化工裝置中在線過程分析采樣系統的設計探討

何德頌

(中國五環工程有限公司,湖北 武漢 430223)

在化工裝置中，在線過程分析采樣系統用于自動取樣，并分析出試樣中特定的組分及含量。一個完整的在線過程分析采樣系統由取樣點、取樣探頭、試樣傳輸及采樣處理、分析儀、顯示裝置和通信接口等組成。設計人員應根據項目的實際情況，結合具體的執行標準和要求，評估和管理該系統各個環節的配置和性能指標，以確保最終的在線過程分析采樣系統能滿足設計需求。本文對照國內外標準規范，結合大量的工程實踐經驗，對在線過程分析采樣系統的設計進行了梳理和介紹，旨在從工程設計的角度出發，增強對在線過程分析系統的認識和理解，有助于提高工程設計者對在線過程分析采樣系統的設計選型和質量把控。

1 在線過程分析采樣系統的執行流程和分工

在線過程分析采樣系統是一個復雜的系統工程，通常需要業主、EPC總承包商、分析系統集成商和分析儀的制造商等多方參與完成。每個項目的在線過程分析采樣系統均需要獨立設計，無法進行簡單的復用，這就要求設計人員具備整合和管理工藝、儀表、電氣、安全、給排水、環保等多專業的工程知識和專業技能，并能夠與業主、分析系統集成商、分析儀制造商和施工單位等多方協同。文獻[1-2]中給出了該系統的執行流程指南，設計人員可結合相關的國內外設計標準完成具體的項目。

在國內設計院和工程公司中，該系統一般由儀表專業主導，由儀表專業接收工藝條件并編制分析儀的數據表、技術規格書，完成該系統的招標，評標，FAT，SAT和現場交付等工作。在分析儀的設計選型結束后，儀表專業應重點審查集成商的取樣探頭頻率計算、分析流路壓降計算、分析系統滯后時間計算，分析小屋(機柜)的規格尺寸、布局、配電、照明、消防、安全聯鎖邏輯、試樣排放和配套公用工程等內容，并及時與相關的工藝、管道、設備布置等專業溝通，確保最終的設計方案滿足設計要求。在線過程分析采樣系統執行流程和分工如圖1所示。

圖1 在線過程分析采樣系統的執行流程和分工示意

2 取樣點位置和取樣探頭型式

2.1 取樣點位置的選取

合適的取樣點位置和取樣探頭插入方位，是正確獲取試樣的第一步。為避免不必要的工藝過程時間滯后，取樣點的位置應選取在能實時反映工藝過程控制結果的管線處，且該取樣點的工藝介質和組分穩定、準確，并靠近固定的平臺和扶梯位置便于操作維護。當在線過程分析采樣系統的滯后時間不滿足工藝要求時，還應盡量利用工藝管線的壓差來完成快速循環系統或旁通系統的配置。同時，還需要根據所選型的分析儀的工作特性，盡可能地選取接近分析儀工作要求的溫度、壓力、濕度等工藝條件，以減少預處理系統的部件數量和復雜度。

當工藝管線為水平管道時，對于氣體介質取樣點的開孔位置應在管道的上半部，而液體介質取樣點的開孔位置則應在管道的下半部與管道的水平中心線成0～45°的夾角范圍內。當工藝管線為垂直管道時，取樣點的位置為管道的側面，如果工藝介質為液體，其在管道內的流向應為自下而上。另外，為了保證在線過程分析采樣系統的取樣點位置與實驗室分析儀的分析互不干擾，文獻[3-4]中要求兩者的取樣點位置應完全分開；而在文獻[5]中則建議在能避免同時使用時且取樣流量過低時，兩者可以共用一個取樣點。

2.2 取樣探頭型式的比較

為避免管道的壁效應帶來的影響，需要使用采樣探頭來獲取相對準確和干凈的取樣點的工藝介質。采樣探頭在結構上主要可分為固定式和可抽取式。固定式探頭是最基本的探頭結構，是化工裝置中在線分析儀最常用的采樣探頭，適用于干凈的工藝介質；可抽取式探頭適用于工藝不停車的情況下，將取樣管從工藝管道中抽取出來進行維護，適用于含有少量顆粒或黏稠的工藝介質，不推薦在高壓或有毒的工藝介質場合中使用。

結合IEC和API的相關標準給出了采樣探頭的典型結構如圖2所示。取樣探頭的前端坡口常為45°，并且在取樣探頭的法蘭或者密封接頭處做出安裝方向標識，以保證取樣探頭的前端坡口背向介質流動的方向，達到將探頭周圍的顆粒物從流體中分離出來的目的。取樣探頭可由Tube管或Pipe管制作而成，根據文獻[3-4]中的安裝建議，對于單相態過程取樣，取樣點所在的工藝管道口徑為DN50及以上。固定式探頭的采樣探頭采用尺寸規格為DN15，壁厚為SCH 160的Pipe管，法蘭尺寸為DN40；可抽取式取樣探頭常采用Tube管制作而成，常見的外徑規格為3,6,10,12 mm，等。取樣探頭的內、外徑尺寸，由取樣點的工藝介質相態、壓力等級、含塵量等決定，同時還與采樣系統的滯后時間相關。

圖2 采樣探頭的典型結構示意

2.3 取樣探頭的插入深度

在文獻[6]中要求取樣點應位于DN80及以上的管道上，文獻[7]則建議當取樣點在小于DN80的管道上安裝時可采用擴大管。取樣探頭的插入深度宜位于管道直徑的0.33～0.50倍處，文獻[4]推薦的插入管道內長度值如式(1)所示：

(1)

式中：lmin——插入管道內的最小長度，mm；lmax——插入管道內的最大長度，mm；d——工藝管道的內徑，mm。

插入工藝管道的取樣探頭還會受到流體帶來的彎曲應力和旋渦分離效應影響，在設計時應關注取樣探頭的最大允許長度。彎曲應力主要由探頭的尺寸、探頭的材料屬性、流體的流速和密度來計算，當探頭水平安裝時還會受到由探頭材料自身質量產生的彎曲應力，導致取樣探頭引流體阻力而產生向流向彎曲的效應。旋渦分離效應主要與探頭的尺寸、探頭的材料屬性和流體的流速有關，旋渦分離效應會導致取樣探頭發生共振效應。在實際的工程設計中，取樣探頭的最大允許長度由旋渦分離效應所決定，在基于一定的假設條件和考慮安全系數后，簡化的計算公式如式(2)所示：

(2)

式中：L——旋渦分離效應所限定的探頭最大允許長度，mm；do——取樣探頭的外徑，mm；di——取樣探頭的內徑，mm；v——工藝管道中介質的流速，m/s；E——取樣探頭材料的彈性模量，GPa；ρ——取樣探頭材料的密度，kg/m3；k——系數，量綱一的量，文獻[4]給出的k值取164，在文獻[3]和部分制造商資料中較為保守，k的取值為100。

在化工裝置中的取樣探頭材質若為316SS，E可取195 GPa，ρ可取7.95×103kg/m3。以材質為316SS的固定式取樣探頭為例，不同外徑和壁厚等級的取樣探頭，在不同工藝管道流速下所對應的最大允許長度如圖3所示。

圖3 固定式取樣探頭最大允許長度示意

為保證探頭的內部容積最小，L的長度應盡量小，取樣截止閥的尺寸和閥芯內徑也應保持與探頭尺寸等徑或盡量小。在實際項目中，取樣探頭可由分析儀廠家成套制作完成或由分析儀廠家購買定型的取樣探頭產品。取樣探頭尺寸規格、取樣探頭最大允許長度、取樣截止閥的安裝方式和設計范圍分工，應由設計院和分析儀集成商共同確定。

3 試樣傳輸及采樣處理

3.1 取樣管線的選擇

試樣傳輸的管線應盡可能的短，管閥件應盡量少，以減少分析采樣的滯后時間。由于Tube管內部體積小、撓性好、便于彎曲施工安裝，取樣管線常使用Tube管。對于氣體試樣，取樣管線長度常使用6 mm。液體試樣，取樣管線長度常使用10 mm 或12 mm。對于試樣傳輸的流速，氣體一般為6～15 m/s，液體一般為1.5～4.0 m/s。設計人員應要求分析系統集成商提供露點計算書，以便判斷取樣管線選取合適的伴熱方式，確保試樣在傳輸過程中不會發生冷凝。

3.2 采樣處理的組成

該分析采樣系統的采樣處理，按照位置的不同可分為前級處理單元和后級處理單元。前級處理單元緊靠取樣點之后，主要對試樣進行減壓、減溫、過濾等操作，便于傳輸試樣；后級處理單元主要調節試樣的流量、溫度、壓力，并對試樣進行過濾、干燥、除雜、流路切換和試樣排放等進一步操作。采樣處理主要由取樣管線、隔離閥、調壓閥、止回閥、安全閥、過濾器、流量儀表、壓力儀表、溫度儀表等組成。試樣的傳輸和采樣處理，目前主要采用傳統的管道式系統。為提高試樣傳輸和采樣處理的性能，降低設計、制造和安裝的成本，降低運行費用和維護費用，ISA制定了ISA/ANSI 76.00.02開放式結構標準，小型化、模塊化和智能化的產品和安裝方式正在逐步形成。典型的采樣系統組成如圖4所示。

圖4 典型的采樣系統組成示意

3.3 取樣滯后時間

分析系統的總滯后時間由過程滯后時間、取樣系統滯后時間和分析儀響應時間組成。一般情況下，取樣系統滯后時間要比分析儀器自身的響應時間大得多，在確定分析儀的類型和型號后，設計人員應重點關注從取樣點經過取樣管線和采樣處理單元傳送到分析儀的各個環節所帶來的延遲時間，即圖4中A段到D段的滯后時間。A段到D段的滯后時間可由理論計算和現場實際測試兩種方式來確定，理論計算主要由體積流量法和差壓流速圖解法兩種，在文獻[4]的附錄C中給出了試樣管線中滯后時間的圖解算法，以體積流量法為例，基本計算公式如式(3)所示：

(3)

式中：t——試樣傳輸滯后時間，min；tAB——A段到B段的傳輸滯后時間，min；tBC——B段到C段的傳輸滯后時間，min；tCD——C段到D段的傳輸滯后時間，min；VAB——A段到B段的試樣容積，L；VBC——B段到C段的試樣容積，L；VCD——C段到D段的試樣容積，L；qVAB——A段到B段的試樣體積流量，L/min；qVBC——B段到C段的試樣體積流量，L/min；qVCD——C段到D段的試樣體積流量，L/min。

在分析儀選型確定后，圖4中所示的分析儀輸入試樣的流量和壓力為定值，在C處加入快速循環回路或旁路時，可通過提高A-C段的流速來降低該段傳輸管線的傳輸時間，從而減小系統的滯后時間。

3.4 焦耳湯普森效應的影響

在對高壓氣體減壓時，減壓閥常設置在取樣點處。圖4中D處的壓力和流速常為定值，通過減壓來減少B處到D處的氣體量，從而最大程度地減小取樣系統的滯后時間。此外，還應注意焦耳-湯普森效應所引起的熱損耗，溫度變化可根據焦耳-湯姆森系數和熱力學基本關系式，計算如式(4)所示：

(4)

若已知實際氣體的狀態方程以及cp的關系式，可代入式(4)計算出調壓前后的溫度變化。實際氣體的狀態方程和熱容的計算有很多種，例如： P-R方程、范德瓦爾斯方程、PKS方程和BWRS方程等，且仍處在發展階段，不斷有新的方程被提出，可根據具體項目工藝介質的性質和允許精度選擇合適的實際氣體狀態方程來進行計算。應要求分析系統集成商提供減壓后的溫降計算書，核對是否需要對減壓器進行伴熱和保溫。減壓器的伴熱保溫可采用電伴熱帶或蒸汽伴熱的型式，或選用帶自加熱功能的減壓器。

設計人員應根據具體的工藝過程測量和控制要求，要求分析系統集成商提供分析系統的總滯后時間計算書，核對分析采樣系統集成商的取樣管線和采樣處理配置是否合理，確保能夠以最小的試樣流量來達到可接受的滯后時間。

4 分析系統的安全防護

在根據工藝介質的性質和測量要求確定好分析儀的類型后，需要根據分析儀的工作特性、現場環境條件、維修操作的要求、危險場所的分類、經濟合理性的考慮和項目合同的特殊要求等，確定分析系統的安全防護手段和措施。

分析系統的安裝方式分為分析儀在現場直接安裝、分析小棚、分析柜和分析小屋4種。分析小屋可安裝多臺分析儀，便于現場操作和維護，常用于工業色譜儀、工業質譜儀、紅外分析儀、熱導式分析儀、氧分析儀、總硫分析儀等的集中安裝和操作。在化工裝置中分析小屋常采用金屬或GRP材質，規格尺寸和布局由分析儀的類型和數量、操作維護要求和運輸條件等決定，并且應按照相關建筑物規范考慮相應的溫度控制、照明、防雷、接地、消防、配管配線、配套公用工程等。小屋需考慮最少2 m無障礙凈高并預留維護通道，方便操作和維護人員工作。國內外標準對分析小屋的規格尺寸和正壓通風的基本配置對比見表1所列。

表1 國內外標準對分析小屋的規格尺寸和正壓通風的基本配置對比

分析小屋內分析的試樣多為可燃或有毒介質，需要采用自然或強制通風設計將分析管線泄漏的危險介質稀釋到允許的安全下限，無論使用何種通風方式(自然或強制)都至少考慮5次/h的置換速度。強制通風系統在設計時還應考慮防止外部的可燃或有毒氣體進入房間，小屋內空氣壓力應保持最小正壓25 Pa。分析小屋通風系統的引風口應位于不存在可燃或有毒介質的非危險區域，引風口處還需設置遮雨帽和防蟲網。

當引風口位于爆炸危險2區時，應確保分析小屋內的電氣設備至少選用爆炸危險2區認證設備，并設置相應的安全聯鎖。當分析試樣中含有可燃氣體時，考慮到內部分析管道系統泄漏的可能，為保證分析小屋在通風系統故障時分析儀可以連續運行，建議分析儀優先選用爆炸危險1區認證設備。推薦的強制通風分析小屋的安全聯鎖見表2所列。在文獻[4]的附錄G和H給出了帶強制通風的分析小屋的聯鎖控制邏輯，設計人員可結合項目的具體要求進行配置。分析小屋內的采暖通風、空調系統、可燃/有毒氣體和電氣儀表設備的聯鎖和控制，常由安裝在分析小屋內的可編程邏輯控制器(PLC)完成。

表2 強制通風分析小屋的安全聯鎖

分析管線或通風系統可能釋放有毒氣體(或惰性氣體)的分析小屋內應設置有毒氣體(或欠氧)檢測器。當有毒氣體含量高于職業暴露極限(或缺氧)時，應在小屋室外顯眼處安裝聲光報警器并切斷相關有毒分析管線進入分析小屋內，同時可啟動備用通風來降低有毒氣體濃度。

分析后試樣的排放在設計時需要注意安全和環保問題，當試樣為可燃、有毒或有腐蝕性的介質時，應將分析后的試樣返回至工藝裝置或排放至火炬系統。

5 結束語

本文結合在線過程分析采樣系統的相關標準，從工程設計者的角度對化工裝置中分析采樣系統的取樣點位置、探頭選型、取樣管線、采樣處理和分析小屋所涉及的幾個關鍵問題和注意事項進行了介紹和建議。在線過程分析系統的設計需要關注各個環節的內容，設計人員應熟練掌握國內外各個標準和技術資料的異同點，并做出正確的判斷和分析，與分析儀制造商、分析系統集成商和業主共同協作和溝通，確保在線過程分析系統的設計達到穩定可靠、安全可控、經濟合理和技術領先。