水中油分析仪在换热器泄漏中的应用

张 浩，赵 健，高 杰

（陕西延长石油集团永坪炼油厂，陕西 延安 717208）

0 引言

换热器在石油化工行业十分常见，在生产中占有重要地位。在装置生产运行期间，因为设备老化、介质腐蚀或使用人员操作不当，换热器有可能发生泄漏，导致传热效率降低，装置能耗大幅增加且产品质量下降；同时由于热介质污染，循环水系统水质恶化，严重时可能会冲击污水处理系统，致使循环水网瘫痪，外排水质超标，引发不可估量的危害[1]。2022年2月，某厂因换热器泄漏导致四循串油，水体有浮油、浮渣，不但增加污水处理负担，而且降低了整个循环水系统负载的冷换设备效率。

为了保证产品质量和换热效能，提高换热器的安全性、可靠性，需要对冷换设备进行快速持续地监测，实时掌握换热器的运行状况，进而建立一个在线监测平台[2]。这对提高冷换设备管理水平而言意义重大。

以永坪炼油厂联合二车间常压装置换热器E-124为试点，在循环水出口增设在线水中油分析仪，将测量信号传输到中央控制室并设置报警上限，实时监测循环水出水油含量，以保证换热器泄漏的情况一旦发生，能在初期就完成应急处理措施。

图1 近红外散射原理Fig.1 Principle of near infrared scattering

1 在线水中油分析仪的原理和优缺点

1.1 在线水中油分析仪的工作原理

在线水中油分析仪是专门为测试水中微量油浓度而设计的，在炼油化工行业污水水质监测、换热器泄漏、冷凝器泄漏、储罐保温蒸汽冷凝水方面有着广泛的应用实例。

1）紫外荧光法

目前测量水中油主要是紫外荧光的原理[3]，通过直接测量水样的方式，检测被测样品中的苯环化合物，即所说的芳烃油。芳烃油具备很强的荧光性，能吸收紫外光。在光线照射时，芳烃油中的苯环分子会吸收一部分光的能量，这些能量可以使苯环分子从较低且稳定的基态转变为相对高的激发态，形成跃迁现象，而不同的激发态有着不稳定的共同特性，苯环分子从不同激发态的不同振动能级下降至基态。这种下降通常伴随着能量的释放和发光现象，被称之为光致荧光。

紫外荧光法测量水中油也存在着受其自身原理限制的局限性——只能测量苯环化合物，而在永坪炼油厂的生产工艺包括烯烃、烷烃、芳烃等，尤其在该厂成品油，例如汽油、柴油、航空煤油、常压外送油和轻石脑油中，几乎不含苯环化合物，所以这种测量原理并不适用于炼油厂工艺的大部分水中油测量场景。

2）近红外散射原理

近红外散射原理[4]主要是由发射端将一束聚焦、恒定光强的平行光垂直入射流通池的光学窗体，光穿透介质被介质内的微量悬浮颗粒、不相溶液体或气泡散射，散射光与透射光被接收端的硅光电二极管检测到并传回控制器，通过计算初始光强I0与散射、透射之后的衰减光强I1、I2的比值，来确定被测量介质的浓度。其中，散射光接收器与透射光接收器成11°角，而散射光强与透射光强的比值与介质内的颗粒含量成正比关系[5]。

本次选用近红外散射原理，无论是可溶性介质或是非可溶性介质都能通过测量光穿过分子之后的初始光强I0的能量衰减程度来计算被光穿透的介质浓度。该原理能够准确、快速地实时测量包括汽油、柴油、航空煤油、常压油、轻石脑油和蜡油在内的全油，可以适用于炼油厂工艺中污水处理、冷换设备泄漏等大部分水中油测量场景。

1.2 在线水中油分析仪优缺点

近年来，永坪炼油厂4套循环水系统水质较差，其水中油含量一般在0ppm～30ppm，而测量换热器泄漏的水中油含量量程一般在0ppm～100ppm。采用近红外散射测量原理的水中油分析仪，在中等乃至极低浊度下皆有优秀的灵敏度，在四循这种测量环境中十分适用。

采用近红外散射测量原理的水中油分析仪散射接收端与发射接收端的夹角为11°，可以很好地排除杂光干扰，测量结果十分稳定。当被测介质颜色发生变化，或窗体被轻度污染时仍然能得到可靠数据。而且由于测量结果是根据散射光强和透射光强的比值来计算，所以零点固化，只需要在出厂时标定即可，无需定期标定。

分析仪流通池的光学窗体采用单晶蓝宝石，有超强耐磨损、耐腐蚀能力，当流通池内介质流动速度在1.2m/s以上时，完全可以达到自清洁的功能。在满足无需取样就能实时测量的同时，基本不需要维护。在流通池前后压差降低、装置停工时，需要注意定期用水冲洗，否则光学表面会积聚沾污沉积物，可能会出现窗体结垢、油膜聚结的情况。

2 安装

2.1 测量点位

由于油不能与水混合，为了保持被测介质的均匀性，需要在主线引出相对较小的旁路，以便在流通池内形成紊流。这样当光源透过窗体穿透介质时，能够测量相对真实的介质状态。

理想的测量点位安装应在换热器E-124循环水出口阀门前取一条支线作为流通池进口，在循环水出口阀门后取一点作为流通池的出口和回流点。这样利用出口闸阀的前后压差，可在流通池支线上形成较大的流体压差，保证介质充满流通池且流动状态良好。

2.2 现场安装

该水中油分析仪的现场安装包括变送器、传感器和流通池3个部分。

1）传感器

传感器需要通过螺纹连接拧在流通池的预留接口上，以完成实时测量。在安装传感器前要检查传感器主体上的窗体表面是否干净，如果不干净要用异丙酮擦洗。安装时要特别注意传感器窗体的螺纹接口，确保窗体压环里的Viton材质O型垫圈安装到位，否则即使接口轻微泄漏也会使窗体产生冷凝水，导致测量结果不准确。

2）流通池

联合二车间常压装置换热器E-124是常重底油与循环水换热，换热后的循环水直接并入管网。在冷换过程中，循环水出口管线闸阀前后可形成压差，是理想的流通池进出口位置。

E-124的循环水出水管线自上而下进入地面，在出水管线上水平段取一点作为流通池入口，在出水管线竖直段闸阀后取一点作为流通池出口，利用顶部出水速度相对较慢和水自身的重力，将循环水引入流通池，然后利用进出口压差和水的重力势能使水从出口汇入主管，保证了流通池内介质良好的通过性。

该分析仪的流通池接口为DN50 PN16，316L材质配对法兰，在DN200的循环水出水管道引出一条DN050的支线，按照图2中的安装方式将流通池安装在支线上。在流通池的进出口分别安装DN50的法兰闸阀，以便仪表发生故障时，维保人员可以将分析仪切出检查。

3）变送器

分析仪的变送器集成在防爆箱中，根据探头线缆的长度就近安装在换热器E-124的东侧，方便观测实时数据。在为变送器接线时，应当避免传感器与变送器之间的4mA～20mA信号传输线放入有220V或380V电力电缆的穿线管中，防止传输的电流信号被干扰。

图3 流通池与传感器的安装现场Fig.3 Installation site of flow cell and sensor

3 调试

在接上变送器电源之后，需要给分析仪15min～20min的时间来进行系统预热，才能设置零点和量程。本次选用的分析仪的量程为0ppm～100ppm，DCS系统中的位号为AI-11212。

3.1 报警上限

2022年6月，对常重底油换热器E-124的水中油分析仪AI-11212进行了为期1个月试运行测试。在试运行过程中，AI-11212的测量数据基本稳定，根据测量数据确定了正常工况下四循水中油含量的平均值和泄漏时的报警值。

表1是2022年6月水中油分析仪AI-11212的试运行日平均值记录表。

表1 AI-11212试运行日平均值记录表Table 1 Record of daily average values of AI-11212 trial operation

根据试运行结果可以看出，AI-11212的每日平均值在3.1ppm～6.4ppm之间波动，这表明四循的循环水油含量是基本稳定的。在试运行过程中，因为众多换热设备同时换热及循环水系统加药、检修的影响，循环水水质有时会达到27.6ppm，这时换热器并没有发生泄漏，因此要为分析仪的报警信号设置一个延迟以免它对循环水系统水质发出误报。

表3 2023年1月20日4时四套循环水中油Table 3 Oil in four sets of circulating water on January 20, 2023 at 4:00 am

将永坪炼油厂四循正常循环水含油量定在3ppm～30ppm之间，结合水质波动等因素，将该分析仪变送器端的报警上限设置为50ppm。当AI-11212测量值＞50ppm时，监盘人员在中央控制室会接到变送器端发送的报警信息。最后，鉴于试运行过程中AI-11212瞬时测量值远超平均值的情况，在该水中油分析仪的变送器端为这个报警值设置了一个20s的延时。当“AI-11212测量值＞50ppm”这个条件持续20s以上，中央控制室才会收到报警信号。

3.2 运行记录

在分析仪正式投入运行后，能够对换热器E-124的水质进行持续性监控，以此判断换热器是否发生泄漏。表2是水中油分析仪AI-11212正式运行后，2022年9月日平均值记录表。

表2 2022年9月AI-11212运行日平均值记录表Table 2 Record of daily average operating values of AI-11212 in september 2022

从记录的AI-11212日平均值来看，该换热器的循环水含油量在正常范围，且没有较大波动。以此可以判定，该换热系统的循环水水中油处于基本稳定的状态，换热器没有发生泄漏现象。

3.3 泄漏警报

2023年1月19日22时56分，中控室监测到报警信息，水中油分析仪AI-11212测量值达到94.1ppm，触发了泄漏报警。当班人员立即前往现场查看，对常压装置循环水换热系统进行了逐一排查，并对各换热器现场取样，将实验室测量结果进行了比对。

该常压装置循环水换热系统的循环水流程为：E-121→E-122→E-128A→E-123→E-124→四循管网，结合取样结果分析，E-123常二线冷却器泄漏的可能性较大。通过对E-123常二线冷却器和E-124常底油冷却器系统排查，发现E-123常二线冷却器存在微量泄漏，将该换热器纳入特护管理，制定相应处理方案。

4 结语

水中油分析仪AI-11212，在对常压装置E-124换热器循环水中油含量的测量过程中运行良好。它能对换热之后的循环水水质进行持续而快捷地监测，根据测量结果判断换热器是否泄漏，在发生泄漏的初期发出警报。常压装置E-124换热器是四套循环水系统与该套常压装置换热的最后一站，循环水自该换热器的循环水出口去往四套循环水管网，一旦发生泄漏，生产装置操作人员能把好E-124换热器循环水出口这最后一关，就可以避免油污对下游污水处理装置造成冲击，同时对整个常压装置的换热器进行逐一排查漏点，以达到在泄漏初期及时发现，及时处置的最终目的。

利用分析仪监测换热器泄漏，是永坪炼油厂一次冷换设备管理全新的尝试。通过测量结果时刻掌握换热器的运行状态，切实提高换热器等设备的可靠性，给打破设备隐患发现难、处理不及时的管理瓶颈提供了一种可能。这为冷换设备管理提供了新的现代化管理手段，可以根据数字化的信息积累总结设备运行规律，进而制定合理的设备运行周期，对新技术应用于设备管理全过程具有指导意义。