蒸汽中微量氫氣測量的預處理系統設計

孫繼鋒 馬 琪 潘勇宏

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

對于石油化工生產中的夾套式設備，無法直接發現其內部是否存在介質泄漏，只能通過檢測外部介質中是否含有內部介質，從而間接檢測設備有無內部泄漏。 在水煤漿氣化裝置中，出界區中壓蒸汽的溫度和壓力都比較高，無法直接測量其氫氣含量，所以待測樣品需要經過預處理系統進行降溫、減壓、冷凝、氮氣置換及過濾等處理，然后再進入分析儀來測量微量氫氣［1］。

1 預處理系統的基本要求

在線分析儀能否長周期可靠運行，從目前來看，并不完全取決于在線分析儀本身，樣品預處理系統的完善程度和可靠性對在線分析儀的可靠運行也有著一定的影響。 預處理的設計構成要盡可能簡單，滯后時間要小，故障率要低，維護量要小。 所以，預處理系統應具有以下基本要求：

a. 處理后的樣品滿足分析儀表的要求［2］；

b. 在線分析儀的結果準確、不失真；

c. 工藝樣品的消耗量最少；

d. 能夠長期穩定可靠地工作。

2 樣品條件及設計目的

一般來說， 水蒸氣的溫度和壓力均比較高，對于氫分析儀來說難以承受如此高的壓力和溫度，而對于色譜分析儀來說，整個分析過程要保證完全的氣態，這一過程無疑是困難的，任何部分的溫度一旦降到露點以下，水蒸氣就會凝結成液態，對色譜分析儀就是致命性傷害［2］。對于預處理系統來說， 整個預處理系統要保持高溫高壓，就要采用耐高溫的閥件、流量計等，這會導致生產成本直線上升，而且未必能達到理想的效果。

可見， 本套預處理系統設計的難點在于：高壓樣品如何降壓且保證傳輸無相變，高溫樣品如何降溫，冷卻后凝液中樣品如何通過氮氣置換。

3 設計方案

氫氣測量的目的是為了監測裝置是否泄漏，工藝采用夾套式水蒸氣加熱［3］，正常情況下氫氣是微量甚至不可測的，那么這時就要求預處理系統和分析儀表具有合理性、實用性。

預處理系統（圖1）包含取樣探頭、傳輸管線、前處理和預處理。

因樣品溫度和壓力均比較高，所以樣品從采樣探針后就采用針閥控制樣品的流量，降壓會導致水蒸氣露點降低，且樣品傳輸過程中溫度也會隨之降低，樣品易凝結為液體，樣品液化會導致樣品中的氫氣含量變化， 分析儀測量結果失真，所以采樣后設置高溫蒸汽伴熱減壓閥對樣品進行降壓，設計一體化蒸汽伴熱管纜對樣品傳輸管線進行伴熱， 從而保證傳輸過程中樣品無相變。樣品前處理及傳輸如圖2 所示。

圖1 預處理系統

圖2 樣品前處理及傳輸

圖3 水冷器

樣品經傳輸管線首先進入預處理系統的盤管式換熱器內進行降溫冷凝。 在本套預處理系統中，因樣品需一次性冷凝為水，這就意味著有效換熱面積要足夠大，然而預處理系統是安裝在預處理箱中的， 這也就決定了預處理系統的大小，為了保證足夠的換熱面積和預處理系統空間，采用盤管式的水冷罐冷卻（圖3），樣品從水冷罐內部的盤管通過， 工廠循環水從底部的接口進入，滿罐后從側面的接口返回，冷卻水與樣品形成對流，冷卻效果更加明顯，保證溫度降到露點以下，氣態水凝結為液態［4］。

在線色譜分析儀無法直接進入液態水進行測量，所以在冷卻器后設置液封罐組（圖4），采用對測量氫氣無影響的氮氣從液封罐組的底端接入，吹掃置換出凝液中的氫氣，分析儀表通過測量氮氣中的氫氣， 從而間接測量水蒸氣中的氫氣。 為了保證樣品測量的重復性，在液封罐組的氮氣入口處設置一個準確計量的流量計，保證吹掃氣流量恒定。 液封罐組在此處的作用不僅是盛裝冷凝液， 還起著維持樣品氣壓力恒定的作用，恒定的流速和壓力才能保證分析儀表測量的準確性。

圖4 液封罐組

由于氮氣吹掃不僅吹掃出氫氣，也會吹掃出一定量的水蒸氣，所以樣品管線中除氮氣和氫氣外還有少量水蒸氣， 為了除掉這一部分水蒸氣，在系統中加入渦旋制冷罐體（圖5），樣品從風冷罐體下側部進入，從頂部流出，渦旋制冷管產生的冷流體從罐體上部進入，與樣品形成對流，進一步對樣品降溫達到水的露點以下，使少量水蒸氣凝結為液態從而從下部流出。

圖5 渦旋制冷罐

樣品經渦旋制冷罐冷卻后進入沉降過濾器，因為管道內的樣品帶有懸浮物、 氣泡等雜質，所以在此處加入沉降過濾器以除去上述雜質。 樣品首先通過沉降過濾器內的長管進入罐底進行沉降，然后通過沉降重力作用，將大部分較重的懸浮物和氣泡過濾除去，樣品從沉降罐上部的短管出來后進入膜式過濾器進行最終除水，達到分析儀表允許檢測的樣品條件。

樣品經過該預處理系統處理后，在進入儀表檢測池之前已經完全達到了無固體、無水、無氣泡的測量要求，完全滿足在線儀表的測量要求。

4 結束語

筆者設計的預處理系統在實際應用中一次性開車成功，并且能夠長周期可靠運行，就分析儀表系統數據統計而言，蒸汽中微量氫氣在線檢測達到了設計的預期值，能夠為儀表長期穩定工作提供可靠的進表樣品條件，從而實現設備泄漏的實時監測。