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[摘 要]本文主要介绍甲烷红外分析仪的组成和工作原理，以及它在使用过程中出现的问题，针对出现的问题，利用涡流管和套管式加热器，对预处理系统进行的改造分析。
[关键词]红外分析仪 涡流管 套管式换热器
中图分类号：TB61+9.1 文献标识码：TB 文章编号：1009―914X（2013）34―0323―01
0、前言
某炼油厂制氢装置中CH4的含量是工艺控制的一项重要的参数，能否准确控制CH4气体浓度是整个装置节能效率的一个重要指标。因此制氢装置在加热炉出口入反应器前配置了一台甲烷红外气体分析仪，对CH4的含量进行实时在线分析检测，测量分析出的CH4含量上传到DCS系统中记录监测。
1、分析仪系统组成及测量原理
甲烷分析仪系统主要包括预处理单元和分析单元两大部分。其中预处理单元主要作用是降温脱水脱杂作用。分析单元采用的是集成的双光束NDIR过程过度计，组成由红外源、切管片、发射极孔径、样品测量和参比室、前后接收室、隔膜电容室等组成[1]。在检测器的内腔中位于两个接收室的一侧装有薄膜电容检测器，并由通道分别把前室和后室与薄膜电容器的内腔连通；当测量气室通入含有待测组分的混合气体时，因为待测组分在测量气室已预先吸收了一部分红外辐射，使射入检测器的辐射强度变小。此辐射强度的变化主要发生在谱带的中心处，主要影响前室的吸收能量，使前室的吸收能量变小。被待测组分吸收后的红外辐射把前、后室的气体加热，使其压力上升，但能量平衡已被破坏，所以前后室的压力就不相等，产生了压力差，此压力差使电容膜片位置发生变化，从而改变了电容器的电容量，因为辐射光源已被调制，因此电容的变化量通过电气部件转换为交流的电信号，经放大后由指示表指示出待测组分的浓度[2]。
2、分析仪预处理系统结构及存在的问题
由于样品温度较高且含有水分，不适宜直接进入分析仪分析，进分析仪前需要对取样分析的气体进行降温脱水预处理，分析仪对进入测量室内样气的温度和含水量质量要求较高，样品的质量直接影响分析仪分析数据的准确性和稳定性。目前预处理部分有两级冷凝脱水设备，其中一级冷凝脱水设备使用水冷却方法，二级脱水冷却设备使用涡流管制冷冷却，目前主要问题出现在一级水冷脱水设备上，主要原因是热交换器进出冷却水压差太小，同时设备安装在一定高度的平台上，水压需克服一部分重力的压力，导致冷却水循环不畅，水被高温样气加热后温度无法降低，使需冷却的样气降温无法达到要求，导致一级冷却脱水设备脱水效果不好，分析仪样品管线中含水影响分析仪长期稳定运行。
3、预处理系统改造方案
3.1改造方案分析提出及分析
方案1：增加冷却水前后差压。增加压差的方法，一种是将冷却水管线进行改造，接到冷却水前后压差较大的管线上；一种是在冷却水入口增加一台增压泵，使冷却水循环正常。
可行性分析：方案1中两种增压方法，目前冷却水使用的是装置的循环水，要对其进行管线改造，在装置开工情况下很难施工；如增加增压泵现场安装与供电等施工较困难，此方案暂时实施较困难，不作为最终方案选定。
方案2：在现有一级冷却脱水设备处增加一级空气冷却器，用以达到一级冷却设备降温冷却效果，冷却设备使用涡流管制冷和夹套管换热的结合形式，具体结构如图3所示：
上图中增加的涡流管冷却器无需单独供电，只需提供一定压力的压缩空气就可以进行制冷，冷空气与热样气通过夹套管热交换器进行热交换，冷却降低样气温度，达到降温脱水目的，且装置此处有仪表风可作为压缩空气提供使用，此方案具备实施条件和效果要求，可選用此方案作为最终选用方案。
3.2方案具体可实施性
3.2.1 涡流管工作原理
涡流管又称涡流冷却管，输入一定压力的压缩空气，通过涡流管内部能量转换，一端产生冷空气，一端产生热空气。利用涡流管冷端产生的冷空气作为热交换介质的冷媒，与热介质进行热交换，达到冷却目的。
3.2.2 套管式换热器
套管换热器两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，一种介质走在内管内部，一种介质走内管与外管之间，形成了两程。通常，热流体由上部引入，而冷流体则由下部引入。套管式换热器的优点是结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热。使用的热套管是由Φ14mm和Φ6mm不锈钢管套在一起弯制而成的，将Φ14mm两端加三通接头，并将三通接头出细管一端焊接封闭后制作而成，经过2倍打压试漏正常后方投用，样气管线使用卡套连接。
3.2.3 方案实施性
将预处理一级冷却部分增加一级空气冷却单元。取样器经过水冷之后，样气进套管换热器内管，换热后再连接到脱水器上进行脱水；套管换热器外层一端接涡流管制冷器冷端（从涡流管冷端至套管换热器接口处连接管线不宜过长，保证冷空气温度），套管换热器另一端接到一级冷却处理箱外排放（可接消音器）；涡流管热端放在一级冷却处理箱外，便于排放热气；管套换热器中两种热交换气体的流向是相对流动，便于热交换；根据季节不同使用情况，调节涡流管供气压力和热端排气量大小，调节涡流管制冷量。通过增加这一级空气冷却单元，可以保证预处理系统一级脱水效果，从而保证分析仪长周期稳定运行。
4、结束语
对甲烷分析仪预处理系统进行改造，可保证预处理系统降温除水的作用，解决了原预处理系统存在的不足，使分析仪可以长周期稳定运行，为提高生产产量、降低能耗、提高产品质量和安全生产提供重要的保障。
参考文献
[1] Advance Optima Module Uras 14 Service Manual [M] ABB公司
[2] 王森.仪表工试题集[M].北京：化学工业出版社，2002.
[关键词]红外分析仪 涡流管 套管式换热器
中图分类号：TB61+9.1 文献标识码：TB 文章编号：1009―914X（2013）34―0323―01
0、前言
某炼油厂制氢装置中CH4的含量是工艺控制的一项重要的参数，能否准确控制CH4气体浓度是整个装置节能效率的一个重要指标。因此制氢装置在加热炉出口入反应器前配置了一台甲烷红外气体分析仪，对CH4的含量进行实时在线分析检测，测量分析出的CH4含量上传到DCS系统中记录监测。
1、分析仪系统组成及测量原理
甲烷分析仪系统主要包括预处理单元和分析单元两大部分。其中预处理单元主要作用是降温脱水脱杂作用。分析单元采用的是集成的双光束NDIR过程过度计，组成由红外源、切管片、发射极孔径、样品测量和参比室、前后接收室、隔膜电容室等组成[1]。在检测器的内腔中位于两个接收室的一侧装有薄膜电容检测器，并由通道分别把前室和后室与薄膜电容器的内腔连通；当测量气室通入含有待测组分的混合气体时，因为待测组分在测量气室已预先吸收了一部分红外辐射，使射入检测器的辐射强度变小。此辐射强度的变化主要发生在谱带的中心处，主要影响前室的吸收能量，使前室的吸收能量变小。被待测组分吸收后的红外辐射把前、后室的气体加热，使其压力上升，但能量平衡已被破坏，所以前后室的压力就不相等，产生了压力差，此压力差使电容膜片位置发生变化，从而改变了电容器的电容量，因为辐射光源已被调制，因此电容的变化量通过电气部件转换为交流的电信号，经放大后由指示表指示出待测组分的浓度[2]。
2、分析仪预处理系统结构及存在的问题
由于样品温度较高且含有水分，不适宜直接进入分析仪分析，进分析仪前需要对取样分析的气体进行降温脱水预处理，分析仪对进入测量室内样气的温度和含水量质量要求较高，样品的质量直接影响分析仪分析数据的准确性和稳定性。目前预处理部分有两级冷凝脱水设备，其中一级冷凝脱水设备使用水冷却方法，二级脱水冷却设备使用涡流管制冷冷却，目前主要问题出现在一级水冷脱水设备上，主要原因是热交换器进出冷却水压差太小，同时设备安装在一定高度的平台上，水压需克服一部分重力的压力，导致冷却水循环不畅，水被高温样气加热后温度无法降低，使需冷却的样气降温无法达到要求，导致一级冷却脱水设备脱水效果不好，分析仪样品管线中含水影响分析仪长期稳定运行。
3、预处理系统改造方案
3.1改造方案分析提出及分析
方案1：增加冷却水前后差压。增加压差的方法，一种是将冷却水管线进行改造，接到冷却水前后压差较大的管线上；一种是在冷却水入口增加一台增压泵，使冷却水循环正常。
可行性分析：方案1中两种增压方法，目前冷却水使用的是装置的循环水，要对其进行管线改造，在装置开工情况下很难施工；如增加增压泵现场安装与供电等施工较困难，此方案暂时实施较困难，不作为最终方案选定。
方案2：在现有一级冷却脱水设备处增加一级空气冷却器，用以达到一级冷却设备降温冷却效果，冷却设备使用涡流管制冷和夹套管换热的结合形式，具体结构如图3所示：
上图中增加的涡流管冷却器无需单独供电，只需提供一定压力的压缩空气就可以进行制冷，冷空气与热样气通过夹套管热交换器进行热交换，冷却降低样气温度，达到降温脱水目的，且装置此处有仪表风可作为压缩空气提供使用，此方案具备实施条件和效果要求，可選用此方案作为最终选用方案。
3.2方案具体可实施性
3.2.1 涡流管工作原理
涡流管又称涡流冷却管，输入一定压力的压缩空气，通过涡流管内部能量转换，一端产生冷空气，一端产生热空气。利用涡流管冷端产生的冷空气作为热交换介质的冷媒，与热介质进行热交换，达到冷却目的。
3.2.2 套管式换热器
套管换热器两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，一种介质走在内管内部，一种介质走内管与外管之间，形成了两程。通常，热流体由上部引入，而冷流体则由下部引入。套管式换热器的优点是结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热。使用的热套管是由Φ14mm和Φ6mm不锈钢管套在一起弯制而成的，将Φ14mm两端加三通接头，并将三通接头出细管一端焊接封闭后制作而成，经过2倍打压试漏正常后方投用，样气管线使用卡套连接。
3.2.3 方案实施性
将预处理一级冷却部分增加一级空气冷却单元。取样器经过水冷之后，样气进套管换热器内管，换热后再连接到脱水器上进行脱水；套管换热器外层一端接涡流管制冷器冷端（从涡流管冷端至套管换热器接口处连接管线不宜过长，保证冷空气温度），套管换热器另一端接到一级冷却处理箱外排放（可接消音器）；涡流管热端放在一级冷却处理箱外，便于排放热气；管套换热器中两种热交换气体的流向是相对流动，便于热交换；根据季节不同使用情况，调节涡流管供气压力和热端排气量大小，调节涡流管制冷量。通过增加这一级空气冷却单元，可以保证预处理系统一级脱水效果，从而保证分析仪长周期稳定运行。
4、结束语
对甲烷分析仪预处理系统进行改造，可保证预处理系统降温除水的作用，解决了原预处理系统存在的不足，使分析仪可以长周期稳定运行，为提高生产产量、降低能耗、提高产品质量和安全生产提供重要的保障。
参考文献
[1] Advance Optima Module Uras 14 Service Manual [M] ABB公司
[2] 王森.仪表工试题集[M].北京：化学工业出版社，2002.