仪表工程师论文第五篇
摘要：在线分析系统的工程设计是以自控专业为主导，多个专业协调配合，复杂且综合的过程设计。本文结合某些项目的经验教训，阐述了在线分析系统的工程设计要点，包括分析仪的选型、分析小屋的设计原则，从分析小屋总图位置的选择、防爆和通风设计原则、安全联锁等角度加以探讨和论述。另外，基于几个项目的设计经验，强调了一些设计中的其他注意事项。
关键词：在线分析系统； 分析仪选型； 分析小屋； 正压通风； 安全联锁；
0 引言
在石油、化工等行业的工艺过程控制中，除了常规的温度、压力、流量、液位检测之外，在线监测介质的组分也是一个不容忽视的控制手段。相较于上述四大参数的检测仪表，在线分析仪表的测量原理更多样，检测方案也更复杂，但它却最能直接反映过程控制的成效。一些工艺路线中的组分分析，可以说对整个过程控制的安全和最终产品的质量起着不可替代的关键作用。
在线分析系统是由采样系统、在线分析仪及分析柜或分析小屋构成的系统，对比于分析时间长、分析结果滞后的实验室分析，它更有利于生产装置的实时调整。从工程设计的角度出发，结合参与过的几个项目的实际经验，粗浅地谈一下在线分析系统在设计中的一些要点。
1 在线分析仪的选型
在线分析仪表虽然种类繁多，但也可从不同的角度加以分类：1）根据分析仪表的测量对象，可以分为气体分析仪器和液体分析仪器两个大类；2）如果按照主要的测量原理分类，分析仪可以分为： （1） 光学分析仪； （2） 电化学分析仪； （3） 色谱分析仪； （4） 物性分析仪； （5） 其他分析仪（如顺磁式氧分析仪、热导式气体分析仪、射线分析仪、质谱仪等）[1].
一套在线分析系统的成功应用，离不开准确的工程设计、集成制造、运行维护。而在线分析仪正确合理的选型是工程设计阶段最核心的工作。因此，在线分析系统技术规格书和分析仪数据表是最关键的设计文件，也是最根本的选型依据。在技术规格书中，工程公司会根据项目实际情况明确具体的技术要求，包括：执行的标准规范、气象条件、环境条件、供货范围、分析小屋（柜）配管配线、文件及图纸、FAT、SAT、性能考核、技术服务、备品备件等；分析仪数据表则定义了分析仪的测量对象、用途、测量范围、采样点及采样返回点的温度、压力、流量、仪表的防爆等级和防护性能，规定了分析仪的性能指标包括：准确度、灵敏度、稳定性、重复性、线性范围、响应时间等。而其中，采样点背景组分的定性定量是整个数据表中最关键的参数，工艺专业在提交仪表条件时必须准确，尤其是有些装置在正常运行和开停车阶段工艺参数有较大区别时，必须针对各自不同的工况提出相应的工艺条件。之所以这样做的原因是：在线分析仪表种类繁多，各个类型的仪表技术指标各不相同。即使是相同测量原理的仪表，在不同工况下的适应性也大不相同。
分析仪较之于其他常规仪表更特殊的另一个原因，就是其自身的制造结构复杂而且特别“娇贵”,现场恶劣的环境、复杂的工况与仪器仪表本身对于样品的温度、压力、腐蚀性、水分含量、灰尘含量的品质要求必然会形成矛盾，这就对于仪表的选型、设计、安装、调试、维护等一系列工作提出更高的要求。
过去在某个项目中的经验教训：
1）某总有机碳分析仪（TOC）在项目投运一定时间后，进样瓶有盐分析出结晶，导致现场运维人员需要每天清洗。通过进一步离线取样分析后发现，样品本身的实际含盐量远高于数据表中的组分浓度。
众所周知，TOC是以碳的含量表示介质中有机物的总量，常作为评价介质被有机物污染程度的一项参考指标。其主要测量方法有：直接燃烧氧化-NDIR（非分散红外法）、紫外/过硫酸盐催化氧化-NDIR法、湿法氧化-非色散红外探测（二级氧化法）。各测量原理的优劣比较如下：
◇直接燃烧氧化-NDIR（非分散红外法）
具有高温燃烧、氧化完全的特点，一般应用于有机物含量较高及成分较复杂的工业废水监测[2].但一般它的进样量有严格限制（10μL以下），取样管线纤细易堵塞，需对样品严格过滤，维护量大；样品中的盐和沉积物会阻塞燃烧炉，需对反应器经常清洗除垢，需要经常校正，催化剂会中毒失效等缺点。
◇紫外/过硫酸盐催化氧化-NDIR法
具有灵敏度高、量程宽、响应时间快等特点，一般应用于饮用水、地表水等比较干净的水体监测。但它存在氧化能力不足，样品需要过滤，盐含量高时影响氧化效果，紫外灯功率会衰减，消减反应器材质受限制，需要经常校正，维护量较高等劣势。
◇湿法氧化-非色散红外探测（二级氧化法）
以两种型号的羟基自由基和臭氧两级氧化及过硫酸盐+热消解氧化法为代表，消解效能高，高盐高浊度样均能消解，样品可无需过滤和除杂，比较适合含盐工业废水的测量，可做到反应器自清洗和双量程选择。缺点是试剂消耗多，有些蠕动泵泵管需要经常更换，维护量相对较高。
当初项目选用的是直接燃烧氧化测量原理的TOC,从上述可知，所选型式并不适用于含盐量特别高的场合。出于对项目业主负责及根本解决问题角度出发，最终，项目上不得不重新采购了一台TOC（湿法氧化-非色散红外探测）。重新投用后，上述问题得以解决。但显而易见，此次变更涉及设计、采购、施工，影响面较大，成本有所增加且整个项目的进度也有所滞后。
2）某分析仪在开车调试阶段一直无法正常工作，后发现是由于进样管线内含水导致（正常工况是不含水分的）。后续不得不在预处理装置中增加气液分离设备，并对整个进样管路重新吹扫、调试、测试。
上述两个经验教训告诉我们，不同原理的分析仪表，其适用的工况不同，价格也不同。从工艺数据准确性，选择合适的测量原理（方法），满足测量要求，并能稳定运行，体现仪表选型的重要性及解决问题方法。
2 分析小屋的设计原则
2.1 总图位置的选择
分析小屋的位置选择，一般由以下几个方面综合考虑：
1）尽量选择在安全区，当不得不安装在爆炸危险场所，根据《石油化工在线分析仪系统设计规范》（SH/T 3174-2013）及《自动分析器室设计规范》（HG/T 20516-2014）的相关规定，应采取相应的防爆措施。一般可接受的爆炸危险区域的等级为2区。
2）基于样品的性质和分析仪响应时间的考虑，尽量靠近采样点位置。
3）便于分析小屋吊装、安装。
4）远离振动源、电磁干扰源。
5）便于小屋的分析排放。
2.2 防爆、通风系统设计
防爆、通风系统的设计对整个在线分析系统的安全、平稳运行至关重要。
只有当分析小屋设置在安全区且小屋内没有可燃性介质泄漏或积聚的场合，电气设备、照明灯具等才能采用非防爆型，小屋才可采用自然通风。
表1 分析小屋的安全联锁因果关系表（示例）
即使小屋的位置在非爆炸危险区域，如果样品中含有可燃性气体或者由于某些分析仪表的客观需要（比如FID测量原理的仪表需要H2作为燃料气）而不得不需要可燃性气体时，小屋应采取防爆措施。相应地，仪器仪表、配套的电气设备、灯具等均需采用防爆型，小屋通风形式可采用机械通风。
当小屋安装在2区危险区域时，由于小屋毕竟属于密闭空间，屋内存在可燃气体泄漏和积聚的可能。因此，分析小屋内是作为1区危险区域定义的，小屋的通风方式需采用正压通风。当小屋采取正压通风的方式时，新风的引风口应位于非危险区域。另外，根据HG/T 20516-2014的规范要求，正压通风系统的设计应满足保证屋内外压差不低于25Pa（小屋门、窗关闭时）；通过门、窗等开口的风速不低于0.3m/s（门、窗打开时）；HVAC的换气次数不低于6次/小时。上述这些措施均是为了防止屋外的可燃有毒气体进到屋内，屋内泄漏的气体能快速稀释并排出的目的，从而保证分析小屋内人员和设备安全。
在实际工程设计阶段，有的业主要求分析小屋集成商提供小屋的整体防爆证书，目前一些知名的集成商虽然能够提供类似的解决方案并有实际的业绩和案例，但整个取证过程漫长，需要收集很多的资料信息而且产生的费用也不可小觑，这些客观情况需要业主和设计人员根据实际情况在项目前期予以充分考虑和论证。
在正压通风系统设计过程中，有几点需要特别注意：
1）工程公司需与业主、分析仪集成商（有时也需要与HVAC供应商）提前沟通，讨论风管的敷设路由和相关的支撑方案，之前就在个别项目中发生过因为风管的距离过长、风管的弯头过多从而影响到HVAC的效能。
2）有的分析小屋会专门设置门斗以规避当小屋开门时，瞬时的失压可能导致的安全事故。但这样的设计会造成分析小屋的尺寸扩大。
3） HVAC的换风次数需要根据小屋内可能泄漏的可燃性气体的爆炸下限，该介质在极端情况下泄漏量以及小屋的容积计算出来，在FAT、SAT、现场调试等阶段可进一步测试验证。
4）在一些现场条件比较恶劣的国家和地区，如沙尘较多的地方，通风口配置的遮雨棚和防虫网也可进一步做一些细节处理，优化并完善整个系统的设计。
2.3 安全联锁设计
分析小屋的安全联锁设计也是整个在线分析系统设计的关键点，因为它不仅保证小屋的正常运行，同时对于确保现场操作人员的安全也起到了关键的作用。
分析小屋安全措施设置的基本原则为：
1）当小屋在爆炸危险区或测量含有易燃、易爆气体，应设置可燃气体检测器，建议布置在管道排放口、HVAC新鲜风进风管、小屋出风口等位置。
2）当测量的气体为有毒气体，应设置有毒气体检测器。
3）设置至少一个烟感探测器。
4）设置一个氧气浓度检测器。
5）在小屋屋外主门位置上方，设置声光报警装置。甚至有的项目要求根据不同的系统（如：火灾报警系统、气体检测系统和DCS系统）同时在屋外和/或屋内设置多个声光报警装置。
6）可设置就地手报，接入火灾报警系统。
7）可设置急停按钮（带保护罩，紧急状况时断电）。
主要的安全联锁见表1.
上述安全联锁的逻辑多由分析小屋成套的小型PLC完成，该PLC预留一定的接口同装置各系统（FAS、SIS、DCS、GDS）实现硬接线连接和/或通讯。但也碰到过有业主要求小屋的安全逻辑由装置系统实现（涉及到HVAC的联锁由HVAC成套商的PLC完成）的案例。
近几年国家对于安全的要求越发严格，分析小屋的安全联锁功能可根据项目实际情况进行HAZOP分析及LOPA定级，对于小屋成套的PLC系统也可进行必要的SIL定级。另外，一些大型项目，在线分析仪管理系统也开始流行，这样可以将多台分析仪集成在同一个网络上，便于业主集中监视、管理和维护。
3 其他设计要点
在线分析系统的设计是一个系统工程，设计过程中需要考虑的方方面面很多，除了上述主要内容外，以下几个事项也应注意：
1）小屋的尺寸：小屋尺寸不宜过大，一般控制在6m （L） ×2.5m （W） ×2.7m （H） ,尺寸太大的小屋其一是总图位置不一定有；其二也不方便运输。当然，一些大型项目中，长度超过10m的小屋也并非没有应用的经验。
2）分析仪尾气的回收和排放：由于国家对于环保的要求越来越严格，分析仪的排放问题也成了一个核心设计内容。在设计前期，仪表专业需同工艺、安全等专业密切配合，详细了解整个项目废气、废液的工艺路线，如项目是否有尾气回收系统、是否有焚烧炉或火炬系统，回收或排放的后系统有无背压，然后结合分析仪排放的特性、排放出来的尾气、废液介质物化数据，综合考虑具体的回收排放方案。当项目不得不采用直排的方式时，需遵守当地环保规范，对于排放管的位置、高度在设计时应慎重。
3）分析仪标定：对于一些剧毒介质（比如：光气）或者一些背景组分特别复杂的工况，分析仪的标定往往也是项目的一个难点。在设计过程中需与厂家、业主充分讨论，确定具体的标定方案。对于一些环保用分析仪表，如：烟气在线监测系统（CEMS）、非甲烷总烃（NMHC）等，某些地方的环保规范要求仪表全回路标定，在设计阶段需予以体现并在FAT和SAT时进行实际测试。
4）当地的气象条件：这方面无需赘言，项目所在地的气象条件是决定设计方案的基础。
4 结束语
随着技术的发展，相信在线分析系统将扮演越发重要的角色。因此，准确、安全地设计在线分析系统也成为项目成败的关键之一。它的安全性、稳定性、智能化甚至数字化的应用，应该成为一名工程师的最终设计目的。
参考文献
[1]王森， 董镇， 郭肇新， 等。在线分析仪器手册[M].北京：化学工业出版社， 2008.
[2]周一鸣。在线分析系统的应用与工程设计[J].石油化工自动化， 2011, 47 （6） .
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