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氫氣分析儀在加氫裝置上的應用

1、概述

熱導式分析儀器是一種結構簡單、性能穩(wěn)定、價廉、技術上較為成熟的儀器?？捎迷跉怏w濃度的在線測量上，被廣泛地用于石油化工生產中，但是熱導式分析儀器對氣體的壓力波動、流量波動十分敏感，介質中水汽、顆粒等雜質對測量影響較大，如何合理設計采樣預處理系統(tǒng)是用好熱導式分析儀器的關鍵。

2、測量元法的選擇

熱導式分析儀器的工作原理是利用各種氣體不同的熱導系數(shù)，即具有不同的熱傳導速率來進行測量的。當被測氣體以恒定的流速流入分析儀器時，熱導池內的鉑熱電阻絲的阻值會因被測氣體的濃度變化而變化，運用惠斯頓電橋將阻值信號轉換成電信號，通過電路處理將信號放大、溫度補償、線性化，使其成為測量值。

氫氣濃度的測量一般采用熱導式氣體分析儀器、氣相色譜分析儀器等，由于氫氣的熱導系數(shù)較高，一般測量氫氣濃度的分析儀器都采用熱導原理。

混合氫中各組成分濃度及熱導系數(shù)λ0×10-5cal/(cm.s.℃)見表1。

表1

混合氫 H2 H2S NH3 H2O C1 C2 C3 IC4 nC4 C5+

濃度%(V) 83.96 1.57 0.001 0.14 5.76 5.79 1.99 0.29 0.29 0.172

熱導系數(shù) 41.60 3.49 5.20 0.973 7.17 3.71 3.87 3.41 3.55 2.9

從列表中可以看出混合氫中，氫氣的濃度要達到83%左右，而氫氣的熱導系數(shù)λ0要明顯高于其它氣體，其它各種氣體的熱導系數(shù)較為接近。由于混合氣體的熱導系數(shù)具有疊加性質，混合氫的熱導系數(shù)幾乎由氫氣來決定，因此采用量程為70%-100%氫氣熱導式分析儀器來測量混合氫中的氫氣濃度是較為合適的。

3、采樣預處理系統(tǒng)的設計

3.1一般原則

由于熱導式分析儀器對流量的波動十分敏感，因此采樣預處理系統(tǒng)一般要考慮如下環(huán)節(jié)：

a.對樣氣降壓、穩(wěn)壓措施。

b.對樣氣的除塵、分液、除濕。

c.系統(tǒng)的流量調節(jié)。

d.減少測量純滯后的樣氣旁路措施。

e.校驗回路的設置。

這種典型的采樣系統(tǒng)在石化煉油廠的加氫裝置中得到運用。從實際情況來看，一般的采集預處理系統(tǒng)在加氫裝置中使用較易發(fā)生堵塞、硫化氫排放超標等現(xiàn)象。

3.2加氫裝置中氫分儀的采樣預處理回路

根據(jù)采樣預處理系統(tǒng)的一般要求、加氫裝置混合氫氣所含組分中含塵、含硫化氫的特殊性及普遍的采樣預處理系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的問題，我們設計了圖1所示的采樣預處理系統(tǒng)的流程，從工藝管線引入的樣氣經減壓、除塵、除濕、脫硫、穩(wěn)壓、穩(wěn)流、通過流量控制器進入檢測器測量，測量后的尾氣排入緩沖器，由排氣泵打入低壓排放線。

(1)減壓措施

加氫裝置的循環(huán)氫壓縮機的出口壓力有9.0Mpa左右，分析儀器的取樣氣體的壓力要求在0.2Mpa左右，因此要考慮較好的減壓措施。為了減少采樣流程中的泄漏點，提高預處理系統(tǒng)的可行性，采用2級減壓，圖中JV是高壓減壓閥，作1級減壓措施，把樣氣壓力降至0.5-0.6Mpa，JWV是過濾減壓穩(wěn)壓閥，作2級減壓處理，可把樣氣壓力穩(wěn)定在0.15-0.2Mpa。

(2)除塵、除水、氣液分離措施

混合氫是循環(huán)氫和重整裝置生產的新氫混合而成的，循環(huán)氫會夾帶著生產裝置中的一些顆粒、水份、少量液體，這些會引起檢測器的堵塞和影響測量精度，因此在預處理系統(tǒng)中考慮除塵、除水、氣液分離措施是非常必要的，首先將采樣氣體引入旋風過濾器FI1進行初級凈化處理，分離出水汽(或液體)并將一些較大的顆粒沉降排除。JWV過濾減壓穩(wěn)壓閥是1個氣源三大件組合閥，具有過濾、減壓、氣液分離三大功能，通過JWV可以進行2級凈化處理，濾除較小的顆粒和少量液體。

(3)脫濕、脫硫措施

為了使采樣氣體更加干燥并除去硫化氫氣體的危害，我們在3級樣氣凈化中設置了FI2、FI3脫濕過濾器，用硅膠作填充劑;FI4、FI5脫硫過濾，用SN-1型常溫脫硫劑作填充劑。

(4)減少測量純滯后的樣氣旁路措施

由于分析儀器的取樣流量較小、流速較慢，因此一般分析儀器測量有較大純滯后，為了加快分析儀器的反應速度，我們在流程中設置了兩處旁路，一處是在旋風過濾器FI1下設置排放閥V2，將一部分樣氣排入低壓排放管。排放量可根據(jù)需要調整閥V2，一般控制排放壓力應小于0.1MPa，同時將沉積顆粒、液體通過V6排到低壓排放管線中去。另一處是在2級減壓閥JWV之后，有一路管線送至排氣泵PUM1、PUM2，經過緩沖器PU2后再通過閥V7送至低壓排放管。

(5)監(jiān)視過濾器的設置

經過以上2級減壓、穩(wěn)壓，3級凈化處理后，樣氣基本達到了分析儀器使用的要求，為了能實現(xiàn)對樣氣的凈化質量在線指標，并對樣氣作過濾，因此考慮設置監(jiān)視過濾器FI6，它能有效監(jiān)視前3級、凈化效果控制系統(tǒng)凈化精度至≤0.3μ，以及能在凈化出現(xiàn)問題時顯示黑色，便于及時采取措施。

(6)自立穩(wěn)壓及流量控制

樣氣進入檢測器的流量須嚴格控制在300ml/min，流量的穩(wěn)定直接影響著最終的測量精度，因此我們在浮子流量計前設置了自立式穩(wěn)壓器Mv，通過這2級減壓、1級穩(wěn)壓，樣氣達到了檢測器的穩(wěn)壓要求，浮子流量計能相當平穩(wěn)、準確地控制流量。

(7)尾氣排放

經檢測器使用過的尾氣能否穩(wěn)定順暢排出也是影響檢測器中樣氣流量的重要因素，由此影響測量精度。尾悍的排放要求壓力穩(wěn)定，一般可采用兩種方法：一是在大氣中直排;二是排入專用收集管道。因為尾氣中尚含有微量硫化氫成分，從環(huán)保角度出發(fā)不考慮直排，雖然低壓排放管線可作為尾氣排放處，但管線內壓力不穩(wěn)使排放困難，因此考慮設置排氣泵PUMLPUM2。由于低壓排放管線內壓力不大于0.1Mpa，因此排氣泵設計揚程為0.15MPa，同時考慮設立2級緩沖器PU1、PU2，這樣尾氣經排氣泵培壓，再通過2級緩沖器緩沖，尾氣就能穩(wěn)定排出。

(8)冗余結構

加氫裝置中混合氫的濃度測量要求在線不間斷方式，操作中可根據(jù)氫分儀的測量值的變化，隨時調整氫油比，使裝置運行處于較佳狀態(tài)。然而采樣預處理系統(tǒng)中脫濕過濾器和脫硫過濾器經過一段時間工作后需要換芯、清理;排氣泵經過長時間工作后也需停機檢修。我們在流程中對這3個環(huán)節(jié)采用冗余結構，通過切換閥VABF1~VABF4、VABF7我們可以使脫濕過濾器FI2、FI3和脫硫過濾器FI4、而及排氣泵PUM1、PUM2一路處于工作狀態(tài)，另一路處于備用狀態(tài)，當一路需檢修停運時，后備一路可及時切入工作狀態(tài)。

(9)調校管路的設計

分析儀器是利用零點標準氣和滿量程標準氣進行調校的，標準氣流經分析儀器時要求與被測樣氣相同的壓力和流量，用同一穩(wěn)壓及流量控制器，這樣才可達到校準的相對精度。圖2中標準氣在脫濕、脫硫過濾器后插入，通過切換閥VABF5可以切斷樣氣通路引入標準氣，而切換閥VABF6可以實現(xiàn)70%的標準氣與100%的標準氣的切換。

(10)阻火器的設置

由于氫氣是易燃、易爆介質，因此檢測器是采用隔爆型，而在采樣預處理系統(tǒng)中削檢測器的管線設置阻火器Z1、Z2，因為樣氣管線中有高濃度的氫氣，當樣氣管線中混入氧氣萬一發(fā)生爆炸時，可阻止能量進入檢測器，保護分析儀器的安全。

此采樣預處理系統(tǒng)增加了旋風過濾器、脫硫脫濕措施、監(jiān)視過濾器及尾氣排放措施，解決了同類裝置中的氫分儀在使用過程中出現(xiàn)的堵塞和硫化氫排放超標現(xiàn)象。在加氫裝置開車時，氫分儀稍作調試就投入了使用，運行相當平穩(wěn)，為加氫裝置的一次開車成兩發(fā)揮了積極的作用，表明此采樣預處理系統(tǒng)是可行的。