氫氣分析儀在加氫裝置上的應(yīng)用

1、概述

熱導(dǎo)式分析儀器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)廉、技術(shù)上較為成熟的儀器。可用在氣體濃度的在線測(cè)量上，被廣泛地用于石油化工生產(chǎn)中，但是熱導(dǎo)式分析儀器對(duì)氣體的壓力波動(dòng)、流量波動(dòng)十分敏感，介質(zhì)中水汽、顆粒等雜質(zhì)對(duì)測(cè)量影響較大，如何合理設(shè)計(jì)采樣預(yù)處理系統(tǒng)是用好熱導(dǎo)式分析儀器的關(guān)鍵。

2、測(cè)量元法的選擇

熱導(dǎo)式分析儀器的工作原理是利用各種氣體不同的熱導(dǎo)系數(shù)，即具有不同的熱傳導(dǎo)速率來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。當(dāng)被測(cè)氣體以恒定的流速流入分析儀器時(shí)，熱導(dǎo)池內(nèi)的鉑熱電阻絲的阻值會(huì)因被測(cè)氣體的濃度變化而變化，運(yùn)用惠斯頓電橋?qū)⒆柚敌盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)電路處理將信號(hào)放大、溫度補(bǔ)償、線性化，使其成為測(cè)量值。

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

混合氫中各組成分濃度及熱導(dǎo)系數(shù)λ0×10-5cal/(cm.s.℃)見(jiàn)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(dǎo)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(dá)到83%左右，而氫氣的熱導(dǎo)系數(shù)λ0要明顯高于其它氣體，其它各種氣體的熱導(dǎo)系數(shù)較為接近。由于混合氣體的熱導(dǎo)系數(shù)具有疊加性質(zhì)，混合氫的熱導(dǎo)系數(shù)幾乎由氫氣來(lái)決定，因此采用量程為70%-100%氫氣熱導(dǎo)式分析儀器來(lái)測(cè)量混合氫中的氫氣濃度是較為合適的。

3、采樣預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1一般原則

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

a.對(duì)樣氣降壓、穩(wěn)壓措施。

b.對(duì)樣氣的除塵、分液、除濕。

c.系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)。

d.減少測(cè)量純滯后的樣氣旁路措施。

e.校驗(yàn)回路的設(shè)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(yùn)用。從實(shí)際情況來(lái)看，一般的采集預(yù)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(biāo)等現(xiàn)象。

3.2加氫裝置中氫分儀的采樣預(yù)處理回路

根據(jù)采樣預(yù)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(yù)處理系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖1所示的采樣預(yù)處理系統(tǒng)的流程，從工藝管線引入的樣氣經(jīng)減壓、除塵、除濕、脫硫、穩(wěn)壓、穩(wěn)流、通過(guò)流量控制器進(jìn)入檢測(cè)器測(cè)量，測(cè)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(jī)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(diǎn)，提高預(yù)處理系統(tǒng)的可行性，采用2級(jí)減壓，圖中JV是高壓減壓閥，作1級(jí)減壓措施，把樣氣壓力降至0.5-0.6Mpa，JWV是過(guò)濾減壓穩(wěn)壓閥，作2級(jí)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(chǎn)的新氫混合而成的，循環(huán)氫會(huì)夾帶著生產(chǎn)裝置中的一些顆粒、水份、少量液體，這些會(huì)引起檢測(cè)器的堵塞和影響測(cè)量精度，因此在預(yù)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(fēng)過(guò)濾器FI1進(jìn)行初級(jí)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(guò)濾減壓穩(wěn)壓閥是1個(gè)氣源三大件組合閥，具有過(guò)濾、減壓、氣液分離三大功能，通過(guò)JWV可以進(jìn)行2級(jí)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?cè)?級(jí)樣氣凈化中設(shè)置了FI2、FI3脫濕過(guò)濾器，用硅膠作填充劑;FI4、FI5脫硫過(guò)濾，用SN-1型常溫脫硫劑作填充劑。

(4)減少測(cè)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(cè)量有較大純滯后，為了加快分析儀器的反應(yīng)速度，我們?cè)诹鞒讨性O(shè)置了兩處旁路，一處是在旋風(fēng)過(guò)濾器FI1下設(shè)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(diào)整閥V2，一般控制排放壓力應(yīng)小于0.1MPa，同時(shí)將沉積顆粒、液體通過(guò)V6排到低壓排放管線中去。另一處是在2級(jí)減壓閥JWV之后，有一路管線送至排氣泵PUM1、PUM2，經(jīng)過(guò)緩沖器PU2后再通過(guò)閥V7送至低壓排放管。

(5)監(jiān)視過(guò)濾器的設(shè)置

經(jīng)過(guò)以上2級(jí)減壓、穩(wěn)壓，3級(jí)凈化處理后，樣氣基本達(dá)到了分析儀器使用的要求，為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)樣氣的凈化質(zhì)量在線指標(biāo)，并對(duì)樣氣作過(guò)濾，因此考慮設(shè)置監(jiān)視過(guò)濾器FI6，它能有效監(jiān)視前3級(jí)、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(wèn)題時(shí)顯示黑色，便于及時(shí)采取措施。

(6)自立穩(wěn)壓及流量控制

樣氣進(jìn)入檢測(cè)器的流量須嚴(yán)格控制在300ml/min，流量的穩(wěn)定直接影響著最終的測(cè)量精度，因此我們?cè)诟∽恿髁坑?jì)前設(shè)置了自立式穩(wěn)壓器Mv，通過(guò)這2級(jí)減壓、1級(jí)穩(wěn)壓，樣氣達(dá)到了檢測(cè)器的穩(wěn)壓要求，浮子流量計(jì)能相當(dāng)平穩(wěn)、準(zhǔn)確地控制流量。

(7)尾氣排放

經(jīng)檢測(cè)器使用過(guò)的尾氣能否穩(wěn)定順暢排出也是影響檢測(cè)器中樣氣流量的重要因素，由此影響測(cè)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(zhuān)用收集管道。因?yàn)槲矚庵猩泻形⒘苛蚧瘹涑煞郑瑥沫h(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(nèi)壓力不穩(wěn)使排放困難，因此考慮設(shè)置排氣泵PUMLPUM2。由于低壓排放管線內(nèi)壓力不大于0.1Mpa，因此排氣泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為0.15MPa，同時(shí)考慮設(shè)立2級(jí)緩沖器PU1、PU2，這樣尾氣經(jīng)排氣泵培壓，再通過(guò)2級(jí)緩沖器緩沖，尾氣就能穩(wěn)定排出。

(8)冗余結(jié)構(gòu)

加氫裝置中混合氫的濃度測(cè)量要求在線不間斷方式，操作中可根據(jù)氫分儀的測(cè)量值的變化，隨時(shí)調(diào)整氫油比，使裝置運(yùn)行處于較佳狀態(tài)。然而采樣預(yù)處理系統(tǒng)中脫濕過(guò)濾器和脫硫過(guò)濾器經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作后需要換芯、清理;排氣泵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作后也需停機(jī)檢修。我們?cè)诹鞒讨袑?duì)這3個(gè)環(huán)節(jié)采用冗余結(jié)構(gòu)，通過(guò)切換閥VABF1~VABF4、VABF7我們可以使脫濕過(guò)濾器FI2、FI3和脫硫過(guò)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(dāng)一路需檢修停運(yùn)時(shí)，后備一路可及時(shí)切入工作狀態(tài)。

(9)調(diào)校管路的設(shè)計(jì)

分析儀器是利用零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)氣和滿量程標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行調(diào)校的，標(biāo)準(zhǔn)氣流經(jīng)分析儀器時(shí)要求與被測(cè)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(dá)到校準(zhǔn)的相對(duì)精度。圖2中標(biāo)準(zhǔn)氣在脫濕、脫硫過(guò)濾器后插入，通過(guò)切換閥VABF5可以切斷樣氣通路引入標(biāo)準(zhǔn)氣，而切換閥VABF6可以實(shí)現(xiàn)70%的標(biāo)準(zhǔn)氣與100%的標(biāo)準(zhǔn)氣的切換。

(10)阻火器的設(shè)置

由于氫氣是易燃、易爆介質(zhì)，因此檢測(cè)器是采用隔爆型，而在采樣預(yù)處理系統(tǒng)中削檢測(cè)器的管線設(shè)置阻火器Z1、Z2，因?yàn)闃託夤芫€中有高濃度的氫氣，當(dāng)樣氣管線中混入氧氣萬(wàn)一發(fā)生爆炸時(shí)，可阻止能量進(jìn)入檢測(cè)器，保護(hù)分析儀器的安全。

此采樣預(yù)處理系統(tǒng)增加了旋風(fēng)過(guò)濾器、脫硫脫濕措施、監(jiān)視過(guò)濾器及尾氣排放措施，解決了同類(lèi)裝置中的氫分儀在使用過(guò)程中出現(xiàn)的堵塞和硫化氫排放超標(biāo)現(xiàn)象。在加氫裝置開(kāi)車(chē)時(shí)，氫分儀稍作調(diào)試就投入了使用，運(yùn)行相當(dāng)平穩(wěn)，為加氫裝置的一次開(kāi)車(chē)成兩發(fā)揮了積極的作用，表明此采樣預(yù)處理系統(tǒng)是可行的。