在線色譜儀點火裝置的改進

魏 薇 范學英

(中國石油蘭州石化公司自動化研究院，蘭州 730060)

在線色譜儀點火裝置的改進

魏 薇 范學英

(中國石油蘭州石化公司自動化研究院，蘭州 730060)

在線色譜儀在某常減壓裝置投用后，由于檢測器出現火焰熄滅的現象，導致儀表不能正常分析數據。針對此問題，對點火裝置進行優化改造，有效地解決了檢測器火焰熄滅的問題，縮短了儀表的停表時間，保證了在線色譜儀的長周期運行。

在線色譜儀 檢測器 點火裝置 優化改進

目前，多數煉廠在線分析油品質量參數時都采用模擬實驗室方法，存在不同質量參數需要不同在線儀表來分析的問題。例如，用于分析油品餾程的在線分析儀表，多采用經典加熱餾方法，只能對油品的單點或不連續點進行分析[1]。這樣，購買儀表投入成本高、運維工作量大且能耗高，而且像冰點等質量參數，利用模擬實驗室方法很難實現在線檢測。鑒于以上弊端，項目組研究開發了基于色譜技術的在線分析儀表，該儀表具有數據準確、分析快速、分析樣品用樣量少、節能環保、運維量少和多參數聯測的優點，已成功應用于某常減壓裝置。

在線色譜分析儀表投用常減壓裝置后，儀表的準確性滿足國標要求，能夠提供實時的分析數據，為優化生產工藝和提高產品收率提供了有效的參考數據。但是，儀表采用氫火焰離子檢測器(Flame Ionization Detector，FID)，運行過程中存在檢測器火焰熄滅的現象。而現有在線分析儀表的自動化程度低，不能自動判斷火焰是否熄滅并自動點火，運維人員必須進入現場儀表小屋進行手動點火，對系統的無故障運行率有所影響。為了提高儀表的無故障運行率，保證儀表的長周期可靠運行，縮短停表時間，項目組決定對儀表的點火裝置進行技術改進。

FID檢測器由離子室、離子頭和氣體供應部分組成。FID檢測器的結構如圖1所示[2]。

圖1 FID檢測器的結構示意圖

FID檢測器工作原理：以氫氣在空氣中燃燒為能源，載氣攜帶被分析組分和可燃氣從噴嘴進入檢測器，助燃氣(空氣)從四周導入，氫氣和載氣混合后通過噴嘴再與空氣混合點火燃燒，形成氫火焰。被測組分在火焰中被解離成正負離子，在火焰上方收集極和發射極所形成的靜電場作用下，正負離子向各自相反的電極移動，形成的離子流向收集極形成離子流，經阻抗轉化，放大器放大107～1010倍，便獲得可測量的電信號。無樣品時兩極間離子很少，當有樣品進入火焰時，發生離子化反應，生成許多離子。離子流經過微電流放大器放大并被記錄下來，反饋給數據采集系統，即可得出相應的色譜圖，從而判斷得出碳氫化合物組分的含量。離子流與被測組分的濃度成正比，組分濃度越高，離子流信號越大。

2 存在的問題及其原因分析

一般FID檢測器不能點火或使用過程中熄火的常見原因如下[3]：

a. 檢測器積水；

b. 檢測器污染；

c. 檢測器的氫氣和空氣流量過小或配比不對，導致點不著火；

d. 氣路漏氣或接錯氣瓶，使FID不能點火；

e. 載氣流速過大造成火焰被吹滅的現象；

f. 尾吹氣流量設置不當，過大會吹滅火焰；

g. 檢測器溫度設置過低或檢測器溫度未達到設定溫度時，都不易點火；

h. 由于FID火焰燃燒產生冷凝水，容易導致檢測器火焰熄滅。

針對上述常見原因進行排查，儀表當前需要重點解決的是氫氣和空氣配比，以及載氣流速穩定的問題。

如圖2所示，在系統軟件總體功能設計中涉及到了點火控制，但因點火程序功能不完善，僅通過點火按鈕操作完成點火任務，一旦檢測器火焰熄滅，無人為判斷，會存在火滅發現不及時和手動點火不及時的問題。FID檢測器的火焰熄滅后，只能等到巡檢人員巡檢才能發現，之后再進行手動點火。由于每天巡檢時間是固定的，導致火焰熄滅以后不能及時進行手動點火，造成儀表無法正常分析數據，增加了儀表的停表時間，儀表的無故障運行率降低。

圖2 在線色譜儀軟件系統的總體功能框圖

3 改進與實施

針對氫氣和空氣配比、載氣流速及軟件功能不完善等問題，對FID檢測器的點火裝置進行技術改造。

3.1穩壓穩流

要解決FID檢測器熄火的問題，需保持氫氣和空氣流量的相對穩定，必須在氣路入口處增加壓力調節裝置，從而保持流量的穩定。普通的穩壓閥在工作時，當后級氣阻變化后，無法調節輸出壓力，流量也會隨之發生變化，應采用帶反饋的調節裝置，將后級壓力的變化情況隨時反饋給控制系統，控制系統及時調節執行器，以保證輸出流量的穩定[4]。

針對這種情況，設計了一套穩壓系統，主要由電子壓力控制器(EPC)和初始壓力設定器構成。穩壓系統采用PID控制算法控制氣體的壓力。壓力傳感器檢測出當前壓力信號，經過A/D轉換后送入PID控制器，PID控制器根據當前壓力和設定壓力計算出控制量驅動控制閥，從而實現壓力控制。電子壓力控制原理如圖3所示。

圖3 電子壓力控制原理框圖

如圖4所示，具體實施時，在氫氣進入FID檢測器前加裝EPC。氣體通過EPC控制電壓，從而控制空氣流量，進行穩壓、穩流控制，控制精度為±2mL。PLC發出點火脈沖后，通過改變EPC的控制電壓，保證氫氣流量保持相對恒定，以改變空氣流量的大小。為保證檢測器火焰不熄滅，在載氣流量不穩的情況下，EPC會自動監控并及時調整流量。

圖4 加裝EPC示意圖

點火方式采用一體化高壓脈沖發生器，通過工控機進行控制。一體化高壓脈沖發生器能夠產生10kV左右的高壓，放電間隙3～8mm，足以點燃氫氣。點火周期1～2s，點火成功率有了很大的提高。當檢測器溫度達到設定值時，一次點火成功率能夠達到98%。而且一體化高壓脈沖發生器具有體積小、使用壽命長等特點，這也大幅提升了儀表長周期運行的可靠性。

在應用過程中，同時發現高壓脈沖發生器點火時，產生的強電磁干擾引起點火控制器死機，經過試驗摸索，采用延時繼電器進行延時控制，解決了點火死機的問題，保證了檢測器的正常工作。

3.2實時監控

如圖5所示，在程序中對檢測器點火裝置火

圖5 點火控制系統運行流程

焰是否點燃增加實時監測功能，當檢測器溫度達到290℃以上時，每2min進行一次“火焰是否燃燒”的判斷。氫氣點燃后，輸出值會產生一個微弱的色譜信號，由于色譜信號非常微弱，容易和檢測器的工作噪聲混合，因此很難從色譜信號來判斷氫氣是否點燃，通過信號放大板，將微弱的色譜信號進行放大，使色譜信號產生一個明顯的變化值，從而判斷氫氣是否點燃。如果色譜信號大于0.1V說明火焰燃燒正常，如果信號小于0.1V則判斷火焰已經熄滅，判斷火焰熄滅后，程序會自動開始點火。

3.3自動點火

如圖5所示，在點火程序中增加自動點火功能，替代以前的手動點火。當檢測器溫度首次達到280℃時，判斷色譜信號，開始點火。點火時，通過控制EPC電壓值，來降低空氣流量，將氫氣與空氣流量比值降為1∶4，此時打開點火開關，通過點火控制器發出點火脈沖，1s后將點火開關關閉，將氫氣與空氣流量比值逐步恢復至1∶10。如果點火成功色譜信號會隨之增大，如果點火未成功色譜信號不會發生變化，通過判斷這個色譜信號，可以直觀地判斷出點火是否成功。如果火焰未著，程序將每隔2min自動點火一次。

4 結束語

從現場的應用效果來看，通過對點火裝置的優化改造，實現了FID檢測器點火裝置的自動點火功能，有效地解決了FID檢測器火焰熄滅的問題，使儀表因火焰熄滅造成的停表時間由原來的55%降至0%，顯著提高了儀表的可靠性和穩定性。從運維工作量來看，在以往的巡檢工作中，巡檢人員會重點關注儀表火焰的燃燒情況，通過查看色譜信號和采用水汽法，人為判斷FID檢測器是否火焰熄滅。進行技術改造后，巡檢人員已經不需要對火焰燃燒情況進行關注，減輕了巡檢人員的工作量和人為判斷存在的誤差。

[1] 張巖.在線色譜模擬蒸餾分析儀的研制[D].天津:天津大學,2006.

[2] 何世偉.色譜儀器[M].杭州:浙江大學出版社,2012:66～69.

[3] 徐明全,李倉海.氣相色譜百問精編[M].北京:化學工業出版社,2013:152～155.

[4] 仇軍輝,倪源,王忠民.應用EPE提高FID檢測器穩定性[J].信息系統工程,2014,(4):63,94.

TH833

B

1000-3932(2016)06-0646-04

2016-05-16(修改稿)