氣相色譜儀在多流路多組分氣體分析中的應(yīng)用

王瑞坤，張 皓

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

氣相色譜儀在多流路多組分氣體分析中的應(yīng)用

王瑞坤，張 皓

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

在化工生產(chǎn)裝置中，混合氣體中各組分的體積分?jǐn)?shù)是工藝監(jiān)測(cè)和安全生產(chǎn)的重要指標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)常規(guī)多流路、多組分分析儀表的比較，采用氣相色譜儀對(duì)混合氣體組分進(jìn)行測(cè)量。結(jié)合裝置特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了氣相色譜儀采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的要點(diǎn)及難點(diǎn)，并對(duì)樣氣傳輸滯后時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，對(duì)分析小屋設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)進(jìn)行了介紹，以期對(duì)類(lèi)似工程提供有益的參考。

氣相色譜儀；多流路；多組分；采樣系統(tǒng)；傳輸滯后時(shí)間

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.004

在化工生產(chǎn)裝置中，經(jīng)常需要在線分析混合氣體組分，以掌握并及時(shí)調(diào)整工藝反應(yīng)過(guò)程，保障安全生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理。對(duì)于一些高溫、高壓、復(fù)雜且危險(xiǎn)的反應(yīng)過(guò)程，如煤氣化、甲醇合成等反應(yīng)過(guò)程，往往要求對(duì)裝置中多個(gè)流路混合氣體中的多種組分進(jìn)行分析。在某項(xiàng)目甲醇合成裝置中，工藝要求測(cè)量四個(gè)流路中CO、CO2、H2三種組分的含量。各流路樣氣組分見(jiàn)表1，其中：CO體積分?jǐn)?shù)為1%～30%，CO2體積分?jǐn)?shù)為2%～10%，H2體積分?jǐn)?shù)為60%～90%。

表1　各流路組分含量

自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范［1］針對(duì)多流路多組分的含量分析有下列規(guī)定：“當(dāng)需要分析混合氣中多流路多組分的含量時(shí)，宜選用工業(yè)氣相色譜儀；需要響應(yīng)速度快時(shí)，宜選用工業(yè)質(zhì)譜儀。其體積分?jǐn)?shù)范圍可從10-6級(jí)到100%。”該裝置被測(cè)氣體的組分范圍在規(guī)范適用的范圍內(nèi)，考慮選用色譜儀或質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。

1　色譜儀原理及選型

色譜儀利用先分離、后檢測(cè)的原理進(jìn)行工作［2］。樣氣通過(guò)色譜柱時(shí)，被色譜柱內(nèi)填充劑所吸附、脫吸、溶解、解析，由于氣體分子種類(lèi)、化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，在填充劑上的吸附能力、溶解能力不同，被填充劑吸收或吸附的程度也不同，因而通過(guò)色譜柱的速度產(chǎn)生差異，經(jīng)過(guò)一定的色譜柱長(zhǎng)后，樣氣中各種組分被先后分離出來(lái)，按順序從色譜柱末端流出后進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)器把分離后的各個(gè)組分的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，可得到混合物的組成和濃度。因此，色譜儀可定量分析氣體組分，分析周期為3～5 min。色譜儀因分析準(zhǔn)確和分析數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性，在生產(chǎn)中起著優(yōu)化控制、控制產(chǎn)品質(zhì)量等重要作用。

和質(zhì)譜儀相比，色譜儀具有分析精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)［3］，雖然分析周期較長(zhǎng)，但考慮到裝置反應(yīng)氣成分比較穩(wěn)定，3～5min的分析周期在工藝生產(chǎn)可接受的范圍內(nèi)，故該工程采用1臺(tái)氣相色譜儀對(duì)4個(gè)流路3種組分進(jìn)行測(cè)量。

本裝置氣相色譜儀為ABB PGC5000，以氮?dú)鉃檩d氣，TCD恒溫鎢錸熱絲熱導(dǎo)檢測(cè)器，色譜柱采用高分子填充柱。在色譜儀控制器面板上可通過(guò)鍵盤(pán)和LCD顯示窗，進(jìn)行菜單操作，用戶可容易地修改或編輯分析參數(shù)；顯示和存儲(chǔ)色譜圖、測(cè)量結(jié)果及分析參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸采用模擬并行傳輸方式，為4個(gè)流路（每流路3組分）共配置12根信號(hào)電纜，以確保被測(cè)介質(zhì)體積信號(hào)的可靠傳輸。同時(shí)預(yù)留與控制室DCS通訊的RS485標(biāo)準(zhǔn)串行接口。

氣相色譜儀要求樣氣壓力在0.01～0.5 MPa，溫度≤150℃，無(wú)腐蝕性氣體，無(wú)油脂及固體顆粒，本裝置樣氣壓力高達(dá)8 MPa，需配置采樣系統(tǒng)對(duì)樣氣減壓、減溫及除塵處理。色譜儀是成熟產(chǎn)品，能否可靠安全工作，主要取決于采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞。

2　采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采樣系統(tǒng)是氣相色譜儀應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它對(duì)色譜儀正常工作與否起決定作用。該裝置4個(gè)取樣點(diǎn)相對(duì)分散，流路1距分析小屋最遠(yuǎn)，約42.5m，規(guī)范要求樣氣傳輸滯后時(shí)間不宜超過(guò)60 s。樣氣進(jìn)色譜儀流量為30 L/h，忽略降壓對(duì)樣氣的影響，流路1樣氣通過(guò)42.5m，φ6×1不銹鋼管所需時(shí)間用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正后約為90 s，遠(yuǎn)不能滿足滯后時(shí)間要求，必須采用快速回路以減少傳輸滯后。

快速回路有快速循環(huán)回路和快速旁通回路兩種。快速循環(huán)回路利用工藝管線壓差，在其上、下游之間并聯(lián)一條管線，形成快速循環(huán)回路，樣氣從并聯(lián)管線上取出?？焖倥酝ɑ芈?，樣氣從工藝管線取出，直接送至分析儀，在進(jìn)入分析儀前旁引出一條支路，返回工藝裝置或火炬系統(tǒng)?；どa(chǎn)裝置一般采用旁通回路，旁路排至火炬。

本裝置采樣系統(tǒng)由采樣探頭、前級(jí)預(yù)處理、后級(jí)預(yù)處理系統(tǒng)組成。其中前級(jí)預(yù)處理位于取樣探頭附近，后級(jí)預(yù)處理安裝于分析小屋外側(cè)。前、后級(jí)預(yù)處理箱采用304SS，管線、閥門(mén)及管件采用316LSS或316SS材質(zhì)。采樣流程見(jiàn)圖1。

圖1　色譜儀采樣流程

2.1 采樣探頭

采樣探頭采用插入式安裝，通過(guò)法蘭球閥插入工藝管道內(nèi)部進(jìn)行取樣。因流路2操作溫度高達(dá)210℃，且含有少量水分，采用風(fēng)冷型探頭，其他流路采用常溫探頭。風(fēng)冷型探頭采用旋風(fēng)制冷器制冷，并除去樣氣中水分，樣氣中冷凝析出的水分在重力作用下重新流回到工藝管道內(nèi)，從而在采樣處實(shí)現(xiàn)降溫、脫水的目的。

連通域指的是圖像被二值化之后的若干像素的集合，假設(shè)前景像素為1，背景像素為0的前提下，連通域具有以下兩個(gè)屬性：一是只有前景像素的集合，二是在同一個(gè)連通域中的兩個(gè)像素間總能找到一條路徑由這個(gè)集合中的像素組成，也就是說(shuō)像素之間兩兩互通。連通域算法在數(shù)字圖像處理中進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)識(shí)別、多目標(biāo)分割等方面都有應(yīng)用，在這里進(jìn)行顆粒狀農(nóng)產(chǎn)品的分選也可以采用連通域算法，先將灰度圖像采用閾值分割得到二值圖像，這個(gè)二值圖像中包含了對(duì)圖像分割后的多個(gè)連通域，然后采用連通域算法給出其屬性，進(jìn)而對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤以及判斷[7]。在這里采用種子填充法實(shí)現(xiàn)。

2.2預(yù)處理系統(tǒng)

裝置區(qū)前級(jí)預(yù)處理主要用于樣氣的初級(jí)減壓、過(guò)濾、脫水，以減少分析滯后，降低后期預(yù)處理負(fù)荷。前級(jí)減壓站安裝在前級(jí)預(yù)處理箱內(nèi)，布置在靠近取樣點(diǎn)處。樣氣經(jīng)針形閥、過(guò)濾器、減壓閥等進(jìn)行過(guò)濾、降壓，過(guò)濾精度7μm，完成對(duì)氣體的減壓、除水，輸出壓力＜0.3 MPa（a），其壓力可通過(guò)就地壓力表指示，處理后的樣氣送至后級(jí)預(yù)處理。

后級(jí)預(yù)處理用于樣氣的精細(xì)處理，完成樣氣的穩(wěn)壓、穩(wěn)流、脫水等功能。后級(jí)預(yù)處理安裝在靠近分析小屋的預(yù)處理箱內(nèi)。經(jīng)前級(jí)減壓后的樣氣，經(jīng)過(guò)三通過(guò)濾器過(guò)濾分流取樣，樣氣經(jīng)控制器控制的氣動(dòng)三通球閥，和其他流路樣氣切換，切換后的樣氣由載氣運(yùn)載進(jìn)入色譜儀；取樣后多余氣體經(jīng)止回閥由加壓泵排入火炬總管。

在預(yù)處理系統(tǒng)中，需要提供低壓蒸汽進(jìn)行伴熱，防止CO2氣體在減壓時(shí)因吸收熱量冷凝，影響組分分析及阻塞管路。經(jīng)過(guò)上述處理對(duì)樣氣進(jìn)行降壓力、凈化、干燥，減少了分析的干擾因素，提高了分析質(zhì)量。

2.3樣氣傳輸滯后時(shí)間計(jì)算

一般采用體積流量法來(lái)計(jì)算樣氣傳輸時(shí)間［4］，因減壓閥、過(guò)濾器容積較小，對(duì)滯后時(shí)間的影響可忽略。用經(jīng)驗(yàn)值修正后的計(jì)算公式如下：

式中：Tt為樣氣傳送滯后時(shí)間；1.2～1.5為體積修正經(jīng)驗(yàn)值；V1、F1+F2為AB段樣氣體積、流速；V2、F2為BC段樣氣體積、流速；F1為快速旁通回路流量，240 L/h；F2為色譜儀進(jìn)氣流量，30 L/h。

本裝置樣氣傳輸系統(tǒng)管線為φ6×1不銹鋼管，以下計(jì)算以流路1為例。已知：L1為取樣探頭至減壓閥連接管線，長(zhǎng)2m；L2為減壓閥至旁通過(guò)濾器連接管線，長(zhǎng)38m；L3為旁通過(guò)濾器至色譜儀連接管線，長(zhǎng)2.5m。

L1段容積（減壓減溫前容積）：

L2、L3段樣氣體積經(jīng)計(jì)算，依次為：0.477 L、0.031 L。

因L1段樣氣操作壓力及溫度8MPa（a）、103℃，后經(jīng)減壓減溫后為0.3 MPa（a），30℃，需經(jīng)氣體狀態(tài)方程修正，計(jì)算公式為：

式中：V1、p1、T1為減壓減溫前的體積、壓力、溫度；V2、p2、T2為減壓減溫后的體積、壓力、溫度；L1段減壓減溫后等效的樣氣體積：

AB段樣氣體積為L(zhǎng)1段等效體積和L2段體積之和，BC段樣氣體積為L(zhǎng)3段體積。將L1等效體積0.83 L、L2段0.477 L、L3段0.031L及F1=240 L/h、F2=30 L/h，代入公式（1）得到：

從上述計(jì)算可以看出，減壓前經(jīng)修正的樣氣體積0.83 L，比減壓后38m傳輸段的容積0.477 L還大。該工況L1段距離縮短1 m，可減少滯后時(shí)間8 s。為減小滯后時(shí)間，應(yīng)盡量縮短取樣點(diǎn)至前級(jí)預(yù)處理的距離。

在色譜儀采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)關(guān)注以下3個(gè)方面的問(wèn)題：①取樣探頭的形式應(yīng)滿足樣氣溫度壓力的要求，必要時(shí)采用降溫措施；②對(duì)多流路切換單元，應(yīng)采用必要流路切換處理措施，確保被選擇的流路樣氣不被滯留樣氣和其他流路樣氣污染；③應(yīng)對(duì)樣氣傳輸滯后時(shí)間進(jìn)行核算，確保滿足規(guī)范要求的不超過(guò)60 s的時(shí)間要求。若傳輸管線較長(zhǎng)，應(yīng)采取必要的快速回路以縮短傳輸滯后，并使取樣點(diǎn)至前級(jí)減壓閥的距離最短。

3　分析小屋安全措施

氣相色譜儀的工作環(huán)境要求為5～35℃，相對(duì)濕度≤80%［5］，一般要求安裝在密封性較好的分析小屋內(nèi)。本裝置小屋采用全封閉的碳鋼噴涂結(jié)構(gòu)，頂部安裝板向兩側(cè)傾斜的防水結(jié)構(gòu)，墻和屋頂填充阻燃型無(wú)毒保溫材料，門(mén)上設(shè)置安全視窗。該裝置分析小屋布置在2區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所且色譜儀分析樣氣中含可燃及有毒氣體，應(yīng)采取一定的安全措施。

小屋的安全措施主要從可燃、有毒氣體檢測(cè)和正壓通風(fēng)管路壓力保護(hù)兩個(gè)方面考慮。

色譜儀的4流路均含有可燃?xì)怏wH2、CH3OH，含有有毒氣體CO，為防止氣體泄漏造成人身傷害，分析小屋內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器（H2、CH3OH）各1臺(tái)；毒性氣體檢測(cè)報(bào)警器（CO）1臺(tái)；在分析小屋室內(nèi)外各設(shè)置1個(gè)防爆閃光報(bào)警器。可燃、毒性氣體檢測(cè)器采用一體式帶現(xiàn)場(chǎng)顯示。設(shè)置可編程序控制器（PLC）用于安全聯(lián)鎖。氣體檢測(cè)器接點(diǎn)輸出：上限接點(diǎn)經(jīng)PLC接至內(nèi)外閃光報(bào)警器，同時(shí)送至DCS系統(tǒng)；上上限接點(diǎn)去PLC進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯控制，啟動(dòng)排風(fēng)扇。

因分析小屋采用正壓通風(fēng)防爆方式，為保證安全，在通風(fēng)管線上安裝壓力控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)切斷色譜儀電源的聯(lián)鎖。即一旦正壓通風(fēng)壓力低，PLC聯(lián)鎖切斷色譜儀電源，觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警提示，并輸出干接點(diǎn)報(bào)警信號(hào)至DCS系統(tǒng)。

對(duì)于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的分析小屋，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮必要的保護(hù)措施，應(yīng)根據(jù)組分特點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)的氣體檢測(cè)器，并且氣體檢測(cè)器和正壓系統(tǒng)聯(lián)鎖應(yīng)由安裝在分析小屋內(nèi)的PLC實(shí)現(xiàn)，小屋內(nèi)外應(yīng)設(shè)置閃光報(bào)警燈，當(dāng)小屋環(huán)境異常時(shí)，提醒操作人員注意。

4　結(jié)語(yǔ)

氣相色譜儀已廣泛應(yīng)用于分析多流路、多組分反應(yīng)氣含量，其運(yùn)行穩(wěn)定，起到了工藝控制眼睛的作用，對(duì)提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降低能耗、保證安全生產(chǎn)具有十分重要的作用。本文在結(jié)合裝置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了色譜儀采樣系統(tǒng)和分析小屋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)，該設(shè)計(jì)方法已成熟運(yùn)用于生產(chǎn)，并取得了良好的效果。

［1］中國(guó)寰球工程有限公司，中國(guó)五環(huán)工程有限公司.HG/T 20507—2014，自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］王森.在線分析儀器手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］薛東勝.氣相色譜儀和質(zhì)譜儀的應(yīng)用［J］.石油化工自動(dòng)化，2008（4）：55-57.

［4］SH/T 3174—2013，石油化工在線分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］郭冰.氣相色譜儀及其應(yīng)用［J］.石油化工自動(dòng)化，2007，43（5）：88-90.

修改稿日期：2016-03-22

Application of Gas Chromatography in the Analysis of M ulti-Flow Path and M ulti-com ponent Gas

WANG Rui-kun，ZHANG Hao
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

In the chemical production equipment，the volume proportion of each component in the compound gas is an important index for the processmonitoring and safety production.Through the comparison of the conventionalmulti-flow path and multi-component analysis instruments，the gas chromatography is used tomeasure the composition of the compound gas.According to the characteristics of the device，this papermakesa detailed explanation of the essentials and difficulties in the designing process of the sampling system of gas chromatograph，calculates the lag time of the sample gas transmission，and introduces the key points for attention in analyzing the cabin design，in the hope of providing the beneficial reference to the similar projects.

gas chromatograph；multi-flow path；multi-component；sampling system；transmission lag time

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.004

O657.71

A

1004-8901（2016）04-0012-04

王瑞坤（1980年—），女，河南南陽(yáng)人，2007年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)，碩士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事石油化工自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作。