氢气分析仪在加氢装置上的应用

1、概述

热导式分析仪器是一种结构简单、性能稳定、价廉、技术上较为成熟的仪器。可用在气体浓度的在线测量上，被广泛地用于石油化工生产中，但是热导式分析仪器对气体的压力波动、流量波动十分敏感，介质中水汽、颗粒等杂质对测量影响较大，如何合理设计采样预处理系统是用好热导式分析仪器的关键。

2、测量元法的选择

热导式分析仪器的工作原理是利用各种气体不同的热导系数，即具有不同的热传导速率来进行测量的。当被测气体以恒定的流速流入分析仪器时，热导池内的铂热电阻丝的阻值会因被测气体的浓度变化而变化，运用惠斯顿电桥将阻值信号转换成电信号，通过电路处理将信号放大、温度补偿、线性化，使其成为测量值。

氢气浓度的测量一般采用热导式气体分析仪器、气相色谱分析仪器等，由于氢气的热导系数较高，一般测量氢气浓度的分析仪器都采用热导原理。

混合氢中各组成分浓度及热导系数λ0×10-5cal/(cm.s.℃)见表1。

表1

混合氢 H2 H2S NH3 H2O C1 C2 C3 IC4 nC4 C5+

浓度%(V) 83.96 1.57 0.001 0.14 5.76 5.79 1.99 0.29 0.29 0.172

热导系数 41.60 3.49 5.20 0.973 7.17 3.71 3.87 3.41 3.55 2.9

从列表中可以看出混合氢中，氢气的浓度要达到83%左右，而氢气的热导系数λ0要明显高于其它气体，其它各种气体的热导系数较为接近。由于混合气体的热导系数具有叠加性质，混合氢的热导系数几乎由氢气来决定，因此采用量程为70%-100%氢气热导式分析仪器来测量混合氢中的氢气浓度是较为合适的。

3、采样预处理系统的设计

3.1一般原则

由于热导式分析仪器对流量的波动十分敏感，因此采样预处理系统一般要考虑如下环节：

a.对样气降压、稳压措施。

b.对样气的除尘、分液、除湿。

c.系统的流量调节。

d.减少测量纯滞后的样气旁路措施。

e.校验回路的设置。

这种典型的采样系统在石化炼油厂的加氢装置中得到运用。从实际情况来看，一般的采集预处理系统在加氢装置中使用较易发生堵塞、硫化氢排放超标等现象。

3.2加氢装置中氢分仪的采样预处理回路

根据采样预处理系统的一般要求、加氢装置混合氢气所含组分中含尘、含硫化氢的特殊性及普遍的采样预处理系统在使用中出现的问题，我们设计了图1所示的采样预处理系统的流程，从工艺管线引入的样气经减压、除尘、除湿、脱硫、稳压、稳流、通过流量控制器进入检测器测量，测量后的尾气排入缓冲器，由排气泵打入低压排放线。

(1)减压措施

加氢装置的循环氢压缩机的出口压力有9.0Mpa左右，分析仪器的取样气体的压力要求在0.2Mpa左右，因此要考虑较好的减压措施。为了减少采样流程中的泄漏点，提高预处理系统的可行性，采用2级减压，图中JV是高压减压阀，作1级减压措施，把样气压力降至0.5-0.6Mpa，JWV是过滤减压稳压阀，作2级减压处理，可把样气压力稳定在0.15-0.2Mpa。

(2)除尘、除水、气液分离措施

混合氢是循环氢和重整装置生产的新氢混合而成的，循环氢会夹带着生产装置中的一些颗粒、水份、少量液体，这些会引起检测器的堵塞和影响测量精度，因此在预处理系统中考虑除尘、除水、气液分离措施是非常必要的，首先将采样气体引入旋风过滤器FI1进行初级净化处理，分离出水汽(或液体)并将一些较大的颗粒沉降排除。JWV过滤减压稳压阀是1个气源三大件组合阀，具有过滤、减压、气液分离三大功能，通过JWV可以进行2级净化处理，滤除较小的颗粒和少量液体。

(3)脱湿、脱硫措施

为了使采样气体更加干燥并除去硫化氢气体的危害，我们在3级样气净化中设置了FI2、FI3脱湿过滤器，用硅胶作填充剂;FI4、FI5脱硫过滤，用SN-1型常温脱硫剂作填充剂。

(4)减少测量纯滞后的样气旁路措施

由于分析仪器的取样流量较小、流速较慢，因此一般分析仪器测量有较大纯滞后，为了加快分析仪器的反应速度，我们在流程中设置了两处旁路，一处是在旋风过滤器FI1下设置排放阀V2，将一部分样气排入低压排放管。排放量可根据需要调整阀V2，一般控制排放压力应小于0.1MPa，同时将沉积颗粒、液体通过V6排到低压排放管线中去。另一处是在2级减压阀JWV之后，有一路管线送至排气泵PUM1、PUM2，经过缓冲器PU2后再通过阀V7送至低压排放管。

(5)监视过滤器的设置

经过以上2级减压、稳压，3级净化处理后，样气基本达到了分析仪器使用的要求，为了能实现对样气的净化质量在线指标，并对样气作过滤，因此考虑设置监视过滤器FI6，它能有效监视前3级、净化效果控制系统净化精度至≤0.3μ，以及能在净化出现问题时显示黑色，便于及时采取措施。

(6)自立稳压及流量控制

样气进入检测器的流量须严格控制在300ml/min，流量的稳定直接影响着最终的测量精度，因此我们在浮子流量计前设置了自立式稳压器Mv，通过这2级减压、1级稳压，样气达到了检测器的稳压要求，浮子流量计能相当平稳、准确地控制流量。

(7)尾气排放

经检测器使用过的尾气能否稳定顺畅排出也是影响检测器中样气流量的重要因素，由此影响测量精度。尾悍的排放要求压力稳定，一般可采用两种方法：一是在大气中直排;二是排入专用收集管道。因为尾气中尚含有微量硫化氢成分，从环保角度出发不考虑直排，虽然低压排放管线可作为尾气排放处，但管线内压力不稳使排放困难，因此考虑设置排气泵PUMLPUM2。由于低压排放管线内压力不大于0.1Mpa，因此排气泵设计扬程为0.15MPa，同时考虑设立2级缓冲器PU1、PU2，这样尾气经排气泵培压，再通过2级缓冲器缓冲，尾气就能稳定排出。

(8)冗余结构

加氢装置中混合氢的浓度测量要求在线不间断方式，操作中可根据氢分仪的测量值的变化，随时调整氢油比，使装置运行处于较佳状态。然而采样预处理系统中脱湿过滤器和脱硫过滤器经过一段时间工作后需要换芯、清理;排气泵经过长时间工作后也需停机检修。我们在流程中对这3个环节采用冗余结构，通过切换阀VABF1~VABF4、VABF7我们可以使脱湿过滤器FI2、FI3和脱硫过滤器FI4、而及排气泵PUM1、PUM2一路处于工作状态，另一路处于备用状态，当一路需检修停运时，后备一路可及时切入工作状态。

(9)调校管路的设计

分析仪器是利用零点标准气和满量程标准气进行调校的，标准气流经分析仪器时要求与被测样气相同的压力和流量，用同一稳压及流量控制器，这样才可达到校准的相对精度。图2中标准气在脱湿、脱硫过滤器后插入，通过切换阀VABF5可以切断样气通路引入标准气，而切换阀VABF6可以实现70%的标准气与100%的标准气的切换。

(10)阻火器的设置

由于氢气是易燃、易爆介质，因此检测器是采用隔爆型，而在采样预处理系统中削检测器的管线设置阻火器Z1、Z2，因为样气管线中有高浓度的氢气，当样气管线中混入氧气万一发生爆炸时，可阻止能量进入检测器，保护分析仪器的安全。

此采样预处理系统增加了旋风过滤器、脱硫脱湿措施、监视过滤器及尾气排放措施，解决了同类装置中的氢分仪在使用过程中出现的堵塞和硫化氢排放超标现象。在加氢装置开车时，氢分仪稍作调试就投入了使用，运行相当平稳，为加氢装置的一次开车成两发挥了积极的作用，表明此采样预处理系统是可行的。