在線分析樣氣處理系統技術創新發展研究

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(1.沃森測控技術(河北)有限公司，廊坊065000；2.重慶重科大分析儀器有限公司，重慶401331；3.重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶400041)

在線分析樣氣處理系統技術創新發展研究

常壽兵1楊永龍2金義忠2、3

(1.沃森測控技術(河北)有限公司，廊坊065000；2.重慶重科大分析儀器有限公司，重慶401331；3.重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶400041)

樣氣處理系統技術是在線分析系統的關鍵技術，探索和研究如何創新發展，對于提高樣氣處理系統及其在線分析系統的研發及應用水平，具有極其重要的工程意義。本文僅以LKP107型精準脫硝取樣探頭系統為例，解讀構建和設計更加可靠免維護樣氣處理系統的創新思維和工程化方法。

樣氣處理系統 免維護 整體優化設計 精準脫硝

1 引言

樣氣處理系統伴隨在線分析儀誕生，在我國已有61年技術史(1956～2017年)，隨著上世紀八十年代大規模引進技術國產化的推進，以及實施《過程分析器試樣處理系統性能表示》(JB/T6854-1993)*注1更新版本是《過程分析器試樣處理系統性能表示》(JB/T6854-2005)。的機械部行業標準，四川儀表九廠的RS1000系列過程分析成套系統被列為國家級火炬計劃項目，樣氣處理系統技術才開始出現專業化研究和針對性、規范化設計的新趨勢，在線分析儀工程應用的故障率已由過去的50%以上，逐步大幅度降低，并出現了在線分析系統工程應用“100%投運成功率”的新概念。

在踐行創新驅動的國家發展戰略之際，流程工業的優化控制和先進過程控制，環保行業超低排放急需的技術升級，都迫切要求本專業必須正面回應并滿足國家重點工程和廣大工程用戶所面臨的嚴峻挑戰及現實需要，為解決現有和新的工程應用難題開辟新前景。為此，在線分析樣氣處理系統技術創新發展研究，具有迫切的現實意義①。

2 樣氣處理系統技術創新突破的主攻方向

為了使在線分析系統能夠真正實現長壽命周期的協調運行，就得更好抓住樣氣處理系統技術的精髓，鎖定樣氣處理系統技術創新突破的主攻方向：

(1)對缺乏均一性和不可能按期望預設樣氣條件的良好適應性。

(2)對在線分析儀穩定性、可靠性、準確性、安全性和長壽命周期的可靠保障。

(3)對在線分析系統工程應用中人工介入的解放，即少維護，甚至免維護。

樣氣處理系統產品要有生命力，其產品設計就得全面做到以上三點，這的確非常困難，卻又是必須的。

3 研制高端品質樣氣處理系統何以可能

(1)朱良漪老前輩在2007年第二屆在線分析儀器應用及發展國際論壇的主旨報告：“21世紀前沿技術‘分析技術’與‘自動化’的系統集成”[1]，是在線分析技術質量發展的一個重要轉折點，他多次強調的“國家重點工程導向”的技術觀點，已融入本專業工程師的技術觀及其工程實踐。

(2)人民科學家錢學森院士的《創建系統學》[2]的系統學科學理論，催生了在線分析系統應用型基礎理論的初創[3]，其中從技術系統的開放性歸納出的樣氣處理系統的開放性具有特別重要的實踐意義：樣氣處理系統與其工程應用的外部環境(樣氣條件、環境條件和安裝條件等)長期存在十分復雜、動態的物質交換、能量交換和信息交換。這是設計高端品質樣氣處理系統的鑰匙，也是尋找和排除在線分析系統工程應用故障最有效的技術手段。

(3)前蘇聯發明大師根里奇·阿奇舒勒的發明問題解決理論TRIZ[4]，在我國推廣是命名為“萃智”，能讓工程師摒棄習慣應用的嘗試法。真正采用發明原理、科學原理和科學效應來提高研發新產品成功率及其質量。

(4) 在線分析技術61年的技術史，特別是新世紀在線分析產業持續的爆發性增長，為樣氣處理系統技術的創新發展提供了最佳的契機和堅實的技術基礎，不少子系統、微系統已經是高度成熟的產品技術，可以放心地推廣應用。多數技術制高點被攻破，是本專業工程師研發實力的真實表現。

(5)樣氣處理系統及在線分析系統的“多目標整體優化設計方法”[5]，是高端品質樣氣處理系統研制中值得推薦的先進方法，因為它符合“質量源于設計(QbD)”的技術理念。其突出優點體現在在線分析系統協調進化五原則中：

① 很好保留了原系統的優點；

② 比較徹底地清除了原系統的局限和不足；

③ 新系統沒有變的更復雜和成本更高；

④ 新系統沒有引進新的缺陷和技術風險；

⑤ 新系統更能長壽命周期地協調運行。

至此，對于研制具有新世紀前沿技術特征的精準脫硝急需的取樣探頭系統，我們團隊積累起了很強的技術實力，并對于它的一次性成功充滿信心。

4 LKP107型精準脫硝取樣探頭研制的技術突破研究

4.1 環保超低排放脫硝工程面臨的挑戰

根據國家發改委，環境保護部和能源局制定的《煤電節能減排升級與改造行動計劃》(2014～2020年)，將燃煤電廠大氣污染氮氧化物的排放限值從2011年的100～200mg/m3進一步降低至50mg/m3，使原來基本適用的樣氣處理系統技術，現在根本滿足不了工程應用的現實需要，催生了剛性的技術升級要求。

監控和降低氮氧化物排放的脫硝(SCR)環保工程,需要準確監測lt;3×10-6的微量氨逃逸，一般情況下逃逸微量氨含量大多只有1×10-6左右，在線分析儀所選量程一般為0～10×10-6NH3，工程應用中將面對如下三大困難：

(1)煙氣條件的困擾

我國燃煤鍋爐煙氣的粉塵含量一般較高，而且缺乏均一性，不可能按需要預設，治理較晚的陶瓷行業更差，會成為很嚴重的廣義干擾，這給微量氨逃逸監測的準確性、可靠性、連續性、維護性都造成很大困難，這特別是原位法測氨面對的技術難題。

(2)微量氨測量的困難

微量氨逃逸測量對分析儀的穩定性、準確性、抗廣義干擾的要求都很高。氨容易產生吸附，是易溶性氣體，在取樣、傳輸、處理的全過程中，如有“冷點”出現，氨接觸冷凝水會產生流失，嚴重影響微量氨檢測的準確度。

(3)高溫取樣和傳輸的困難

燃煤煙氣中不可避免地存在干擾組分SO3，會和NH3反應生成NH4HSO4(硫酸氫胺)，NH3+SO3+H2O→NH4HSO4。

硫酸氫胺在146～232℃溫度范圍內都是液態，會和煙氣中的飛灰結合而產生沉淀(類似于結晶)，必然造成空氣預熱器的阻力增大，嚴重時甚至有發生堵塞的風險，對空氣預熱器的安全運行造成嚴重威脅。而且，取樣探頭也有因為堵塞造成取樣中斷的風險。所以，脫硝微量氨逃逸監測系統的安全運行溫度，理論上必須保持≥230℃的“高溫”，這是相對于此前行業性185℃左右的較低溫度而言。這個必須提高的“高溫”在工程化設計當中有很高的技術難度，使相應的脫硝專用取樣探頭系統，被推上樣氣處理系統的技術制高點。

4.2 LKP107型脫硝取樣探頭的整體優化設計

微量氨逃逸的監測準確度，仍是工程界值得深入研究的課題，已有多個單位在開展“精準脫硝”和“脫硝優化”的工程化深入研究，化學法氨逃逸監測系統可能更具有技術優勢的整體解決方案。采用多目標整體優化設計的LKP107型脫硝取樣探頭，是為其特別制定的高端品質配套產品。

(1)采用LKF2型超微孔SiC高精度探頭過濾器。

先進的表面過濾原理與眾多的深度過濾器有本質的不同。高精度(0.3μm99%)和低氣流阻力(lt;80pa)(?50×?20×135mm)的完善協調，工程應用中阻力增大還很緩慢，耐高溫、耐腐蝕、高強度、抗污染、長壽命(中等粉塵條件下至少四年)。

(2)將探頭過濾器設計成過濾器組件，內置于探頭管前端煙道內的高溫環境中(lt;450℃)，不需要對其再加溫，設計有開口防護罩，避免了粉塵的直接沖刷，又降低了粉塵的聚集。防漏灰的結構及工藝設計，大大提高了工程應用的可靠性。

(3)探頭管外端設計有鎧裝式電加熱元件和測溫鉑電阻，以及探頭防護箱內的保溫套，由PLC控制230℃的穩定溫度，不至于出現引發結晶的“冷點”，可提高可靠性，壽命周期長。

(4)取樣探頭配置有獨立的反吹箱，可對過濾器實施長周期(例如8h 1次)的脈沖式反吹掃，實現無堵塞連續采樣。

(5)加熱反吹掃，反吹掃的儀表空氣不但經過了除塵、除油的凈化處理，而且穩定加熱至和煙氣溫度相當的高溫，避免低溫空氣將高溫過濾器吹裂，確保反吹掃效果。

(6)取樣探頭主要材質采用316L，整個取樣管道表面采用了特殊處理工藝，有效避免因吸附等原因造成逃逸氨的流失。

(7)取樣探頭的整體式主體結構總長1.8米，外徑?80mm，配套有帶護管的安裝法蘭，安裝、使用、維護、檢修很方便。

(8)LKP107型脫硝取樣探頭需要系統集成商提供相適應的匹配條件：如230℃的電熱管，外徑(?60mm)，反吹掃時切斷樣氣的高溫氣動球閥(進口的高可靠產品)，以及PLC程序控制等。

4.3 LKP107型脫硝取樣探頭的主要技術特性

環境條件：環境溫度5～50℃，環境相對溫度lt;90%RH

樣氣條件：樣氣溫度lt;450℃(但gt;150℃)，樣氣壓力gt;-20KPa

樣氣流量：lt;15L/min，樣氣粉塵lt;200g/m3(無限制)

使用條件：供電電源220±22VAC，50Hz，加熱功率400W

反吹掃氣源：0.45～0.6Mpa潔凈儀表空氣

4.4 對“多目標整體優化設計”的深度解析

少維護：長壽命周期協調運行，近乎免維護的工程應用效果。

高可靠性：高可靠的無堵塞連續取樣。

高準確度：全程高溫≥230℃，無氨流失，無硫酸氫胺生成。

長壽命周期設計：目標壽命周期至少5年，爭取達到10年。

技術成熟度高：采用先進技術、成熟技術，經過長期工程實踐的技術。例如高精度探頭過濾器自1985年開始在我國應用，至少有幾萬件的成功工程實踐。

結構及工藝設計的優化合理。

產品具有高端品質，能對分析儀提供真正可靠保障。

設備運營成本低，探頭及探頭過濾器的壽命周期長，反吹掃周期長。

LKP107型脫硝取樣探頭的首批產品，已于2017年5月進入工程應用現場考核試驗。

5 技術討論

(1)要構建、設計和駕馭高可靠、免維護的取樣探頭系統，就一定要在技術系統的整體和局部(包括最前端的微系統)的關系中明察秋毫，杜絕一切疏漏。

(2)堅持樣氣處理系統設計的基本原則十分必要。那就是合理匹配、完善組合、協調運行，這只有更好抓住樣氣處理系統的精髓，才有可能做好。

(3)堅持國家重點工程導向，鎖定樣氣處理系統技術創新發展的主攻方向，其工程化的努力集中體現在“以協調進化五原則為核心的多目標整體優化設計”的系統性方法上。

(4)LKP107型脫硝專用取樣探頭能夠很好滿足精準脫硝和脫硝優化嚴苛的工程應用要求，為脫硝細分行業的技術升級，提供了堅實可靠的技術基礎，既適用于直接抽取式，也適用于旁路抽取式。

LKP107型精準脫硝取樣探頭系統，有可能是在線分析樣氣處理系統技術一個新的技術制高點。

[1]朱良漪.21世紀的前沿技術“分析技術”與“自動化”的系統集成[C]//第二屆在線分析儀器應用及發展國際論壇文集，2007:4-6.

[2]錢學森.創建系統學[M].太原：山西科學技術出版社，2001：2-17.

[3]金義忠.構建在線分析系統基礎理論的探索研究[M]//在線分析技術工程教育.北京：科學出版社，2016:30-37.

[4]楊清亮.發明是怎樣誕生的—TRIZ理論全接觸[M].北京：機械工業出版社，2006：11-24.

[5]金義忠.在線分析系統基礎理論和整體優化設計的探索研究[M]//在線分析技術工程教育.北京：科學出版社，2016:38-47.

2017-07-06

常壽兵，男，1978年出生，北京航空航天大學電子與通訊工程碩士，工程師，沃森測控技術(河北)有限公司技術總監，研究方向：燃煤鍋爐的燃燒優化控制，儀器儀表和計算機軟件控制系統設計，E-mall：stan.chang@walsn.com。

信息簡訊

我國首臺高平均功率太赫茲自由電子激光飽和出光

近日，由中國工程物理研究院應用電子學研究所(中物院十所)牽頭負責的高平均功率太赫茲自由電子激光裝置(以下簡稱CTFEL裝置)首次飽和出光并實現穩定運行。這標志著中國首臺具有高重復頻率、高占空比特性的太赫茲自由電子激光裝置建成，我國太赫茲源正式進入自由電子激光時代。

太赫茲(THz)輻射通常指頻率在0.1THz～10THz區間的電磁輻射，其波段位于微波和紅外光之間，是人類尚未完全認識并很好加以利用的最后一個波(光)譜區間。自由電子激光(FEL)由于具有頻率連續可調、功率大、線寬窄、方向性好、偏振強和皮秒時間結構等優點，使得在同一臺裝置上實現太赫茲波段全覆蓋的大功率理想太赫茲源成為了可能，故FEL是目前該波段最有前途的高功率可調諧相干光源。

CTFEL裝置依托于國家重大科學儀器設備開發專項“相干強太赫茲源科學儀器設備開發”項目，于2011年正式啟動，2016年底完成裝置研制與總體集成。裝置采用諧振腔型FEL技術路線，主要包括直流高壓光陰極注入器、射頻超導加速器、搖擺器、激光諧振腔、THz傳輸與測量系統等。2017年9月20日，經專家組現場測試和第三方檢測，CTFEL裝置在1.99 THz 、2.41 THz和2.92 THz三個頻率點穩定運行，平均功率均大于10W，最高達到17.9W；微脈沖峰值功率均大于0.5MW，最高達到0.84MW，通過調節電子束能量和搖擺器磁場強度，可以實現輸出頻率連續可調，技術指標達到國際先進水平。

作為一種新型相干強太赫茲光源，高平均功率、高峰值功率的太赫茲自由電子激光在材料、生物醫學等領域有著重要應用，通過系統研究強太赫茲波與新材料的作用機理、THz電磁輻射與DNA相互作用的生物效應機理等，發現強太赫茲環境下的物理規律和實驗現象，為新實驗研究方法和新器件設計及研發提供理論依據。

下一步，該項目科研團隊將充分利用現有的技術優勢，盡快開展裝置用戶實驗，多渠道發掘該裝置的應用潛力與推廣前景，為各相關學科研究和THz輻射在其他高新技術領域的應用提供支撐。同時，在現有裝置的基礎上進一步拓展FEL激光波長范圍，使其成為我國光源體系中的重要組成部分，并使我國的太赫茲光源技術及應用研究在國際上占有一席之地。(中國科學報 陸琦)

Technologicalinnovationanddevelopmentofreal-timeanalyticalgassamplingandhandingsystem.

ChangShoubing1,YangYonglong2,JinYizhong2,3

(1.WalsnMeasurementandControlTechnology(Hebei)Co.,Ltd.,Langfang065000,China; 2.ChongqingCKDAnalyzerCo.,Ltd.,Chongqing401331,China)

The sample gas handling technique is the key technology for real-time analysis system. It is of great engineering significance to innovate and develop this technology. In this paper, the LKP107 type precise denitrification sampling probe system is used as an example to interpret the innovation thinking and development method of a sample gas handling system.

sample gas handling system; maintenance free; design optimization; precise denitrification

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.06.016