空分装置中在线分析仪表的设计选型
北京石油化工工程有限公司西安分公司 陕西省西安市 710075
摘 要：本文介绍了15000Nm
3 /h空分装置，在线分析仪表的设计选型情况。着重介绍了空分装置中所用在线分析仪表的工作原理、分析系统的构成以及分析仪表与DCS系统的数据传输。
关键词：在线分析仪表；分析小屋；GDS；DCS
1.项目概述
为满足某锂离子电池材料产业化先进智能制造项目的用气需求，某建设单位新建一套深冷制氧空分装置和一套液体贮存后备系统。装置采用深冷制氧工艺，利用液化空气中各组分沸点的不同，而将各组分分离出来。项目采用国产工艺包，制氧能力为15000Nm
3 /h。空分装置最终为下游用户提供氧气和氮气，用于锂离子电池材料的生产，同时，另外生产的液氧、液氮和液氩作为产品外销。
2.在线分析仪表在空分装置中的设计
空分装置在运行的过程中，应在流程的各个阶段配置在线分析仪表，对管道内的介质进行实时在线分析测定，指导工艺人员操作，调整空分装置使其产生合格的产品。此外，在线分析仪表对空分装置的安全运行也提供了保证，尤其是主冷液氧中碳烃化合物成分的检测，是防止空分装置爆炸的重要环节。
此工程在线分析系统由现场采样探头、取样管线、预处理装置、在线分析仪表、载气瓶、标气瓶以及分析小屋等构成。现场需要检测的介质，通过取样管线传送至分析小屋内分析仪表进行实时在线分析检测。
冷箱主冷凝蒸发器、冷箱至液氧平底贮槽的管线、冷箱上塔污氮管线、冷箱 1#粗氩塔至 2#粗氩塔管线、出冷箱的污氮管线、冷箱下塔顶部液氮管线、冷箱上塔顶部氮气管线、冷箱过冷器液氩管线、1#粗氩塔氩馏分进口管线、出冷箱的氧气管线、液氧平底贮槽以及液氧槽车。
3.在线分析系统的选型
在线分析仪表价格昂贵，在满足项目质量的前提下，优先选用国产仪表，当国产仪表不适用时，再选用进口仪表。
1）CO 2 含量检测
CO 2 含量检测分析采用 ULTRMAT 6E 红外线分析仪。此分析仪采用交变非分光型（NDIR）红外双光速原理，使用双层检测器和光耦合器来测量气体。因为气体分子具有特定的红外光吸收波段，对于不同的气体，其吸收波长各不相同。
红外线是电磁波谱中的一段，介于可见光区与微波区之间。
在整个电磁波谱中，红外波段的热功率最大，红外辐射主要是热辐射。在分析仪中，使用的波长范围通常是 1~16μm 之内，主要集中在 2~12μm 之内。
使红外线通过装在一定长度容器内的 CO 2 气体，然后测定通过 CO 2 气体后的红外线辐射强度 I，就可以测出 CO 2 气体浓度 c。
根据朗伯-比尔吸收定律：
-kcl
0 e
I = I
式中：
0I 射入被测组分的光强度
I 经被测组分吸收后的光强度
k 被测组分对光能的吸收系数
c 被测组分的摩尔百分浓度
l 光线通过被测组分的长度（气室长度）
2）氧含量检测
氧含量分析仪采用 PSA-1600 机械顺磁氧气分析仪。通过测量混合气体中的气体体积磁化率，间接得出混合气体中氧气的体积分数。
任何物质在外界磁场的作用下，都会被磁化，其本身也会产生一个附加磁场。附加磁场与外磁场方向相同，该物质被外磁场吸引（顺磁性物质）；方向相反，则被外磁场排斥（逆磁性物质）。
3）微量氧含量检测
微量氧含量分析仪采用 Teledyne 3000TA 微量氧分析仪，传感器为碱性液体燃料电池，由银阴极+铅阳极+KOH 碱性电解液组成。
被测气体经过渗透膜进入薄层电解质，气体中的氧在电池中进行下述电化学反应：
阴极：O 2 +H 2 O+4e
- =4HO -
阳极：2Pb+4HO
- =2PbO+2H
2 O+4e
-电池的综合反应：O 2 + 2Pb=2PbO
此反应不可逆的，HO
- 离子流产生的电流与被测气体中的氧
含量成比例。
4）微量水含量检测
微量水含量分析仪采用 PSA-1100 水露点分析仪，传感器为电容式，通过测得电容 C，间接得出微量水含量。R 是随着水分含量变化的电阻，水分含量越大，R 越小；C 是随着水分含量变化的电容，水分含量越大，C 越大。
当忽略电容的边缘效应时，平行板电容器的电容计算公式为：
C? eS/d
式中：C 为传感电容；S 为单块板的面积；e 为介质的介电常数。
5）微量氮含量检测
微量氮含量分析仪采用 LD8000 型微量氮分析仪，采用等离子发射检测器，此原理以分光镜发射单元为基础。电致发光作为发射技术被用来定量分析氮气，离子发生器产生的等离子随着样气氩气进入电离池，电子或者离子因碰撞产生激发态，气体原子或者分子在电场中被电子和离子的动能加速而产生发光现象。当氮气浓度发生变化时，谱线会随之改变，最终，光电二极管将光线转换成电流，产生与氮气浓度成正比例的电信号。
6）碳烃分量检测
碳烃含量检测采用 PCG5000 气相色谱分析仪，采用氢火焰离子化检测器（FID）。分析仪由恒温炉、色谱柱、检测器、控制器等构成。当样气被载气携带，从色谱柱流出，与氢气混合后一起进入离子室，由喷嘴喷出。氢气在空气的助燃下经引燃进行燃烧，以燃烧所产生的高温（约 2100℃）火焰为能源，使被测有机物组分电离成正负离子。产生的离子在收集极和极化极的外电场作用下定向运动而形成电流。微电流信号在其中经过一个高电阻形成电压，并进行阻抗转换。经处理的信号送到放大电路进行相应处理，并计算出组分的含量。
4.分析小屋与DCS系统的信号传输
分析仪表所检测的组分含量信号都将通过 4~20mA 信号传送给空分装置的 DCS 系统，可以在操作室的 DCS 操作站上实时对分析数据进行监测和报警。
每 台 分 析 仪 都 配 带 1 个 RS485 通 讯 串 口 ， 将 采 用MODBUS-RTU 通讯协议与空分装置的 DCS 实现通讯。
分析小屋内可燃/有毒气体检测器通过一进两出隔离栅，将4~20mA 信号分为 2 路，1 路接入小屋内 PLC，另 1 路接入空分装置的可燃/有毒气体报警系统（GDS）。
结束语
空分装置设计过程中，在线分析仪表的合理选用是一项非常关键的工作。需要设计人员根据实际工况，并结合不同分析仪表的测量原理、测量范围、精度、重复性和价格等情况进行选择。
选择合适的仪表，不仅是对项目投资成本的节约，也能在后期项目使用阶段为现场操作、维护人员带来便利。
参考文献
[1]SH/T 3198-2018 石油化工空分装置自动化系统；[2]SH/T 3199-2018 石油化工压缩机控制系统设计规范；
