水中油分析儀在換熱器泄漏中的應用

張 浩，趙 健，高 杰

（陜西延長石油集團永坪煉油廠，陜西 延安 717208）

0 引言

換熱器在石油化工行業十分常見，在生產中占有重要地位。在裝置生產運行期間，因為設備老化、介質腐蝕或使用人員操作不當，換熱器有可能發生泄漏，導致傳熱效率降低，裝置能耗大幅增加且產品質量下降；同時由于熱介質污染，循環水系統水質惡化，嚴重時可能會沖擊污水處理系統，致使循環水網癱瘓，外排水質超標，引發不可估量的危害[1]。2022年2月，某廠因換熱器泄漏導致四循串油，水體有浮油、浮渣，不但增加污水處理負擔，而且降低了整個循環水系統負載的冷換設備效率。

為了保證產品質量和換熱效能，提高換熱器的安全性、可靠性，需要對冷換設備進行快速持續地監測，實時掌握換熱器的運行狀況，進而建立一個在線監測平臺[2]。這對提高冷換設備管理水平而言意義重大。

以永坪煉油廠聯合二車間常壓裝置換熱器E-124為試點，在循環水出口增設在線水中油分析儀，將測量信號傳輸到中央控制室并設置報警上限，實時監測循環水出水油含量，以保證換熱器泄漏的情況一旦發生，能在初期就完成應急處理措施。

圖1 近紅外散射原理Fig.1 Principle of near infrared scattering

1 在線水中油分析儀的原理和優缺點

1.1 在線水中油分析儀的工作原理

在線水中油分析儀是專門為測試水中微量油濃度而設計的，在煉油化工行業污水水質監測、換熱器泄漏、冷凝器泄漏、儲罐保溫蒸汽冷凝水方面有著廣泛的應用實例。

1）紫外熒光法

目前測量水中油主要是紫外熒光的原理[3]，通過直接測量水樣的方式，檢測被測樣品中的苯環化合物，即所說的芳烴油。芳烴油具備很強的熒光性，能吸收紫外光。在光線照射時，芳烴油中的苯環分子會吸收一部分光的能量，這些能量可以使苯環分子從較低且穩定的基態轉變為相對高的激發態，形成躍遷現象，而不同的激發態有著不穩定的共同特性，苯環分子從不同激發態的不同振動能級下降至基態。這種下降通常伴隨著能量的釋放和發光現象，被稱之為光致熒光。

紫外熒光法測量水中油也存在著受其自身原理限制的局限性——只能測量苯環化合物，而在永坪煉油廠的生產工藝包括烯烴、烷烴、芳烴等，尤其在該廠成品油，例如汽油、柴油、航空煤油、常壓外送油和輕石腦油中，幾乎不含苯環化合物，所以這種測量原理并不適用于煉油廠工藝的大部分水中油測量場景。

2）近紅外散射原理

近紅外散射原理[4]主要是由發射端將一束聚焦、恒定光強的平行光垂直入射流通池的光學窗體，光穿透介質被介質內的微量懸浮顆粒、不相溶液體或氣泡散射，散射光與透射光被接收端的硅光電二極管檢測到并傳回控制器，通過計算初始光強I0與散射、透射之后的衰減光強I1、I2的比值，來確定被測量介質的濃度。其中，散射光接收器與透射光接收器成11°角，而散射光強與透射光強的比值與介質內的顆粒含量成正比關系[5]。

本次選用近紅外散射原理，無論是可溶性介質或是非可溶性介質都能通過測量光穿過分子之后的初始光強I0的能量衰減程度來計算被光穿透的介質濃度。該原理能夠準確、快速地實時測量包括汽油、柴油、航空煤油、常壓油、輕石腦油和蠟油在內的全油，可以適用于煉油廠工藝中污水處理、冷換設備泄漏等大部分水中油測量場景。

1.2 在線水中油分析儀優缺點

近年來，永坪煉油廠4套循環水系統水質較差，其水中油含量一般在0ppm～30ppm，而測量換熱器泄漏的水中油含量量程一般在0ppm～100ppm。采用近紅外散射測量原理的水中油分析儀，在中等乃至極低濁度下皆有優秀的靈敏度，在四循這種測量環境中十分適用。

采用近紅外散射測量原理的水中油分析儀散射接收端與發射接收端的夾角為11°，可以很好地排除雜光干擾，測量結果十分穩定。當被測介質顏色發生變化，或窗體被輕度污染時仍然能得到可靠數據。而且由于測量結果是根據散射光強和透射光強的比值來計算，所以零點固化，只需要在出廠時標定即可，無需定期標定。

分析儀流通池的光學窗體采用單晶藍寶石，有超強耐磨損、耐腐蝕能力，當流通池內介質流動速度在1.2m/s以上時，完全可以達到自清潔的功能。在滿足無需取樣就能實時測量的同時，基本不需要維護。在流通池前后壓差降低、裝置停工時，需要注意定期用水沖洗，否則光學表面會積聚沾污沉積物，可能會出現窗體結垢、油膜聚結的情況。

2 安裝

2.1 測量點位

由于油不能與水混合，為了保持被測介質的均勻性，需要在主線引出相對較小的旁路，以便在流通池內形成紊流。這樣當光源透過窗體穿透介質時，能夠測量相對真實的介質狀態。

理想的測量點位安裝應在換熱器E-124循環水出口閥門前取一條支線作為流通池進口，在循環水出口閥門后取一點作為流通池的出口和回流點。這樣利用出口閘閥的前后壓差，可在流通池支線上形成較大的流體壓差，保證介質充滿流通池且流動狀態良好。

2.2 現場安裝

該水中油分析儀的現場安裝包括變送器、傳感器和流通池3個部分。

1）傳感器

傳感器需要通過螺紋連接擰在流通池的預留接口上，以完成實時測量。在安裝傳感器前要檢查傳感器主體上的窗體表面是否干凈，如果不干凈要用異丙酮擦洗。安裝時要特別注意傳感器窗體的螺紋接口，確保窗體壓環里的Viton材質O型墊圈安裝到位，否則即使接口輕微泄漏也會使窗體產生冷凝水，導致測量結果不準確。

2）流通池

聯合二車間常壓裝置換熱器E-124是常重底油與循環水換熱，換熱后的循環水直接并入管網。在冷換過程中，循環水出口管線閘閥前后可形成壓差，是理想的流通池進出口位置。

E-124的循環水出水管線自上而下進入地面，在出水管線上水平段取一點作為流通池入口，在出水管線豎直段閘閥后取一點作為流通池出口，利用頂部出水速度相對較慢和水自身的重力，將循環水引入流通池，然后利用進出口壓差和水的重力勢能使水從出口匯入主管，保證了流通池內介質良好的通過性。

該分析儀的流通池接口為DN50 PN16，316L材質配對法蘭，在DN200的循環水出水管道引出一條DN050的支線，按照圖2中的安裝方式將流通池安裝在支線上。在流通池的進出口分別安裝DN50的法蘭閘閥，以便儀表發生故障時，維保人員可以將分析儀切出檢查。

3）變送器

分析儀的變送器集成在防爆箱中，根據探頭線纜的長度就近安裝在換熱器E-124的東側，方便觀測實時數據。在為變送器接線時，應當避免傳感器與變送器之間的4mA～20mA信號傳輸線放入有220V或380V電力電纜的穿線管中，防止傳輸的電流信號被干擾。

圖3 流通池與傳感器的安裝現場Fig.3 Installation site of flow cell and sensor

3 調試

在接上變送器電源之后，需要給分析儀15min～20min的時間來進行系統預熱，才能設置零點和量程。本次選用的分析儀的量程為0ppm～100ppm，DCS系統中的位號為AI-11212。

3.1 報警上限

2022年6月，對常重底油換熱器E-124的水中油分析儀AI-11212進行了為期1個月試運行測試。在試運行過程中，AI-11212的測量數據基本穩定，根據測量數據確定了正常工況下四循水中油含量的平均值和泄漏時的報警值。

表1是2022年6月水中油分析儀AI-11212的試運行日平均值記錄表。

表1 AI-11212試運行日平均值記錄表Table 1 Record of daily average values of AI-11212 trial operation

根據試運行結果可以看出，AI-11212的每日平均值在3.1ppm～6.4ppm之間波動，這表明四循的循環水油含量是基本穩定的。在試運行過程中，因為眾多換熱設備同時換熱及循環水系統加藥、檢修的影響，循環水水質有時會達到27.6ppm，這時換熱器并沒有發生泄漏，因此要為分析儀的報警信號設置一個延遲以免它對循環水系統水質發出誤報。

表3 2023年1月20日4時四套循環水中油Table 3 Oil in four sets of circulating water on January 20, 2023 at 4:00 am

將永坪煉油廠四循正常循環水含油量定在3ppm～30ppm之間，結合水質波動等因素，將該分析儀變送器端的報警上限設置為50ppm。當AI-11212測量值＞50ppm時，監盤人員在中央控制室會接到變送器端發送的報警信息。最后，鑒于試運行過程中AI-11212瞬時測量值遠超平均值的情況，在該水中油分析儀的變送器端為這個報警值設置了一個20s的延時。當“AI-11212測量值＞50ppm”這個條件持續20s以上，中央控制室才會收到報警信號。

3.2 運行記錄

在分析儀正式投入運行后，能夠對換熱器E-124的水質進行持續性監控，以此判斷換熱器是否發生泄漏。表2是水中油分析儀AI-11212正式運行后，2022年9月日平均值記錄表。

表2 2022年9月AI-11212運行日平均值記錄表Table 2 Record of daily average operating values of AI-11212 in september 2022

從記錄的AI-11212日平均值來看，該換熱器的循環水含油量在正常范圍，且沒有較大波動。以此可以判定，該換熱系統的循環水水中油處于基本穩定的狀態，換熱器沒有發生泄漏現象。

3.3 泄漏警報

2023年1月19日22時56分，中控室監測到報警信息，水中油分析儀AI-11212測量值達到94.1ppm，觸發了泄漏報警。當班人員立即前往現場查看，對常壓裝置循環水換熱系統進行了逐一排查，并對各換熱器現場取樣，將實驗室測量結果進行了比對。

該常壓裝置循環水換熱系統的循環水流程為：E-121→E-122→E-128A→E-123→E-124→四循管網，結合取樣結果分析，E-123常二線冷卻器泄漏的可能性較大。通過對E-123常二線冷卻器和E-124常底油冷卻器系統排查，發現E-123常二線冷卻器存在微量泄漏，將該換熱器納入特護管理，制定相應處理方案。

4 結語

水中油分析儀AI-11212，在對常壓裝置E-124換熱器循環水中油含量的測量過程中運行良好。它能對換熱之后的循環水水質進行持續而快捷地監測，根據測量結果判斷換熱器是否泄漏，在發生泄漏的初期發出警報。常壓裝置E-124換熱器是四套循環水系統與該套常壓裝置換熱的最后一站，循環水自該換熱器的循環水出口去往四套循環水管網，一旦發生泄漏，生產裝置操作人員能把好E-124換熱器循環水出口這最后一關，就可以避免油污對下游污水處理裝置造成沖擊，同時對整個常壓裝置的換熱器進行逐一排查漏點，以達到在泄漏初期及時發現，及時處置的最終目的。

利用分析儀監測換熱器泄漏，是永坪煉油廠一次冷換設備管理全新的嘗試。通過測量結果時刻掌握換熱器的運行狀態，切實提高換熱器等設備的可靠性，給打破設備隱患發現難、處理不及時的管理瓶頸提供了一種可能。這為冷換設備管理提供了新的現代化管理手段，可以根據數字化的信息積累總結設備運行規律，進而制定合理的設備運行周期，對新技術應用于設備管理全過程具有指導意義。