在線分析系統工程設計要點探析范文

本站小編為你精心準備了在線分析系統工程設計要點探析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：在線分析系統的工程設計是以自控專業為主導，多個專業協調配合，復雜且綜合的過程設計。本文結合某些項目的經驗教訓，闡述了在線分析系統的工程設計要點，包括分析儀的選型、分析小屋的設計原則，從分析小屋總圖位置的選擇、防爆和通風設計原則、安全聯鎖等角度加以探討和論述。另外，基于幾個項目的設計經驗，強調了一些設計中的其他注意事項。

關鍵詞：在線分析系統；分析儀選型；分析小屋；正壓通風；安全聯鎖

引言

在石油、化工等行業的工藝過程控制中，除了常規的溫度、壓力、流量、液位檢測之外，在線監測介質的組分也是一個不容忽視的控制手段。相較于上述四大參數的檢測儀表，在線分析儀表的測量原理更多樣，檢測方案也更復雜，但它卻最能直接反映過程控制的成效。一些工藝路線中的組分分析，可以說對整個過程控制的安全和最終產品的質量起著不可替代的關鍵作用。在線分析系統是由采樣系統、在線分析儀及分析柜或分析小屋構成的系統，對比于分析時間長、分析結果滯后的實驗室分析，它更有利于生產裝置的實時調整。從工程設計的角度出發，結合參與過的幾個項目的實際經驗，粗淺地談一下在線分析系統在設計中的一些要點。

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）根據分析儀表的測量對象，可以分為氣體分析儀器和液體分析儀器兩個大類；2）如果按照主要的測量原理分類，分析儀可以分為：①光學分析儀；②電化學分析儀；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、熱導式氣體分析儀、射線分析儀、質譜儀等）[1]。一套在線分析系統的成功應用，離不開準確的工程設計、集成制造、運行維護。而在線分析儀正確合理的選型是工程設計階段最核心的工作。因此，在線分析系統技術規格書和分析儀數據表是最關鍵的設計文件，也是最根本的選型依據。在技術規格書中，工程公司會根據項目實際情況明確具體的技術要求，包括：執行的標準規范、氣象條件、環境條件、供貨范圍、分析小屋（柜）配管配線、文件及圖紙、FAT、SAT、性能考核、技術服務、備品備件等；分析儀數據表則定義了分析儀的測量對象、用途、測量范圍、采樣點及采樣返回點的溫度、壓力、流量、儀表的防爆等級和防護性能，規定了分析儀的性能指標包括：準確度、靈敏度、穩定性、重復性、線性范圍、響應時間等。而其中，采樣點背景組分的定性定量是整個數據表中最關鍵的參數，工藝專業在提交儀表條件時必須準確，尤其是有些裝置在正常運行和開停車階段工藝參數有較大區別時，必須針對各自不同的工況提出相應的工藝條件。之所以這樣做的原因是：在線分析儀表種類繁多，各個類型的儀表技術指標各不相同。即使是相同測量原理的儀表，在不同工況下的適應性也大不相同。分析儀較之于其他常規儀表更特殊的另一個原因，就是其自身的制造結構復雜而且特別“嬌貴”，現場惡劣的環境、復雜的工況與儀器儀表本身對于樣品的溫度、壓力、腐蝕性、水分含量、灰塵含量的品質要求必然會形成矛盾，這就對于儀表的選型、設計、安裝、調試、維護等一系列工作提出更高的要求。過去在某個項目中的經驗教訓：1）某總有機碳分析儀（TOC）在項目投運一定時間后，進樣瓶有鹽分析出結晶，導致現場運維人員需要每天清洗。通過進一步離線取樣分析后發現，樣品本身的實際含鹽量遠高于數據表中的組分濃度。眾所周知，TOC是以碳的含量表示介質中有機物的總量，常作為評價介質被有機物污染程度的一項參考指標。其主要測量方法有：直接燃燒氧化-NDIR（非分散紅外法）、紫外/過硫酸鹽催化氧化-NDIR法、濕法氧化-非色散紅外探測（二級氧化法）。各測量原理的優劣比較如下：◇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，一般應用于有機物含量較高及成分較復雜的工業廢水監測[2]。但一般它的進樣量有嚴格限制（10μL以下），取樣管線纖細易堵塞，需對樣品嚴格過濾，維護量大；樣品中的鹽和沉積物會阻塞燃燒爐，需對反應器經常清洗除垢，需要經常校正，催化劑會中毒失效等缺點。◇紫外/過硫酸鹽催化氧化-NDIR法具有靈敏度高、量程寬、響應時間快等特點，一般應用于飲用水、地表水等比較干凈的水體監測。但它存在氧化能力不足，樣品需要過濾，鹽含量高時影響氧化效果，紫外燈功率會衰減，消減反應器材質受限制，需要經常校正，維護量較高等劣勢。◇濕法氧化-非色散紅外探測（二級氧化法）以兩種型號的羥基自由基和臭氧兩級氧化及過硫酸鹽+熱消解氧化法為代表，消解效能高，高鹽高濁度樣均能消解，樣品可無需過濾和除雜，比較適合含鹽工業廢水的測量，可做到反應器自清洗和雙量程選擇。缺點是試劑消耗多，有些蠕動泵泵管需要經常更換，維護量相對較高。當初項目選用的是直接燃燒氧化測量原理的TOC，從上述可知，所選型式并不適用于含鹽量特別高的場合。出于對項目業主負責及根本解決問題角度出發，最終，項目上不得不重新采購了一臺TOC（濕法氧化-非色散紅外探測）。重新投用后，上述問題得以解決。但顯而易見，此次變更涉及設計、采購、施工，影響面較大，成本有所增加且整個項目的進度也有所滯后。2）某分析儀在開車調試階段一直無法正常工作，后發現是由于進樣管線內含水導致（正常工況是不含水分的）。后續不得不在預處理裝置中增加氣液分離設備，并對整個進樣管路重新吹掃、調試、測試。上述兩個經驗教訓告訴我們，不同原理的分析儀表，其適用的工況不同，價格也不同。從工藝數據準確性，選擇合適的測量原理（方法），滿足測量要求，并能穩定運行，體現儀表選型的重要性及解決問題方法。

2分析小屋的設計原則

2.1總圖位置的選擇

分析小屋的位置選擇，一般由以下幾個方面綜合考慮：1）盡量選擇在安全區，當不得不安裝在爆炸危險場所，根據《石油化工在線分析儀系統設計規范》（SH/T3174-2013）及《自動分析器室設計規范》（HG/T20516-2014）的相關規定，應采取相應的防爆措施。一般可接受的爆炸危險區域的等級為2區。2）基于樣品的性質和分析儀響應時間的考慮，盡量靠近采樣點位置。3）便于分析小屋吊裝、安裝。4）遠離振動源、電磁干擾源。5）便于小屋的分析排放。

2.2防爆、通風系統設計

防爆、通風系統的設計對整個在線分析系統的安全、平穩運行至關重要。只有當分析小屋設置在安全區且小屋內沒有可燃性介質泄漏或積聚的場合，電氣設備、照明燈具等才能采用非防爆型，小屋才可采用自然通風。即使小屋的位置在非爆炸危險區域，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，小屋應采取防爆措施。相應地，儀器儀表、配套的電氣設備、燈具等均需采用防爆型，小屋通風形式可采用機械通風。當小屋安裝在2區危險區域時，由于小屋畢竟屬于密閉空間，屋內存在可燃氣體泄漏和積聚的可能。因此，分析小屋內是作為1區危險區域定義的，小屋的通風方式需采用正壓通風。當小屋采取正壓通風的方式時，新風的引風口應位于非危險區域。另外，根據HG/T20516-2014的規范要求，正壓通風系統的設計應滿足保證屋內外壓差不低于25Pa（小屋門、窗關閉時）；通過門、窗等開口的風速不低于0.3m/s（門、窗打開時）；HVAC的換氣次數不低于6次/小時。上述這些措施均是為了防止屋外的可燃有毒氣體進到屋內，屋內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人員和設備安全。在實際工程設計階段，有的業主要求分析小屋集成商提供小屋的整體防爆證書，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際的業績和案例，但整個取證過程漫長，需要收集很多的資料信息而且產生的費用也不可小覷，這些客觀情況需要業主和設計人員根據實際情況在項目前期予以充分考慮和論證。在正壓通風系統設計過程中，有幾點需要特別注意：1）工程公司需與業主、分析儀集成商（有時也需要與HVAC供應商）提前溝通，討論風管的敷設路由和相關的支撐方案，之前就在個別項目中發生過因為風管的距離過長、風管的彎頭過多從而影響到HVAC的效能。2）有的分析小屋會專門設置門斗以規避當小屋開門時，瞬時的失壓可能導致的安全事故。但這樣的設計會造成分析小屋的尺寸擴大。3）HVAC的換風次數需要根據小屋內可能泄漏的可燃性氣體的爆炸下限，該介質在極端情況下泄漏量以及小屋的容積計算出來，在FAT、SAT、現場調試等階段可進一步測試驗證。4）在一些現場條件比較惡劣的國家和地區，如沙塵較多的地方，通風口配置的遮雨棚和防蟲網也可進一步做一些細節處理，優化并完善整個系統的設計。

2.3安全聯鎖設計

分析小屋的安全聯鎖設計也是整個在線分析系統設計的關鍵點，因為它不僅保證小屋的正常運行，同時對于確保現場操作人員的安全也起到了關鍵的作用。分析小屋安全措施設置的基本原則為：1）當小屋在爆炸危險區或測量含有易燃、易爆氣體，應設置可燃氣體檢測器，建議布置在管道排放口、HVAC新鮮風進風管、小屋出風口等位置。2）當測量的氣體為有毒氣體，應設置有毒氣體檢測器。3）設置至少一個煙感探測器。4）設置一個氧氣濃度檢測器。5）在小屋屋外主門位置上方，設置聲光報警裝置。甚至有的項目要求根據不同的系統（如：火災報警系統、氣體檢測系統和DCS系統）同時在屋外和/或屋內設置多個聲光報警裝置。6）可設置就地手報，接入火災報警系統。7）可設置急停按鈕（帶保護罩，緊急狀況時斷電）。主要的安全聯鎖見表1。上述安全聯鎖的邏輯多由分析小屋成套的小型PLC完成，該PLC預留一定的接口同裝置各系統（FAS、SIS、DCS、GDS）實現硬接線連接和/或通訊。但也碰到過有業主要求小屋的安全邏輯由裝置系統實現（涉及到HVAC的聯鎖由HVAC成套商的PLC完成）的案例。近幾年國家對于安全的要求越發嚴格，分析小屋的安全聯鎖功能可根據項目實際情況進行HAZOP分析及LOPA定級，對于小屋成套的PLC系統也可進行必要的SIL定級。另外，一些大型項目，在線分析儀管理系統也開始流行，這樣可以將多臺分析儀集成在同一個網絡上，便于業主集中監視、管理和維護。

3其他設計要點

在線分析系統的設計是一個系統工程，設計過程中需要考慮的方方面面很多，除了上述主要內容外，以下幾個事項也應注意：1）小屋的尺寸：小屋尺寸不宜過大，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；其二也不方便運輸。當然，一些大型項目中，長度超過10m的小屋也并非沒有應用的經驗。2）分析儀尾氣的回收和排放：由于國家對于環保的要求越來越嚴格，分析儀的排放問題也成了一個核心設計內容。在設計前期，儀表專業需同工藝、安全等專業密切配合，詳細了解整個項目廢氣、廢液的工藝路線，如項目是否有尾氣回收系統、是否有焚燒爐或火炬系統，回收或排放的后系統有無背壓，然后結合分析儀排放的特性、排放出來的尾氣、廢液介質物化數據，綜合考慮具體的回收排放方案。當項目不得不采用直排的方式時，需遵守當地環保規范，對于排放管的位置、高度在設計時應慎重。3）分析儀標定：對于一些劇毒介質（比如：光氣）或者一些背景組分特別復雜的工況，分析儀的標定往往也是項目的一個難點。在設計過程中需與廠家、業主充分討論，確定具體的標定方案。對于一些環保用分析儀表，如：煙氣在線監測系統（CEMS）、非甲烷總烴（NMHC）等，某些地方的環保規范要求儀表全回路標定，在設計階段需予以體現并在FAT和SAT時進行實際測試。4）當地的氣象條件：這方面無需贅言，項目所在地的氣象條件是決定設計方案的基礎。

4結束語

隨著技術的發展，相信在線分析系統將扮演越發重要的角色。因此，準確、安全地設計在線分析系統也成為項目成敗的關鍵之一。它的安全性、穩定性、智能化甚至數字化的應用，應該成為一名工程師的最終設計目的。

參考文獻：

[1]王森,董鎮,郭肇新,等.在線分析儀器手冊[M].北京:化學工業出版社,2008.

[2]周一鳴.在線分析系統的應用與工程設計[J].石油化工自動化,2011,47(6).

作者：費斌 單位：上海華誼工程有限公司