)計與布置

分析小屋是在爆炸危險場所和化學(xué)、塵埃污染場所內(nèi)所使用的由過程分析儀表及其輔助設(shè)施構(gòu)成的成套設(shè)備[2]，可以安裝一臺或多臺分析儀表，它為分析儀表提供了良好的操作和維護環(huán)境，提高了分析儀分析數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，延長了分析儀的使用壽命，降低了維護成本。

分析小屋主要包括：分析儀表、采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、伴熱系統(tǒng)（若需要）、通訊系統(tǒng)、放空/回收系統(tǒng)、公用工程系統(tǒng)、HVAC（Heating，Ventilation and Air Conditioning， 供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)）系統(tǒng)、可燃/有毒探測系統(tǒng)、分析小屋、PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)以及分析儀表所需的載氣、標(biāo)氣、驅(qū)動氣、控制氣等基本設(shè)施。分析小屋所選用元器件的防爆等級不低于Exd II CT4。

分析小屋需提供足夠的空間，便于觀察和維護分析儀表。分析小屋的尺寸（經(jīng)驗值）如下，具體需以分析小屋廠家最終的布置圖為準(zhǔn)：

長：6m（6 臺分析儀以內(nèi)），12m（7 ～10 臺分析儀）。

寬：10m 長以上考慮3m 寬，10m 寬以下考慮2.5m 寬。

高：凈高不低于2.5m。

圖3 為萬華100 萬噸/年乙烯裝置項目急冷區(qū)分析小屋平面布置示意圖。

2.2 過程小屋分析儀

圖3 分析小屋平面布置示意圖Fig.3 Analyzer house layout

色譜分析儀是最典型的小屋內(nèi)安裝分析儀。萬華100萬噸/年乙烯裝置項目選用的是氣相色譜分析儀，當(dāng)檢測介質(zhì)為液態(tài)時，通過預(yù)處理系統(tǒng)將液體介質(zhì)汽化為氣體。項目依據(jù)工藝測量介質(zhì)和測量范圍選擇使用的檢測器如下：

熱導(dǎo)檢測器（TCD，Thermal Conductivity Detector）[3]：通用型，測量范圍較廣，幾乎可以測量所有非腐蝕性成分，分析下限一般為10ppm。

氫火焰離子化檢測器（FID，F(xiàn)lame Ionization Detector）：適用于對碳氫化合物、CO、CO2進行高靈敏度的微量分析，最低檢測下限一般為1ppm。

火焰廣度檢測器（FPD，F(xiàn)lame Photometric Detector）：用于測量組分中含有H2S 的工況，測量范圍一般在1ppm ～0.1%之間。

此外，萬華乙烯項目設(shè)置15 臺紅外分析儀，分別用于燒焦氣中CO、CO2分析，急冷水塔塔頂氣相CO 分析，加氫反應(yīng)器進料CO 分析；設(shè)置4 臺磁氧分析儀，分別用于WAO 反應(yīng)器頂部氣相、排放氣鼓風(fēng)機出口、脫碳九塔尾氣氧氣含量分析。

2.3 環(huán)保小屋分析儀

萬華乙烯項目設(shè)置CEMS 分析儀6 套，用于煙氣中CO，O2，NOx 含量的測量；設(shè)置NH3分析儀6 臺，用于裂解爐中NH3監(jiān)測；設(shè)置NOx 分析儀12 臺，用于裂解爐煙氣中NOx 監(jiān)測及控制；設(shè)置脫硝用氧分析儀1 臺，用于裂解爐煙氣中氧含量監(jiān)測。

2.4 水分析儀

乙烯項目，工藝水質(zhì)污染程度高，需對水質(zhì)進行嚴(yán)格的控制。本項目選用的水分析儀為Emerson、E+H、HACH等一線主流產(chǎn)品。

pH 值是以電極電位法原理測量水樣中的酸堿度，主要監(jiān)測急冷水、中和廢水、透平凝液等。各種工況下所選用的電極可以互通互用，安裝方便。為了延長電極的使用壽命，工作溫度宜在60℃以下，工作壓力宜在4bar 以下，取樣點工藝介質(zhì)溫、壓較高的工況，需采取一定的降溫、減壓預(yù)處理措施。

電導(dǎo)率是監(jiān)測溶液的導(dǎo)電率，主要用于精制水外送、蒸汽冷凝液、鍋爐給水等介質(zhì)。

COD 是監(jiān)測水質(zhì)污染及環(huán)保外排指標(biāo)的重要參數(shù)。本項目選用COD 分析儀為E+H CA80 光學(xué)比色法，最大測量范圍40mg/L ～20000mg/L，耐溫5℃～40℃，帶過濾的Y型預(yù)處理裝置，最高耐壓4bar。

另外，本項目中設(shè)置了4 臺4 通道SiO2分析儀、2 臺4 通道磷酸根分析儀，用于鍋爐水水質(zhì)監(jiān)控；2 臺4 通道鈉離子分析儀，用于超高壓蒸汽品質(zhì)監(jiān)控；2 臺2 通道TOC分析儀，1 臺單通道TOC 分析儀，用于工藝水水質(zhì)監(jiān)控；2套水中油分析儀，用于工業(yè)廢水外排油值分析。

2.5 專用分析儀

萬華乙烯項目設(shè)有微量水分析儀4 臺，用于干燥器出口、丙烯塔回流、堿洗塔頂出口、乙烯精餾塔塔頂?shù)裙に嚱橘|(zhì)的水含量分析；設(shè)置熱值密度分析儀1 臺，用于去裂解爐燃料氣密度與低熱值分析；氧化鋯分析儀12 臺，用于裂解爐煙氣中氧含量及可燃物監(jiān)測；總硫分析儀1 臺，用于加氫裝置進料組分含量分析。

3 結(jié)束語

乙烯的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，在線分析儀表是工廠數(shù)字化、自動化、智能化必不可少的軟硬件配置。選用合適的在線分析儀表對整個生產(chǎn)過程進行實時、準(zhǔn)確、全面地監(jiān)控，對提高生產(chǎn)率、降本增效、安全運行起到了至關(guān)重要的作用。分析儀表越來越成熟的應(yīng)用，將推動中國化工業(yè)取得更大的進步。