光纖式微量水分析儀的應用

李菲，童方君

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

光纖式微量水分析儀的應用

李菲，童方君

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

微量水分在線測量廣泛存在于石油化工行業(yè)，用于優(yōu)化生產工藝和監(jiān)控安全。通過與傳統微量水分析儀的對比，介紹了光纖式微量水分析儀的測量原理及優(yōu)勢。結合烯烴精制工況，對比傳統單通道、采樣預處理的系統配置和多通道、可抽取安裝的光纖法系統配置，驗證了光纖法在工程應用中的優(yōu)勢，并詳細闡述了實際工程應用中的注意事項。

微量水分析儀 光纖式 多通道 可抽取組件

微量水分析儀是一種重要的工業(yè)在線分析儀表，用于檢測水分含量，廣泛應用于化工生產裝置中。微量水分的準確測量對防止設備被腐蝕、安全監(jiān)控以及產品質量把控等具有重要意義。

1 微量水分析儀的分類

微量水分析儀種類較多、原理各異，目前傳統的微量水分析儀分為4種類型： 電解法、電容法、冷鏡式和激光光譜式。

1.1電解法

電解法的原理： 被測氣體流經電解池時，微量的水分會被電極上的五氧化二磷吸收，并被電解為氫氣和氧氣排出，而五氧化二磷得以再生。當吸收和電解達到平衡后，進入電解池的水分全部被五氧化二磷吸收并電解，通過法拉第定律可推導出水的電解電流與含水量的關系。該方法適用于非常微量的水的工況，但受測量原理影響，僅用于氣體測量，吸收和電解平衡時間長、響應慢、穩(wěn)定性也較差，很大程度上受制于環(huán)境因素[1-2]。

1.2電容法

傳感器部分相當于電容器，傳感器表面是半透膜，其孔徑小于大多數有機物分子，只允許比有機物小得多的分子滲入。水分子通過氧化鋁薄膜上的金層滲入薄膜氧化鋁孔，其水分被氧化鋁孔吸收，孔壁的導電率取決于吸附在孔壁上的水分子數量。孔壁阻抗決定了電阻值，而電阻值對應于不同的水氣壓力，通過電阻值可以計算得到微量水的含量。該類儀表不適用于含腐蝕性氣體、粉塵或雜質較多的工況，并且對溫度敏感，應用條件有一定的局限性[1，3]。

1.3冷鏡法

讓樣氣流經露點冷鏡室的冷凝鏡，通過等壓制冷，使得樣氣達到飽和結露狀態(tài)，此時冷凝鏡上有液滴析出，測量冷凝鏡此時的溫度即是樣氣的露點。冷鏡法微量水分析儀精度高且準確可靠，空分裝置使用較多。但由于響應時間慢，不能應用于腐蝕性測量工況，且需要專人維護，應用受到限制。

1.4激光光譜式

激光微量水分析基于半導體激光吸收光譜(DLAS)技術，利用激光能量被氣體分子選擇性吸收，形成吸收光譜的原理來測得微量水含量。主要由發(fā)射探頭、發(fā)射單元、接受探頭以及接收單元組成。發(fā)射探頭內的激光器發(fā)出的激光光束準直后，穿過石英或藍寶石窗口玻片，進入被測氣體，透射光穿過接受探頭的窗口玻片后被光電傳感器吸收，獲得的測量信號通過電纜傳輸到吸收單元經分析處理后獲得微量水含量。激光光譜法適用于純氣、高純氣中微量水的測量，缺點是價格昂貴[4-8]。

2 光纖式微量水分析儀測量原理

和傳統的微量水分析儀相比，光纖式微量水分析儀有獨特的檢測方式和技術特點，克服了很多傳統技術的應用缺陷，在實際的生產過程中得到了良好應用[9-10]。

光纖式微量水分析儀的傳感器表面為具有不同反射系數的氧化硅和氧化鋯構成的層疊結構，通過先進的熱固化技術，使傳感器表面的孔徑控制在0.3nm，使0.28nm的水分子可以滲入?？刂破靼l(fā)射出1束790～820nm的近紅外光，通過光纖電纜傳送給傳感器，進入到傳感器的水分子會引起光的折射，從而引起波長的變化，該變化量與介質的水分含量成相應的比例關系。通過測量接收到的光的波長，就可以得到介質的水分含量及水露點等相關參數。測量原理如圖1所示。

圖1 光纖式微量水分析儀測量原理

3 光纖式微量水分析儀特點

由于傳感器的特殊結構，測量信號無干擾，可靠性、精度及重現性極高；可用于惡劣介質,且不需要維護，也不需要定期標定。特點：

1) 傳感器可以應用于Zone 0防爆場所，主機可以安裝在現場。

2) 可以實現多通道測量，最多3個通道。

3) 既可以測量氣體中的微量水分，也可以測量液體中的微量水分。

溫度的波動對微量水測量影響較大，濕度探頭內除內置光纖探頭外，還配有溫度傳感器。溫度傳感器可實時測量試樣溫度，其結果可用于對水含量測量進行實時在線校正。控制器部分還設有壓力輸入信號接口，通常情況下測點的壓力不會有太大波動，但如果需要更高精度的測量，也可結合實時的壓力信號對微量水含量的測量進行在線修正。

4 工程項目應用實例

4.1工況簡介

筆者參與設計的某烴類精制裝置，設置了2臺精制塔： 第1臺用于過濾烴類介質中含有的水分；第2臺用于過濾烴類介質中的其他雜質。工藝要求參與反應的介質必須是干燥潔凈的，否則會降低催化劑的活性，嚴格控制烴類介質中的水含量至關重要。

來自界區(qū)的介質從精制塔底部進入，通過精制塔內的分子篩，分子篩上的吸附劑能將烴類介質中的水分吸附掉，從而完成脫水。在精制塔的進出口以及塔內的分子篩處分別設置微量水分析儀用以監(jiān)測介質中的水含量。當精制塔進口介質含水量過高時，說明來源介質的質量存在問題，此時該微量水分析儀水含量高報警，需要操作人員檢查上游裝置的生產環(huán)節(jié)是否正常；當精制塔入口和分子篩水含量正常，而出口微量水分析儀水含量高報警時，說明介質脫水不夠充分，需要將下游水含量過高的介質重新返回到1號精制塔進行脫水；當分子篩內水含量過高，則說明分子篩已經飽和，需要更換分子篩。

4.2優(yōu)化方案對比

1) 傳統單通道微量水分析儀系統配置如圖2所示，每個采樣點需配1套采樣探頭、1套預處理系統、1臺二次儀表，且二次儀表需安裝在非防爆區(qū)。因此，該工況下，采樣探頭、預處理系統、二次儀表、現場預處理箱到二次儀表的專用電纜需3套。

圖2 傳統單通道微量水分析儀系統配置示意

2) 經優(yōu)化后，該項目采用光纖法微量水分析儀，工藝裝置采樣的系統配置如圖3所示。

圖3 光纖式微量水分析儀系統配置示意

光纖法僅需要3套光纖式傳感器和少量用于連接現場到二次儀表的專用電纜。通過對比明顯可見，使用光纖式微量水分析儀不采用采樣預處理系統，可以提高分析的實時性；并且多通道設計，可以節(jié)約2套二次儀表，從而減少了故障率、降低了成本。

4.3應用中注意事項

1) 儀表安裝。光纖式微量水分析儀采用直插式可抽取安裝(COMPAC盲法蘭)，該方式不需要采樣預處理系統，既避免了取樣部件對水分子的吸附，可以更真實地得到試樣的水含量，同時也避免了試樣排放造成的資源浪費和環(huán)境污染。

2) 防爆要求。傳感器安裝在現場，須滿足現場防爆要求；分析儀二次儀表安裝在現場的防爆箱內，再安裝在不銹鋼機柜內；機柜應安裝在靠近傳感器的現場，距離應小于15m。北方冬季氣溫低，為確保分析儀表能正常工作，在機柜內部需安裝帶溫控設備的電加熱裝置。

3) 儀表接線。復合光纖電纜為鎧裝電纜，含有發(fā)送和接收2根光纖，并且還含有溫度補償電纜，用于將溫度/濕度一體化傳感器連接到分析儀二次儀表。二次儀表可接出6路4～20mA模擬量或RS-485輸出信號至DCS。

4) 儀表供電。使用時需要交流220V外供電源，其工作用電宜使用安全可靠的UPS電源，保證分析儀的穩(wěn)定運行。

5) 校準。水分凝結不會影響傳感器；一旦干燥，可以再次使用，而不需要重新校準。

5 結束語

光纖式微量水分析儀具有多通道設計、無干擾測量、精度高等特點，可用于防爆區(qū)，為生產裝置的安全穩(wěn)定運行提供了保障。

[1] 楊海哲.微量水分析儀在空分設備中的應用與維護[J].通用機械,2009(07)： 36-38.

[2] 劉翔,周欣,Alfred F.烯烴聚合產物中微量水分測量的激光傳感器[J].自動化儀表,2007(09)： 104-107.

[3] 劉軍支,石玉川.工業(yè)氣相微量水分儀在氯氣檢測系統中的應用[J].石油化工自動化，2006,42(05)： 81-82.

[4] 郎憲明,王崠.微量水分析儀的設計與應用[J].化工自動化及儀表,2013,40(10)： 1228-1231.

[5] 黃偉,俞大海,顧海濤,等.HG/T 4376—2012 化工用在線激光微量水分析儀[S].北京： 化學工業(yè)出版社,2012.

[6] 尚學輝,于旸.激光微量水測量技術及應用[J].中國儀器儀表,2013(03)： 40-42.

[7] 黃偉,顧海濤,周永峰.基于DLAS技術的微量水分在線分析儀[J].化工自動化及儀表，2008,35(06)： 38-40.

[8] 鄧文平,俞大海,李鷹,等.激光在線氣體分析儀的應用[J].石油化工自動化,2012,48(02)： 60-65.

[9] 朱玉軍,鄧建友.光纖式微量水分析技術及應用[J].儀器儀表用戶,2013(03)： 77-78.

[10] 劉慶華.在線分析儀表在工程應用中存在的問題及解決方案[J].石油化工自動化,2009,45(06)： 63-65.

TQ056.1+6

B

1007-7324(2017)05-0064-03

稿件收到日期： 2017-05-27，修改稿收到日期2017-07-26。

李菲(1986—)，女，河北保定人，2011年畢業(yè)于河北工業(yè)大學控制科學與工程專業(yè)，獲碩士學位，現就職于中國天辰工程有限公司，從事儀表專業(yè)設計工作，任工程師。