燕山石化乙烯裂解炉氧分析仪优化改造

李姗姗

(燕山石化运行保障中心仪表二部，北京 102500)

燕山石化乙烯裂解炉氧分析仪优化改造

李姗姗

(燕山石化运行保障中心仪表二部，北京 102500)

本文针对燕山石化乙烯装置裂解炉氧化锆氧分析仪换型改造做了相关介绍。重点提出了改造中针对分析系统取样方式、安全性能和检验方式几个方面的改进。并根据工作经验总结了氧化锆氧分析仪日常维护的注意事项和常见故障处理的方法。

氧化锆氧分析仪 裂解炉 Servomex 2700

1 前言

炉膛氧和可燃气含量的测量可为裂解炉的燃烧控制提供参考数据，在提高裂解炉燃烧效率和减少环境污染中起到很大的作用。燕山石化乙烯装置裂解炉原氧分析仪存在测量数据波动较大的现象，无法给工艺提供平稳可靠数据。在2012年进行优化改造时，选用Servomex公司2700型氧分析仪。经实际使用发现，其运行平稳，故障率较低，能为裂解炉的燃烧控制提供更精准数据。

2 氧化锆分析仪在裂解炉燃烧控制中作用简介

氧化锆氧分析仪是控制乙烯裂解炉经济燃烧中重要在线分析仪表，其主要作用是节能、减少环境污染和延长炉龄。在乙烯裂解炉燃烧控制中，若含氧量过低，燃料燃烧不充分，降低热效率，同时产生的黑烟也会污染环境；若含氧量过高，虽可使燃料充分燃烧，过剩的空气会带走部分热量，也会降低热效率，而且过剩的氧会与燃料中的硫和烟气中的氮气反应，生成SO2、SO3、NOx等有害物质污染环境[1]，也会对炉子有损害。测量可燃气含量(主要是CO)，能更直观的显示燃料燃烧的状况，为燃烧控制提供参考，保证燃料安全充分的燃烧。

3 氧化锆氧分析仪的工作原理和结构

在乙烯裂解炉中使用的是带可燃气体探头的氧化锆分析仪。可燃气体检测器是利用可燃气体与氧气发生催化燃烧反应来测可燃气含量，氧化锆分析仪是利用氧化锆浓差电池来测定氧含量的电化学分析仪。在高温下，氧化锆元件电极两边的氧含量不相等时，便形成氧浓差电势[2]，其大小与氧浓度关系符合能斯特公式[3]。

氧化锆氧分析仪由探头装置和控制单元组成。探头装置包括引射风取样系统、加热及测温系统、可燃气传感器、氧传感器以及探头装置的供电系统。控制单元由电源系统，控制系统，传感器信号处理，模拟、报警输出，显示器及键盘操作系统组成。其主要作用是控制探头内部温度，将检测探头的毫伏信号转换为数值显示和4～20mA输出，并输出一系列报警信号。

4 氧分析仪的优化改造

4.1 改造前存在的问题

改造前的氧分析仪于2000年投用，使用时间较长，在当时是很先进的仪表，但随着实际使用，暴露出很多不足。并且由于仪表的老化，故障率也越来越高。主要存在以下几个问题：

(1)仪表指示值受炉膛温度和烟气流速的影响较大，易产生波动；

(2)在仪表校验时，校验过程比较慢，并且很难校准；

(3)取样探管和保护套管间易积灰引起堵塞，导致样品不能连续稳定循环造成示值波动、反应迟缓；

(4)在开停炉过程中由于温度大范围变化，易导致锆管因内外电极热膨胀系数不一致而损坏。

4.2 改造后的效果

经过2012年换型改造后的仪表系统与原来仪表对比，主要在以下几个方面有了改进：

(1)取样方式的改进

原有样气取样采用热对流式[4]，样气在温差作用下扩散进入检测器，过程缓慢，很可能存在滞留。而且炉膛温度和烟气的流速会对样气的流通产生影响，容易造成测量波动。

新的氧表的取样方式为引射风取样，利用空气射流抽提器将烟气抽吸到检测探头处，然后再进行测量。氧化锆探头内部气路图如图1所示。干燥仪表风进入引射风/参比气入口，一路作为参比气进入锆管参比端，另一路则经过空气射流抽提器进入炉膛，并在此处形成负压区。在负压作用下，样气运动到锆管测量端，然后到可燃气检测器，最后进入炉膛。通过这种气路方式，两个检测器处的气路是流通的，由于有空气作动力进行负压抽吸，其流通速度很快。样气在锆管处的流动方式如图2所示，这就使锆管测量端的样气不断更新，不会产生滞留。

图1 2700的氧化锆探头内部结构气路图

对比两种取样方式，新的氧表取样的响应速度更快，更能保证样品的代表性。且样气的流速由引射风的流速来控制，不受烟气温度和流速的影响，保证测量的稳定性。运用反吹程序，反吹气体可以从标准气入口反吹采样探管和过滤器，有效的预防其堵塞，这也解决了原仪表取样探管容易堵塞的问题。

图2 氧化锆锆管内部气体流路图

(2)安全性的改进

出于安全性的考虑，新的氧表在两个检测器和炉膛间的管路上都加装了阻火器(其位置见图1)。当停炉后，炉内有大量可燃气时，由于检测器探头内温度很高，很容易引燃炉内可燃气，导致炉子爆炸。加装了阻火器后，保证了炉子的安全，消除了一重大安全隐患。而这是原有仪表所没有的。

(3)校验方式的改进

原氧表的校验是通过对电位器的调整来改变检测器炉温，从而使氧浓差电势改变。炉温的变化过程比较缓慢，从而造成分析仪读数的稳定性偏差，引起示值波动，且不容易校准。Servomex 2700型氧化锆氧分析仪通过在放大电路中调整电势的放大系数来校正指示值的，这种方法反应快速、准确，校验效果更好。

4 投用和日常维护注意事项

在裂解炉氧分析仪的优化改造后，使用效果良好。为了保证仪表的平稳运行，在仪表投用和日常维护中要注意以下几点：

(1)新上氧化锆探头需运行一天以上才能进行校准

新上氧化锆探头中存在一些水分或可燃性物质，如果此时进行校准，在高温条件下水分蒸发，可燃性物质燃烧，消耗了参比端部分氧，造成氧含量测量值不准。需要等到水分和可燃物质被新鲜空气置换干净后，才能使测量准确。

(2)在校验分析仪时，选用标准气需注意的问题

氧化锆氧分析仪都是以新鲜干燥空气作参考气，校验需用新鲜干燥空气作量程气，不能用钢瓶空气，因为两者中的氧含量往往有差异。也不能选用纯氮气做零点气，因为氧含量为零或接近零时，测量值呈严重的非线性，造成测量不准，一般选用含氧0.5%～2.5%的气体作零点气。

校验可燃气传感器时，所用量程气应以清洁干燥空气作为平衡气。因为可燃气体检测需要与氧气发生反应，若校验气中氧气含量过低或无氧气，则会使校验时测量值较低甚至为零。通常选用含1500×10-6的CO、干燥空气做平衡气的混合气体为量程气。

(3)在短期停炉检修时不要停表

因为锆管为陶瓷管，在停、起表过程中遇到急冷、急热易使锆管断裂。锆管上电极也会因与锆管热膨胀系数不同而脱落。并且，停表后传感器易受潮，再次送电时易损坏检测器。

5 常见故障处理方法

根据对此类氧化锆氧表的维护及一些故障处理经验，总结出常见的几类故障和处理方法：

(1)氧含量指示值偏高

当氧含量指示值偏高且无法校准时，可能原因是检测器炉温过低(<650℃)[5]，或者锆管破裂漏气。如果炉温正常，应在工作温度下测锆管阻值，正常时约为50Ω，若大于100Ω[6]，此锆管已无法使用，应进行更换。

(2)氧含量指示值偏低

仪表氧含量指示偏低，可能是炉温过高(>750℃)；或者探头过滤器堵塞使气阻增大，影响被测气体中氧分子的扩散速度。如果炉温正常，需用仪表风反吹探头(反吹气与标准气共用一个入口)，清洗过滤器，如无法疏通，则应更换过滤器。

(2)氧含量指示值波动或变化缓慢

氧含量指示波动大，可能是仪表内部管线有泄漏，或是引射风的流量不稳造成样气波动。否则需检查样品过滤管、内部阻火器是否堵塞，传感器探头排气孔有无限流等问题，这些也会造成样气流量不稳或流量过低，使氧量指示波动或变化缓慢。

6.结束语

通过对裂解炉氧分析仪的优化改造，新型的仪表运行平稳，测量准确，仪表故障率明显降低，大大降低了维护人员的工作量。若要使仪表长期平稳运行，为工艺提供稳定、可靠的数据，仍要靠我们日常的用心维护。

[1]王森，朱炳兴.仪表工习题集.北京：化学工业出版社，2009：48.

[2]江光灵.在线分析仪表.北京：化学工业出版社，2006：53.

[3]石油化工设备维护检修规程.北京：中国石化出版社，2004：122.

[4]2700燃气分析仪操作手册.北京科力通仪技术发展有限公司。

[5]2700燃气分析仪操作手册.北京科力通仪技术发展有限公司

[6]朱忠波.氧化锆分析仪在生产过程中的应用及故障处理.黑龙江科技信息，2008，(1)：3.

Improvement of zirconia oxygen analyzer in ethylene unit of Yanshan petrochemical company.

Li Shanshan

(YanshanPetrochemicalcompanyofSINOPEC，Beijing102500，China)

This article introduces the improvent of zirconia oxygen analyzer in ethylene unit of Yanshan petrochemical company. It focuses on the sampling system, safety performance and the way of calibration.

zirconia oxygen analyzer;pyrolyzer; Servomex 2700

李姗姗，女，1986年出生，2009年毕业于中国石油大学(华东)自动化专业。同年参加工作，在燕山石化公司生产运行保障中心从事在线分析仪表运行与维护工作。

10.3936/j.issn.1001-232x.2015.04.008

2015-01-26