蒸汽中微量氫氣測(cè)量的預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫繼鋒 馬 琪 潘勇宏

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

對(duì)于石油化工生產(chǎn)中的夾套式設(shè)備，無(wú)法直接發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部是否存在介質(zhì)泄漏，只能通過(guò)檢測(cè)外部介質(zhì)中是否含有內(nèi)部介質(zhì)，從而間接檢測(cè)設(shè)備有無(wú)內(nèi)部泄漏。 在水煤漿氣化裝置中，出界區(qū)中壓蒸汽的溫度和壓力都比較高，無(wú)法直接測(cè)量其氫氣含量，所以待測(cè)樣品需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行降溫、減壓、冷凝、氮?dú)庵脫Q及過(guò)濾等處理，然后再進(jìn)入分析儀來(lái)測(cè)量微量氫氣［1］。

1 預(yù)處理系統(tǒng)的基本要求

在線分析儀能否長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行，從目前來(lái)看，并不完全取決于在線分析儀本身，樣品預(yù)處理系統(tǒng)的完善程度和可靠性對(duì)在線分析儀的可靠運(yùn)行也有著一定的影響。 預(yù)處理的設(shè)計(jì)構(gòu)成要盡可能簡(jiǎn)單，滯后時(shí)間要小，故障率要低，維護(hù)量要小。 所以，預(yù)處理系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本要求：

a. 處理后的樣品滿足分析儀表的要求［2］；

b. 在線分析儀的結(jié)果準(zhǔn)確、不失真；

c. 工藝樣品的消耗量最少；

d. 能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作。

2 樣品條件及設(shè)計(jì)目的

一般來(lái)說(shuō)， 水蒸氣的溫度和壓力均比較高，對(duì)于氫分析儀來(lái)說(shuō)難以承受如此高的壓力和溫度，而對(duì)于色譜分析儀來(lái)說(shuō)，整個(gè)分析過(guò)程要保證完全的氣態(tài)，這一過(guò)程無(wú)疑是困難的，任何部分的溫度一旦降到露點(diǎn)以下，水蒸氣就會(huì)凝結(jié)成液態(tài)，對(duì)色譜分析儀就是致命性傷害［2］。對(duì)于預(yù)處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 整個(gè)預(yù)處理系統(tǒng)要保持高溫高壓，就要采用耐高溫的閥件、流量計(jì)等，這會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本直線上升，而且未必能達(dá)到理想的效果。

可見(jiàn)， 本套預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：高壓樣品如何降壓且保證傳輸無(wú)相變，高溫樣品如何降溫，冷卻后凝液中樣品如何通過(guò)氮?dú)庵脫Q。

3 設(shè)計(jì)方案

氫氣測(cè)量的目的是為了監(jiān)測(cè)裝置是否泄漏，工藝采用夾套式水蒸氣加熱［3］，正常情況下氫氣是微量甚至不可測(cè)的，那么這時(shí)就要求預(yù)處理系統(tǒng)和分析儀表具有合理性、實(shí)用性。

預(yù)處理系統(tǒng)（圖1）包含取樣探頭、傳輸管線、前處理和預(yù)處理。

因樣品溫度和壓力均比較高，所以樣品從采樣探針后就采用針閥控制樣品的流量，降壓會(huì)導(dǎo)致水蒸氣露點(diǎn)降低，且樣品傳輸過(guò)程中溫度也會(huì)隨之降低，樣品易凝結(jié)為液體，樣品液化會(huì)導(dǎo)致樣品中的氫氣含量變化， 分析儀測(cè)量結(jié)果失真，所以采樣后設(shè)置高溫蒸汽伴熱減壓閥對(duì)樣品進(jìn)行降壓，設(shè)計(jì)一體化蒸汽伴熱管纜對(duì)樣品傳輸管線進(jìn)行伴熱， 從而保證傳輸過(guò)程中樣品無(wú)相變。樣品前處理及傳輸如圖2 所示。

圖1 預(yù)處理系統(tǒng)

圖2 樣品前處理及傳輸

圖3 水冷器

樣品經(jīng)傳輸管線首先進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)的盤(pán)管式換熱器內(nèi)進(jìn)行降溫冷凝。 在本套預(yù)處理系統(tǒng)中，因樣品需一次性冷凝為水，這就意味著有效換熱面積要足夠大，然而預(yù)處理系統(tǒng)是安裝在預(yù)處理箱中的， 這也就決定了預(yù)處理系統(tǒng)的大小，為了保證足夠的換熱面積和預(yù)處理系統(tǒng)空間，采用盤(pán)管式的水冷罐冷卻（圖3），樣品從水冷罐內(nèi)部的盤(pán)管通過(guò)， 工廠循環(huán)水從底部的接口進(jìn)入，滿罐后從側(cè)面的接口返回，冷卻水與樣品形成對(duì)流，冷卻效果更加明顯，保證溫度降到露點(diǎn)以下，氣態(tài)水凝結(jié)為液態(tài)［4］。

在線色譜分析儀無(wú)法直接進(jìn)入液態(tài)水進(jìn)行測(cè)量，所以在冷卻器后設(shè)置液封罐組（圖4），采用對(duì)測(cè)量氫氣無(wú)影響的氮?dú)鈴囊悍夤藿M的底端接入，吹掃置換出凝液中的氫氣，分析儀表通過(guò)測(cè)量氮?dú)庵械臍錃猓?從而間接測(cè)量水蒸氣中的氫氣。 為了保證樣品測(cè)量的重復(fù)性，在液封罐組的氮?dú)馊肟谔幵O(shè)置一個(gè)準(zhǔn)確計(jì)量的流量計(jì)，保證吹掃氣流量恒定。 液封罐組在此處的作用不僅是盛裝冷凝液， 還起著維持樣品氣壓力恒定的作用，恒定的流速和壓力才能保證分析儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖4 液封罐組

由于氮?dú)獯祾卟粌H吹掃出氫氣，也會(huì)吹掃出一定量的水蒸氣，所以樣品管線中除氮?dú)夂蜌錃馔膺€有少量水蒸氣， 為了除掉這一部分水蒸氣，在系統(tǒng)中加入渦旋制冷罐體（圖5），樣品從風(fēng)冷罐體下側(cè)部進(jìn)入，從頂部流出，渦旋制冷管產(chǎn)生的冷流體從罐體上部進(jìn)入，與樣品形成對(duì)流，進(jìn)一步對(duì)樣品降溫達(dá)到水的露點(diǎn)以下，使少量水蒸氣凝結(jié)為液態(tài)從而從下部流出。

圖5 渦旋制冷罐

樣品經(jīng)渦旋制冷罐冷卻后進(jìn)入沉降過(guò)濾器，因?yàn)楣艿纼?nèi)的樣品帶有懸浮物、 氣泡等雜質(zhì)，所以在此處加入沉降過(guò)濾器以除去上述雜質(zhì)。 樣品首先通過(guò)沉降過(guò)濾器內(nèi)的長(zhǎng)管進(jìn)入罐底進(jìn)行沉降，然后通過(guò)沉降重力作用，將大部分較重的懸浮物和氣泡過(guò)濾除去，樣品從沉降罐上部的短管出來(lái)后進(jìn)入膜式過(guò)濾器進(jìn)行最終除水，達(dá)到分析儀表允許檢測(cè)的樣品條件。

樣品經(jīng)過(guò)該預(yù)處理系統(tǒng)處理后，在進(jìn)入儀表檢測(cè)池之前已經(jīng)完全達(dá)到了無(wú)固體、無(wú)水、無(wú)氣泡的測(cè)量要求，完全滿足在線儀表的測(cè)量要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的預(yù)處理系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中一次性開(kāi)車(chē)成功，并且能夠長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行，就分析儀表系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而言，蒸汽中微量氫氣在線檢測(cè)達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期值，能夠?yàn)閮x表長(zhǎng)期穩(wěn)定工作提供可靠的進(jìn)表樣品條件，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。