气体分析仪器成套

(原重庆川仪九厂)

1989年9月，分析仪器行业在山东长岛召开协会和学会会议，机械部仪表局朱良漪总工程师出席并主持会议。第二天为大会发言，朱总要我们川仪九厂(四川分析仪器厂)说说气体分析仪器成套，王成德厂长把此任务交给了我。我在会上汇报了川仪九厂开展气体分析仪器成套的有关情况，此内容后来刊登在1990年第四期“分析仪器”杂志上。

时间真快，一晃就要30年了。今天，想在那次发言的基础上，再来说说气体分析仪器成套。

所谓气体分析仪器成套，实际上就是气体分析仪器的应用技术。一台气体分析仪器，比如磁力机械式氧分析器，各行各业都有应用。如工业气体行业用来分析氧气纯度等；各种炉子里用来分析炉内气氛；烟道中用来分析燃烧效力；生物工程中用来分析生命条件等等。而这些使用场合，环境条件各不相同，工况与气样条件更是错综复杂，各不相同(如温度，压力，气容量，露点，粉尘，背景成份……)。这些差异，仪器本身是无法都能适应的。并且，气体分析仪器有一个不同于其它仪器的最大特点：那就是被分析气样，是仪器必不可少的组成部份，也就是说，必须有正常的被分析气样，仪器才能正常工作，一旦沒了气样或者气样超越了仪器的设计条件，仪器就会失常。因此，如果不把不同场合的气样处理好，仪器就不可能正常工作。所以，气体分析仪器成套，其中一项最主要的内容，就是气样处理。处理气样的装置，称作为“预处理系统”。这些装置，是硬件，气路上如取样头，过滤器，冷凝器，加热器，分离器，蓄能器，泵，各种阀件，流量计等等，以及自动控制这些组部件动作的电子部件。这些硬件如何组合得更好，则要精心设计。而设计的依据，就是现场条件。

川仪九厂有幸接受过德国H&B公司的“成套”技术培训，记得培训中印象最深的一件事是头一天老师发给我们的一张表格。老师一再强调，这张表里的内容，是这个成套项目的基础。表中的数据越详细，越准确，结果就会越好。这是一张项目调查表，内容十分全面，包括项目名称，所属行业，取样点在工艺流程中的位子及其气样成份和工况条件，环境条件(包括气候)，用户要求等上百项，一张A3纸上正反两面都布满了。老师说，这张调查表，作为技术协议的内容，经双方确认后，要作为合同的附件，由此可见它的重要性了。

是不是冗长了呢？不，必不可少！

举个例子：比如其中有：“气样管道走向？是否经过室外？，当地最高和最低气温？”等这些看起来对仪器并不重要的问题，如果未写明，若沒有采取措施，结果就会出问题。据说江西一家水泥厂，八十年代初从日本进口的一套气体分析仪器装置，安装中将一段气样管道经过室外(沒有加保温套)并先到地面后再向上穿墙进到室内的电子冷凝器除水；该厂地处山区，冬天，特别是晚上，气温低于0℃，结果用得好好的情况下，一夜间失常了。原因是气样中的水在“U”形的管道中结成了冰，管道堵塞了，气样沒了，仪器就无法工作了。所以，不允许任何疏忽。

前面已说过，气样与气体分析仪器的正常工作悉悉相关，是仪器正常工作的必要条件。所以，气体分析仪器成套的最重要内容就是气样处理。以得到一个符合仪器工作条件的、稳定的、不失真的气样。

气样预处理的内容一是热工参数处理，如温度，压力，流量等；二是气路流转处理，如开启、关闭、反吹、旁路、换向、稀释、浓缩、轮流进样、排气、排液、校仪器零点、终点等等；三是成份处理，即气样的组成，也称背景气体，当然包括粉尘，水份等。

气样的苛刻条件是高温(低温)、高压(低压甚至是负压)、高灰粉、高水份、干扰组份、腐蚀性、结晶、粘附物等等。

热工参数处理如高温、低温可用冷却或加热，如金属盘管，水冷，风冷，电子冷凝器，加热器等；高压、低压则可用阀件减压，泵增压(但要提醒的是，为不污染气样，必须用膜式泵)。这些都比较容易实现。一般仪器上都已带有流量显示(转子流量计，也有热敏电子流量计等)，不过，流量计放在测量元件之前或之后是有讲究的。

气路处理提高了分析过程中的自动化程度，也比较容易实现。

成份处理是气样预处理中最难的工作：

粉尘与水分比较麻烦，特别是二者同时存在时，有句成语叫“拖泥带水”，很难对付；原则是必须先除粉尘，不允许它进入管道；再除水，若水份含量很高，需先经旋风分离后再用电子冷凝器冷至2℃；另外一种方法是利用分压平衡原理，气样通过特种材料制成的隔套式脱水管，脱水管内通过被处理气样，管外(隔套管)通压缩空气，因压缩空气的露点一般在负40℃，二者的水分压相差很大，气样中的水会从脱水管壁析出到压缩空气中，从而把气样中的水份带走。它结构简单，效果很好，市场上已有商品供应。

对付腐蚀性气体可选用不锈钢、四氟乙烯等耐腐蚀材料，但更重要的措施是保持气样干燥，即要除去水份。但不腐蚀是不可能的，特别在高温下，很难避免。

干扰组份也很难处理。干扰组份与仪器的工作原理有关，如热导仪器，要求背景气体组份不能多，最好是二组份。如有第三种组份并且其含量是变化的，则要考虑到它的存在对测量结果的影响；又如红外线仪器，则具有相近吸收波长的组份会影响测量结果。如果影响很大时，必须采取措施：如滤波，或者干脆除去干扰组份等；不能除掉的则要根据其含量，对测量结果进行修正。另外，若除去了某些干扰组份以后，被测组份在气样中的百分含量会有改变，故必须修正，不能失真。当然，这些说起来很容易，但要真正完全做到它，很有难度，因为这些问题，往往不是静态的，而是无规则变化的。

结晶会造成管道堵塞(包括有些气样中含有焦油等粘状物)。如高温下，硫磺是蒸汽，低于127℃时，就会结晶析出，成了固体，当然会堵塞管道；再如当氨与二氧化碳同时存在，且温度低于60℃时，就会生成碳酸氢铵(NH4HCO3)，又是固体！在这种情况下只有保持高温下测量，但这在结构上是很复杂和困难的。同样，焦油则会逐渐粘附在取样过滤器和管壁上，堵塞气路，这些杂物，是绝对不允许进入仪器的。

如气样中存在有毒气体，则要考虑气样分析排放后的安全处理；或者，考虑不采样，插入分析探头或气样分析后回流入工艺管道等办法。

由此可见，气样预处理，不可能是万能的。所以，气样处理，十分重要，却又十分困难。但为了实现分析目的，又必须努力去克服，事在人为，要想办法克服困难。

除了气样处理，讯号处理也是“成套”中的重要内容。它是该系统自身自动化水平的标志。通常包括气路故障报警：如气路堵塞、气样湿度过大等；气路自动变换：如多路轮流取样、反吹扫、稀释、浓缩等程序控制；自动校零点、终点；自动排气、排液；输出讯号自动显示、保持及转换；上下限自动报警；大气压力变化自动补偿；系统故障自诊断及显示；成套系统温度控制；成套系统自身防爆报警等。它们是用户十分感兴趣的内容,也容易实现。

取样是气样处理的第一步。在压力，温度，气容量等都很正常的情况下，很简单，装一个取样阀门，用管道接出来就行了。但往往取样点的条件十分复杂，如高温，负压，高粉尘，高水份，等等。如烟道，各种炉子，不但条件差，况且腔体很大，为了样品有代表性，还要求从中心点取样，为此，就要用一个伸到内部的取样头。

取样头，顾名思义就是取气样的一个探头，为了除去粉尘，用一段金属管加一个过滤器不就可以解决了吗？事实并非简单。记得1985冬，我们刚从德国培训回来，国内某水泥研究院来厂谈项目。说起了他们已经出口南亚某国的一套装置，插入水泥窑的取样头用的是一根Φ30×2mm壁厚的钢管，封堵轴向后，在径向打了100个Φ1mm的小孔。这当然能取样，但不能长久，因为水泥窑气样中的粉尘不光是大于Φ1mm的颗粒，更多的是微米级的小灰粉，要不了几分钟，就会堵塞管道，破坏仪器了。

所以，取样头是大有讲究的，比如：为了气样有代表性，取样点不能在腔室壁附近，最好要大于腔室直径的1/3处，因此要有合适的插入长度；不同温度下取样管要用不同材质，以免高温下变形弯曲；正确选择过滤器的材质、密度及耐温性能；选择合适的安装倾斜度；选择过滤器的朝向及增加适当的保护装置等等。这些措施，都是为了防堵，使取样头能长期工作。但是，不堵是不可能的，所以，必须在堵死之前，就要排堵，最简单的方法就是定时反吹，但是，反吹也是很有讲究的，如吹什么气，怎么吹等等，总之，取样头十分重要，它是保证仪器正常工作的第一关口。

所以，一个重要的结论是：过程气体分析仪器运行的好坏，不仅与仪器的设计和制造质量有关，在更大程度上还取决于现场工况条件的优劣，取决于完善、合理的气样处理。所以，取样预处理系统是过程气体分析仪器正常工作必不可少的组成部分，对仪器运行的正常与否起着决定性的作用。“成套”的重要性，就是针对现场条件，量身定制一套取样予处理系统，使被分析气样符合仪器对气样的要求，从而使仪器正常工作。

应该说，气样预处理，是气体分析仪器应用技术的的核心。但气体分析仪器成套不仅仅是气样预处理。“成套”，既有“技术性”，也有“经营性”，因此，一个完整的气体分析仪器成套系统，应包括下列内容和工作程序：

一、技术协议。根据现场条件，双方达成共识的书面文件，并作为合同的附件。

二、签订合同。

三、一份技术设计。根据技术协议，成套厂对该项目作出一份技术设计，内容包括：

1.技术设计说明；

2.选用仪器清单(型号、规格、数量、厂商等)。测量各种气体，可以选择不同工作原理的仪器。比如测量氧，可用热导，热化学，磁性，电化学，激光等。选择的依据要看量程范围，气样组成(背景气)，工况等原始条件，还要看性能与价格。成套厂可向用户推荐、商讨。认可后写入技术协议。

3.每个分析点的气路流程图(即展示了气样预处理系统)；

4.安装示意图(总图和分柜图，气路端子图，详细到能指导现场安装施工)；

5.电气控制原理图和接线图(详细到接线端子)；

6.标准气清单(零点气和终点气；成份，气瓶容量，数量)；

7.附件清单；

8.技术资料清单。

对于大型的、复杂的项目，技术设计完成后，应请设计院，用户及有关专家进行技术会审。集思广益，使技术方案更加完善。

四、在成套厂内进行装配调试。即完成：1.仪器及各部件定位；2.成套系统内的气路、电路连接并提供从外部接入的气路接管端子(尾气外接)、电路接线端子；3.功能测试。

此时，用户可派有关人员参加，以便熟悉系统，有利于将来使用维护。

结构形式有安装架或仪器柜，或者是分析小屋，这决定于用户的选择和系统的复杂程度。比如，有些用户喜欢架装，它敞开，便于操作维护和观察，价廉；但缺点是分散，零乱，不防灰。柜装则整齐，美观，利索，但维修时不及架装方便。成本也较架装高些。分析小屋一般用于大型项目，现场就地安装，多台仪器，还可包括空调，办公桌椅等内容。

调试内容是“功能”测试：即通电、通气后，检查气路、电路的正确性；气路的密封性；应有动作、位子的正确性；操作、维护的方便性等；同时必须用标准气校对仪器零点和终点。各种动作正常，符合技术设计中规定的要求，即为合格。至于稳定性，因为仪器和各配套组部件均为合格产品，有关制造厂已经过出厂检验合格，故不再重复。现场投运后，可以验正。

五、一份正确、完整、详细的装箱清单。有总装箱单，分件装箱单。每箱都必须有“三号”(即箱号，位号，内装仪器编号)，一目了然，正确无误。附件和资料可分箱包装，都要有详细清单。

六、现场安装。一般由用户根据装箱清单开箱验收无误后，按技术设计要求进行安装。对于大型项目，可在合同中提出要求，届时，用户可邀成套厂来人一起开箱验收，并由成套厂指导安装。

“成套供货”以后，现场安装就变得十分简单：1.要一个安放空间(运输中，为安全，有些仪器要拆下来单独包装，故仪器要复位入柜)；2.接入气样管(一般用Φ6×1mm不锈钢管，插入气路端子上统一规格的接头后，扳紧即可)；3.接出尾气排放管；4.连接标准气管；5.接入电源(有些项目还要求同时供不停电电源)；6.接出信号线(4～20mA，无源)。完事了！可以投运了！就这么简单。对于用取样头的项目，安装比较复杂，如开孔，倾角，管道走向，是否保温，相应措施等。若气样中有有毒气体，则有专门设计和相应措施，必须按技术设计中的要求去做，不能马虎。

顺便说说：在气体分析仪器单机买卖的年代，仪器都是由安装公司或用户自己安装的，产品的各个生产厂家也许在产品上也带了一些气样预处理部件，但不一定适合现场条件，而安装部门则不可能考虑气样预处理。各厂的仪器在结构上也各自为政：如气样管道粗细、接头形式规格尺寸；连接螺钉螺母规格；电源、信号线插头、插座等都各不相同。到了现场安装时，困难重重。结果是，弄上去就算完事。因为不是专业，会留下不少后患，如堵、漏等经常发生。我们就在现场见到过，用几米甚至几十米长的橡胶管套在微量氧分析仪器的进气接头上，气样是引入了，可要知道，空气中有21%的氧，与气样中10-6级的氧分压相差如此之大，橡胶管的密度小，会导致严重渗透(不是漏)，仪器当然无法正常工作了。所以，在此认真提醒：凡是测量微量氧、微量氮、微量水这些成份时，因为环境中大量存在这些物质，任何疏忽，都会带来无法予料的后果。

七、现场调试投运。待现场正式开工时，成套厂派员到现场技术服务，与用户的使用、维护人员一起调试投运。由于先期已做了大量工作，所以一般都是十分顺利的。可以达到方便、准确，开表率100%。

八、技术培训。成套厂厂内装配调试时，一般用户已派员来厂实践过，但人员有限。技术服务到现场，可以有更多人员参加。用户可组织有关人员听取讲课，操作示范，接受技术培训。目的是让用户有更多的人员掌握技术，用好仪器。成套厂是乐意为之的。

九、现场投运验收报告。由成套厂根据现场投运情况，实事求是写出报告，并由用户认可后签字。验收报告后，项目告一段落，但并不是结束：用户精心使用，认真维护，有情况及时反馈；成套厂则定时访问，收集意见，做好服务工作；并要保证备品备件的及时供应。

还有一种做法可以推广，那就是双方签订维护保养合同，用户花一点费用，经济上合情合理，成套厂每年一次或几次，到现场对系统进行全面检查，“治未病”；而当质保期内发生故障时，则可随叫随到。

十、成套厂设立项目档案，归档。

这就是一个成套项目的全过程。

成套，为气体分析仪器的应用拓宽了市场，在气体分析仪器发展的道路上，无疑是重要的一步。

记得1972年参加机械部仪表局组织的国内气体分析仪器使用情况调查，20多人，分6组，全国6大区，近20天，最后回到北京汇总，结论是气体分析仪器开表率大多低于15 %。今天的使用情况，虽然沒有详细的调查资料，但气体分析仪器确实已普遍使用了，很多生产流程中，开表率都能达到100 %。仪器分析已替代了手工分析。这说明，气体分析仪器的设计和制造质量提高了，但更重要的因素应该是气体分析仪器的成套应用。

记得上世纪80年代以前，气体分析仪器都是单机订货的，而到了90年代，各大设计院在项目设计书中，在气体分析仪器汇总清单的备注栏内，都明确写上了“成套订货”，这说明，气体分析仪器成套已得到了认可。

川仪九厂气体分析仪器成套部已经走过30多年了，这30年，开拓创新；这30年，飞速发展；这30年，茁壮成长；这30年，培养了一批人才；这30年，创出了一条新路。但这30年，还是刚刚起步，因为技术发展，永无止境，任重道远。愿川仪九厂再接再励，在实践中奋发图强，与时俱进，为分析仪器行业，为祖国的自动化工业，作出新贡献。