丁蘭蘭

（中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來，煉油廠中高硫原油加工量的逐年增加，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的硫化氫（H2S）、二氧化硫（SO2）、硫醇、硫醚等硫化物，對企業(yè)環(huán)境的影響也日益突出。輕者發(fā)出惡臭難聞的氣味，使人感到不適；重者對人造成毒害，甚至可能發(fā)生窒息死亡事故[1]。本論文的研究背景是煉廠中的液化烴脫硫醇裝置的尾氣治理單元，尾氣中的主要成分是有機(jī)硫化物和揮發(fā)性烴類，基本不含硫化氫。該尾氣治理單元采用撫研院的“低溫柴油吸收”治理裝置進(jìn)行處理，經(jīng)過該單元處理后排出的是否為符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的氣體，則需要進(jìn)行設(shè)置用于檢測處理后的氣體中總烴類氣體濃度的分析儀表，來根據(jù)總烴類氣體濃度決定氣體是否直接外排，還是進(jìn)行再次處理。一般經(jīng)過該處理單元處理過的氣體濃度不是很高，故在線檢測處理后的尾氣中總烴含量較低，可選用FID 檢測器進(jìn)行在線測量[2]。

4020 型總烴分析儀是Teledyne 公司在原產(chǎn)品良好的基礎(chǔ)上成功開發(fā)的數(shù)字儀器，用于測量氣體樣品中總烴類濃度，采用火焰電離檢測器（FID）對不同工藝條件下的總烴進(jìn)行連續(xù)分析[3]。雖然該類分析儀的應(yīng)用范圍很廣，現(xiàn)場投用數(shù)量也很多，但是在使用過程中若是做不到具體問題具體分析，仍然會存在問題。比如，測量數(shù)據(jù)波動大，數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)與實際數(shù)據(jù)偏差較大等問題。目前，該位置的分析儀存在數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)與實際數(shù)據(jù)偏差較大的問題，不能為操作人員提供準(zhǔn)確的信息，不利于操作。故需要找出問題所在，從本質(zhì)上解決問題，才可以使儀器發(fā)揮其作用。

1 4020型總烴分析儀

4020 型總烴分析儀的標(biāo)準(zhǔn)型儀器外形是一個482mm×221mm×334mm 的機(jī)箱[3]，機(jī)箱嵌入機(jī)架內(nèi)，儀器門正面的人機(jī)界面的面板便于維護(hù)人員操作和維護(hù)，靠近LED 與VFD 顯示屏和人機(jī)界面的附近，安裝可控制氣體壓力和流量的旋鈕，將整個儀器面板拉出機(jī)架，可直觀地看到4020 型儀器內(nèi)部的電子電路和樣品系統(tǒng)。

在儀器的背面有各種進(jìn)氣口，如助燃?xì)?、燃料氣、零點(diǎn)氣、滿量程氣和樣品氣，還有50 腳的接口供用戶信號傳輸和RS－232 端口供連接遠(yuǎn)端的通信設(shè)備，根據(jù)用戶需求可將儀器設(shè)置成120VAC 60Hz 或230VAC 50/60Hz供電模式下運(yùn)行。

1.1 測量原理

4020 型分析儀采用的是氫火焰離子化檢測器（FID），其測量原理是采樣氣體通過氫火焰后產(chǎn)生大量的離子。這個離子化過程使火焰噴嘴兩端的高電壓電極產(chǎn)生一個靜電場，正負(fù)離子分別向正負(fù)電極移動，使兩個電極之間產(chǎn)生電極電流，電流的強(qiáng)度與燃燒氣體樣本中總烴的濃度是成比例的，故測出電流強(qiáng)度就相當(dāng)于測出氣體樣本中總烴的含量[3]。4020 型分析儀測量原理圖如圖1。

圖1 4020型分析儀測量原理圖Fig.1 Measurement principle diagram of 4020 analyzer

1.2 4020型總烴分析儀的總體結(jié)構(gòu)

實際應(yīng)用中一臺完整總烴分析儀由分析儀本體和預(yù)處理系統(tǒng)組成，分析儀本體又包括樣品系統(tǒng)、檢測器和電子電路部分等。預(yù)處理系統(tǒng)的作用主要是為分析儀本體提供符合其分析要求的樣品氣，分析儀本體主要是對預(yù)處理系統(tǒng)送來的樣品氣進(jìn)行檢測，分析出樣品氣中的總烴濃度。

1.2.1 樣品系統(tǒng)部分

圖2為分析儀本體中的樣品系統(tǒng)管線圖。

如圖2 所示，樣品氣從右下方SAMPLE 接口處進(jìn)入，燃料氣和助燃空氣分別從FUEL 接口處和AIR 接口處進(jìn)入；樣品氣和燃料氣在恒溫室中的T 形管接頭中混合，形成的混合氣體和助燃空氣一起進(jìn)入傳感器；之后混合氣體從傳感器組件內(nèi)的檢測器的火焰尖端中逸出，助燃空氣從組件底部的另一單獨(dú)管接頭進(jìn)入檢測器[3]。

圖2 分析儀本體中的樣品系統(tǒng)管線圖Fig.2 Pipeline diagram of the sample system in the analyzer body

燃料氣、助燃空氣和樣品氣流量控制均應(yīng)用由可調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓閥、壓力表、節(jié)流閥和流量計組成的反壓調(diào)壓系統(tǒng)保持限流器兩端有恒定的壓降，從而使樣品氣流量穩(wěn)定。由于節(jié)流閥和流量計的存在，該系統(tǒng)所需的旁路流量得到了控制，否則會造成過多的樣品氣流經(jīng)反壓調(diào)壓系統(tǒng)而浪費(fèi)。

1.2.2 檢測器

檢測器內(nèi)檢測原理已經(jīng)在測量原理部分陳述過，此處就不再此詳述，需要注意的是收集極和放大器電路板通過一根同軸電纜連接，該電纜也極有可能成為分析儀的故障點(diǎn)。

1.3 分析儀的預(yù)處理系統(tǒng)

分析儀的預(yù)處理系統(tǒng)的作用主要是根據(jù)工藝實際情況，經(jīng)過調(diào)整樣品壓力和過濾樣品中的雜質(zhì)，將樣品處理為可以使分析儀能正常工作的樣品。

采樣單元是通過防爆采樣探頭將樣品氣從管道中采出后，經(jīng)過采樣管線將樣品送入預(yù)處理系統(tǒng)。采樣單元整體和采樣管線全程均需采用一體化電加熱120℃以上高溫伴熱，防止產(chǎn)生冷凝水，并使用抗腐蝕和惰性化的材料以減少樣品吸附[4]。采樣單元帶有故障報警功能，如探頭失效報警、低溫報警、系統(tǒng)故障報警等。

機(jī)柜中的預(yù)處理系統(tǒng)的作用為避免廢氣組分冷凝、吸附；多級顆粒過濾，保證樣氣潔凈。預(yù)處理系統(tǒng)應(yīng)集成于正壓吹掃防爆機(jī)柜中[4]，預(yù)處理系統(tǒng)主要設(shè)備有球閥、過濾器、壓力計、管閥件、流量計、三通球閥、泵等，材質(zhì)一般為材質(zhì)316SS。

2 總烴分析儀在液化烴脫硫醇裝置尾氣治理上的應(yīng)用

2.1 總烴分析儀所在尾氣治理的工藝流程

液化氣脫硫醇廢氣采用“低溫柴油吸收+堿液脫硫”工藝進(jìn)行治理，在脫硫反應(yīng)器（R-3101）廢氣出口引出一根管道（DN150），將預(yù)處理后的液化氣脫硫醇廢氣送至催化裝置的廢氣收集罐。通過壓力調(diào)節(jié)閥（PV-8003），將R-3101 的壓力控制在14KPaG。當(dāng)廢氣經(jīng)氮?dú)猓∟2）稀釋后，總烴濃度超過8500mg/Nm3，聯(lián)鎖打開至3#催化裝置管線上遠(yuǎn)程開關(guān)閥（HV-8002），同時遠(yuǎn)程關(guān)閉放空開關(guān)閥（HV-8001）。如圖3 為該部分的工藝流程監(jiān)控畫面[5]。

圖3 工藝流程監(jiān)控畫面Fig.3 Process flow monitoring screen

2.2 總烴分析儀的工藝條件

從上部分可知：總烴分析儀的采樣探頭安裝在控制閥PV8003 的閥后，該處管道中的工藝介質(zhì)的各成分濃度、溫度和壓力都會影響分析儀是否可以穩(wěn)定使用，故無論是儀表選型還是實際使用過程中，都要密切關(guān)注工藝條件的狀況，表1 為工藝條件。

表1 工藝條件Table 1 Process conditions

液化氣脫硫醇在本處安裝兩臺總烴分析儀，儀表位號分別為AT-80001、AT-80002。兩臺儀器同時存在，可以用來對兩臺儀器的測量數(shù)據(jù)顯示和比對，既可以互證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，也可以便于及時發(fā)現(xiàn)其中一臺儀器數(shù)據(jù)異常后及時修理?？紤]到大氣環(huán)保，采樣分析后的廢氣不能直排大氣，需通過返回管線回到原系統(tǒng)[5]。

3 對總烴分析儀預(yù)處理系統(tǒng)的改進(jìn)

自首次安裝以來，該儀器運(yùn)行前期測量準(zhǔn)確，運(yùn)行可靠，但是后面逐漸相繼出現(xiàn)多次問題。主要問題是存在數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)與實際數(shù)據(jù)偏差較大，或者數(shù)據(jù)指示為零的狀況。期間經(jīng)過多次標(biāo)定，均不能解決指示異常的問題。測量數(shù)據(jù)為零的狀況經(jīng)過廠家判斷為檢測器被污染，經(jīng)過專業(yè)清洗后儀器恢復(fù)功能使用，但是兩臺儀器測量數(shù)據(jù)有偏差且與實際情況出入較大的情況仍然無法解決，隨對其預(yù)處理系統(tǒng)展開了分析和改進(jìn)。

3.1 預(yù)處理系統(tǒng)需要改進(jìn)的原因

安裝在該液化烴脫硫醇裝置尾氣治理中的兩臺分析儀投用不久開始出現(xiàn)故障。在使用過程中，兩臺分析儀在同一位置取樣，但是兩臺儀器的顯示面板上的數(shù)值相繼出現(xiàn)數(shù)據(jù)差距大和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，與分析中心采樣分析數(shù)據(jù)相差較大。將分析儀拆下后送廠家檢查，發(fā)現(xiàn)儀器本身沒有問題，雖然采樣單元和采樣管線都有加熱和伴熱，但是機(jī)柜中的預(yù)處理系統(tǒng)無伴熱的條件。總結(jié)下來，懷疑是預(yù)處理系統(tǒng)無加熱和伴熱，并不能避免樣品氣組分冷凝、吸附；另外樣品氣中帶水帶油，超出了該預(yù)處理系統(tǒng)的處理水平，故預(yù)處理系統(tǒng)需要改進(jìn)。

3.2 預(yù)處理系統(tǒng)的改進(jìn)

根據(jù)上述原因分析，本次預(yù)處理系統(tǒng)改進(jìn)主要針對預(yù)處理系統(tǒng)本身無伴熱的問題進(jìn)行改進(jìn)。

3.2.1 預(yù)處理系統(tǒng)改進(jìn)前

機(jī)柜中的預(yù)處理系統(tǒng)改進(jìn)前的布置圖及實物對照圖如圖4。

圖4 改進(jìn)前預(yù)處理布置圖Fig.4 Layout of pretreatment before improvement

從圖4 中很明顯看出，從取樣管線到現(xiàn)場防爆機(jī)柜后，后續(xù)就再沒有采取伴熱的措施。這樣樣品氣組分就會被冷凝、吸附下來，進(jìn)入檢測器中的樣品氣的量就會減少，繼而檢測到的數(shù)據(jù)就會不準(zhǔn)，甚至檢測器會檢測不到樣品氣。

3.2.2 預(yù)處理系統(tǒng)改進(jìn)后

機(jī)柜中的預(yù)處理系統(tǒng)改進(jìn)后的柜內(nèi)布置圖及實物對照圖如圖5。

如圖5 所示，樣品氣先后經(jīng)過沉降罐和聚結(jié)器進(jìn)行除水和多級過濾，再經(jīng)過緩沖罐和進(jìn)樣流量計進(jìn)入分析儀。相比改進(jìn)前，聚結(jié)器之后全程使用電伴熱帶加熱樣品管線，避免樣品氣冷凝、吸附在管路中，并有溫控器進(jìn)行調(diào)節(jié)電伴熱的溫度。由于樣品氣中水分較大，且?guī)倭坑椭?，相比改造前增加了沉降罐、旋風(fēng)分離器、聚結(jié)器等，經(jīng)過多級顆粒過濾，確保樣品氣潔凈，并在機(jī)柜中部增加一塊隔熱板，避免預(yù)處理箱內(nèi)溫度傳給分析儀。

圖5 改進(jìn)后預(yù)處理布置圖Fig.5 Layout of the improved preprocessing

3.3 預(yù)處理系統(tǒng)改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)對比

預(yù)處理系統(tǒng)改進(jìn)前后的分析儀分析的數(shù)據(jù)變化趨勢圖如圖6。

圖6 改進(jìn)前后分析儀分析的數(shù)據(jù)變化趨勢圖Fig.6 The data change trend diagram of analyzer analysis before and after improvement

預(yù)處理系統(tǒng)在2020 年12 月22 日進(jìn)行更換，在22日更換前兩臺儀器的示數(shù)差為1500mg/Nm3左右，更換后兩臺儀器的示數(shù)差減少至50mg/Nm3左右。改進(jìn)效果比較明顯，除此之外設(shè)備故障次數(shù)從每月5 次減少每月1 ～2次，維護(hù)量大大減少，節(jié)省了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

4 故障問題總結(jié)

總結(jié)在使用過程中發(fā)生過的各種故障，認(rèn)真分析后可以得出結(jié)論?？偀N分析儀測量精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，由于儀器電子部件比較精密，且從采樣至樣品氣返回，整個過程中的任何一步有故障都會造成儀器分析數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，或者儀器故障。簡單來講，故障出現(xiàn)時可從預(yù)處理系統(tǒng)部分和分析儀自身兩部分進(jìn)行分析，但是曾經(jīng)發(fā)生過的故障與工藝介質(zhì)、安裝方式和日常維護(hù)等方面有關(guān)，因此要重視這些方面。

4.1 分析儀儀器自身故障

當(dāng)懷疑分析儀本身運(yùn)行不正常時，可用零點(diǎn)氣或滿量程氣對儀器進(jìn)行標(biāo)定和評估。確定故障發(fā)生在儀器內(nèi)部，由于儀器機(jī)箱內(nèi)存在危險的高電壓且很多電子零部件都很容易受靜電放電而損壞，分析儀內(nèi)部的維修工作都只能由經(jīng)過培訓(xùn)的授權(quán)的人員來進(jìn)行，如檢測器、溫度控制電路、點(diǎn)火和火焰保護(hù)電路和樣品系統(tǒng)的各部分檢查[6]，各項檢查和標(biāo)定操作也可使用說明書查找。

4.2 工藝介質(zhì)的影響

在檢測過程中工藝條件發(fā)生改變，分析儀分析得到的數(shù)據(jù)會有異常甚至損壞分析儀。工藝介質(zhì)中經(jīng)常含有水、油等其他雜質(zhì)，雖然預(yù)處理系統(tǒng)中已經(jīng)有沉降罐和緩沖罐，但是雜質(zhì)嚴(yán)重情況下，會超出預(yù)處理系統(tǒng)的承受能力，不僅會影響數(shù)據(jù)分析測量，嚴(yán)重時甚至?xí)p害儀器。

4.3 日常維護(hù)的影響

日常維護(hù)過程中的工作有：①可以經(jīng)常比對兩天分析儀的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常及時對分析儀進(jìn)行維護(hù)；②檢查支持氣體和校正氣體是否已耗盡，并及時更換；③檢查儀器供電連接是否正確，電壓是否正常。

5 結(jié)束語

4020 型總烴分析儀雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，但人機(jī)交互界面比較友好，在運(yùn)行的各階段可為操作人員提供信息和提示，使用非常簡單方便。本文結(jié)合分析儀在裝置中的應(yīng)用，改進(jìn)了預(yù)處理系統(tǒng)，但對于分析儀在使用過程中的問題，需具體問題具體分析，希望可以為4020 型總烴分析儀在其他位置的故障分析處理提供解決思路和方案。