氫氣分析儀在加氫裝置上的應用

1、概述

熱導式分析儀器是一種結構簡單、性能穩定、價廉、技術上較為成熟的儀器。可用在氣體濃度的在線測量上，被廣泛地用于石油化工生產中，但是熱導式分析儀器對氣體的壓力波動、流量波動十分敏感，介質中水汽、顆粒等雜質對測量影響較大，如何合理設計采樣預處理系統是用好熱導式分析儀器的關鍵。

2、測量元法的選擇

熱導式分析儀器的工作原理是利用各種氣體不同的熱導系數，即具有不同的熱傳導速率來進行測量的。當被測氣體以恒定的流速流入分析儀器時，熱導池內的鉑熱電阻絲的阻值會因被測氣體的濃度變化而變化，運用惠斯頓電橋將阻值信號轉換成電信號，通過電路處理將信號放大、溫度補償、線性化，使其成為測量值。

氫氣濃度的測量一般采用熱導式氣體分析儀器、氣相色譜分析儀器等，由于氫氣的熱導系數較高，一般測量氫氣濃度的分析儀器都采用熱導原理。

混合氫中各組成分濃度及熱導系數λ0×10-5cal/(cm.s.℃)見表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

熱導系數 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，氫氣的濃度要達到83%左右，而氫氣的熱導系數λ0要明顯高于其它氣體，其它各種氣體的熱導系數較為接近。由于混合氣體的熱導系數具有疊加性質，混合氫的熱導系數幾乎由氫氣來決定，因此采用量程為70%-100%氫氣熱導式分析儀器來測量混合氫中的氫氣濃度是較為合適的。

3、采樣預處理系統的設計

3.1一般原則

由于熱導式分析儀器對流量的波動十分敏感，因此采樣預處理系統一般要考慮如下環節：

a.對樣氣降壓、穩壓措施。

b.對樣氣的除塵、分液、除濕。

c.系統的流量調節。

d.減少測量純滯后的樣氣旁路措施。

e.校驗回路的設置。

這種典型的采樣系統在石化煉油廠的加氫裝置中得到運用。從實際情況來看，一般的采集預處理系統在加氫裝置中使用較易發生堵塞、硫化氫排放超標等現象。

3.2加氫裝置中氫分儀的采樣預處理回路

根據采樣預處理系統的一般要求、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處理系統在使用中出現的問題，我們設計了圖1所示的采樣預處理系統的流程，從工藝管線引入的樣氣經減壓、除塵、除濕、脫硫、穩壓、穩流、通過流量控制器進入檢測器測量，測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

加氫裝置的循環氫壓縮機的出口壓力有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，提高預處理系統的可行性，采用2級減壓，圖中JV是高壓減壓閥，作1級減壓措施，把樣氣壓力降至0.5-0.6Mpa，JWV是過濾減壓穩壓閥，作2級減壓處理，可把樣氣壓力穩定在0.15-0.2Mpa。

(2)除塵、除水、氣液分離措施

混合氫是循環氫和重整裝置生產的新氫混合而成的，循環氫會夾帶著生產裝置中的一些顆粒、水份、少量液體，這些會引起檢測器的堵塞和影響測量精度，因此在預處理系統中考慮除塵、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過濾器FI1進行初級凈化處理，分離出水汽(或液體)并將一些較大的顆粒沉降排除。JWV過濾減壓穩壓閥是1個氣源三大件組合閥，具有過濾、減壓、氣液分離三大功能，通過JWV可以進行2級凈化處理，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，我們在3級樣氣凈化中設置了FI2、FI3脫濕過濾器，用硅膠作填充劑;FI4、FI5脫硫過濾，用SN-1型常溫脫硫劑作填充劑。

(4)減少測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量有較大純滯后，為了加快分析儀器的反應速度，我們在流程中設置了兩處旁路，一處是在旋風過濾器FI1下設置排放閥V2，將一部分樣氣排入低壓排放管。排放量可根據需要調整閥V2，一般控制排放壓力應小于0.1MPa，同時將沉積顆粒、液體通過V6排到低壓排放管線中去。另一處是在2級減壓閥JWV之后，有一路管線送至排氣泵PUM1、PUM2，經過緩沖器PU2后再通過閥V7送至低壓排放管。

(5)監視過濾器的設置

經過以上2級減壓、穩壓，3級凈化處理后，樣氣基本達到了分析儀器使用的要求，為了能實現對樣氣的凈化質量在線指標，并對樣氣作過濾，因此考慮設置監視過濾器FI6，它能有效監視前3級、凈化效果控制系統凈化精度至≤0.3μ，以及能在凈化出現問題時顯示黑色，便于及時采取措施。

(6)自立穩壓及流量控制

樣氣進入檢測器的流量須嚴格控制在300ml/min，流量的穩定直接影響著最終的測量精度，因此我們在浮子流量計前設置了自立式穩壓器Mv，通過這2級減壓、1級穩壓，樣氣達到了檢測器的穩壓要求，浮子流量計能相當平穩、準確地控制流量。

(7)尾氣排放

經檢測器使用過的尾氣能否穩定順暢排出也是影響檢測器中樣氣流量的重要因素，由此影響測量精度。尾悍的排放要求壓力穩定，一般可采用兩種方法：一是在大氣中直排;二是排入專用收集管道。因為尾氣中尚含有微量硫化氫成分，從環保角度出發不考慮直排，雖然低壓排放管線可作為尾氣排放處，但管線內壓力不穩使排放困難，因此考慮設置排氣泵PUMLPUM2。由于低壓排放管線內壓力不大于0.1Mpa，因此排氣泵設計揚程為0.15MPa，同時考慮設立2級緩沖器PU1、PU2，這樣尾氣經排氣泵培壓，再通過2級緩沖器緩沖，尾氣就能穩定排出。

(8)冗余結構

加氫裝置中混合氫的濃度測量要求在線不間斷方式，操作中可根據氫分儀的測量值的變化，隨時調整氫油比，使裝置運行處于較佳狀態。然而采樣預處理系統中脫濕過濾器和脫硫過濾器經過一段時間工作后需要換芯、清理;排氣泵經過長時間工作后也需停機檢修。我們在流程中對這3個環節采用冗余結構，通過切換閥VABF1~VABF4、VABF7我們可以使脫濕過濾器FI2、FI3和脫硫過濾器FI4、而及排氣泵PUM1、PUM2一路處于工作狀態，另一路處于備用狀態，當一路需檢修停運時，后備一路可及時切入工作狀態。

(9)調校管路的設計

分析儀器是利用零點標準氣和滿量程標準氣進行調校的，標準氣流經分析儀器時要求與被測樣氣相同的壓力和流量，用同一穩壓及流量控制器，這樣才可達到校準的相對精度。圖2中標準氣在脫濕、脫硫過濾器后插入，通過切換閥VABF5可以切斷樣氣通路引入標準氣，而切換閥VABF6可以實現70%的標準氣與100%的標準氣的切換。

(10)阻火器的設置

由于氫氣是易燃、易爆介質，因此檢測器是采用隔爆型，而在采樣預處理系統中削檢測器的管線設置阻火器Z1、Z2，因為樣氣管線中有高濃度的氫氣，當樣氣管線中混入氧氣萬一發生爆炸時，可阻止能量進入檢測器，保護分析儀器的安全。

此采樣預處理系統增加了旋風過濾器、脫硫脫濕措施、監視過濾器及尾氣排放措施，解決了同類裝置中的氫分儀在使用過程中出現的堵塞和硫化氫排放超標現象。在加氫裝置開車時，氫分儀稍作調試就投入了使用，運行相當平穩，為加氫裝置的一次開車成兩發揮了積極的作用，表明此采樣預處理系統是可行的。