在线分析仪器及分析系统设计及应用6

1、在线分析仪器及分析系统在线分析仪器及分析系统设计与应用技术讲座设计与应用技术讲座第二部分第二部分(6)第一讲在线分析系统概述第一讲在线分析系统概述 第二讲样气取样处理系统第二讲样气取样处理系统第三讲分析系统设计应用第三讲分析系统设计应用主讲人主讲人 朱卫东朱卫东 2011年年在线气体分析系统设计与在线气体分析系统设计与工程应用技术工程应用技术(第二部分第二部分)n第一讲第一讲 在线分析系统概述在线分析系统概述n第二讲第二讲 样气取样及处理系统样气取样及处理系统n第三讲第三讲 在线分析系统设计、集成与应用在线分析系统设计、集成与应用n第四讲第四讲 CEMS的烟气参数监测分析技术的烟气参数监测分析

2、技术n第五讲第五讲 烟气脱硫脱硝烟气脱硫脱硝CEMS的设计应用的设计应用n第六讲第六讲 在线分析系统在石化行业的应用在线分析系统在石化行业的应用 第一讲第一讲 在线分析系统概述在线分析系统概述n1.1在线分析仪器与在线分析系统的发展在线分析仪器与在线分析系统的发展流程工业自动化主要检测控制参量流程工业自动化主要检测控制参量温度温度T压力压力P流量流量F物位物位L成分量成分量A在线分析仪器的发展在线分析仪器的发展现场取样现场取样离线分析离线分析工业过程控制对成分量需求工业过程控制对成分量需求分析仪器自动化可靠性提高分析仪器自动化可靠性提高在线分析仪器在线分析仪器原位分析原位分析抽取分析抽取分析流

3、程在线分析举例：燃煤电厂在线监测流程在线分析举例：燃煤电厂在线监测在线分析仪器在过程控制上的应用在线分析仪器在过程控制上的应用n在线分析仪器又称过程分析仪器，通常指直接在线分析仪器又称过程分析仪器，通常指直接安装在工业生产流程或其他源流体现场，对被安装在工业生产流程或其他源流体现场，对被测介质组成的成分参数或物性参数进行自动连测介质组成的成分参数或物性参数进行自动连续分析测量的一类仪器。续分析测量的一类仪器。n过程分析中，在线分析仪器大致分为两类，一过程分析中，在线分析仪器大致分为两类，一类是直接安装在流程工艺管线上的在线分析仪类是直接安装在流程工艺管线上的在线分析仪器（器（on-line），

4、仪器传感器直接安装在工艺），仪器传感器直接安装在工艺管道或设备中，也称为原位分析仪器；管道或设备中，也称为原位分析仪器；n另一类是通过简单的取样样品处理，将样气从另一类是通过简单的取样样品处理，将样气从工艺管线取出，送到安装在现场的过程分析仪工艺管线取出，送到安装在现场的过程分析仪器（器（in-line）检测。这类简单的取样样品处理）检测。这类简单的取样样品处理被称为在线分析仪器的取样预处理部件。被称为在线分析仪器的取样预处理部件。国产在线气体分析仪器的发展回顾国产在线气体分析仪器的发展回顾二十世纪五二十世纪五十年代到六十年代到六十年代初期十年代初期二十世纪六十年二十世纪六十年代中期到七十年代

5、中期到七十年代代二十世纪八十到二十世纪八十到九十年代九十年代二十一世纪以二十一世纪以来来1957年国产热导年国产热导式式CO2分析仪产分析仪产出。为满足工业出。为满足工业发展及国防需求发展及国防需求国产仪器陆续产国产仪器陆续产出出H2/CO/SO2、NH3,以及以及O2和和红外等气体分析红外等气体分析仪，国内组建一仪，国内组建一批分析仪器厂。批分析仪器厂。1965年国产工业气相色谱年国产工业气相色谱仪产出，仪产出，1974年第二代工年第二代工业色谱仪产出。业色谱仪产出。七十年代国产分析仪器行七十年代国产分析仪器行业形成体系。业形成体系。批量产出批量产出光光学（红外）、电化学、电学（红外）、电化

6、学、电导、热学、顺磁氧、色谱导、热学、顺磁氧、色谱等系列在线分析仪器。等系列在线分析仪器。七十年代后期引进国外先七十年代后期引进国外先进分析仪器技术并国产化。进分析仪器技术并国产化。1984年国产工业质谱仪，年国产工业质谱仪，用于用于8312等重点工程。等重点工程。国产在线分析仪器通过科国产在线分析仪器通过科技创新及引进消化吸收，技创新及引进消化吸收，实现了产品更新换代。实现了产品更新换代。七五、八五期间，通过科七五、八五期间，通过科技攻关及引进吸收，在线技攻关及引进吸收，在线分析系统得到发展。分析系统得到发展。九十年代改革开放，国企九十年代改革开放，国企改制，民企得到新发展。改制，民企得到新

7、发展。2000年以来，在年以来，在线分析仪器及分线分析仪器及分析系统行业得到析系统行业得到大发展。大发展。目前已有数百家目前已有数百家分析仪器公司，分析仪器公司，涌现一批上规模涌现一批上规模的民企和国企。的民企和国企。在线分析工程技在线分析工程技术开始得到推进术开始得到推进n 在线分析仪器及在线分析系统已在石油化工、在线分析仪器及在线分析系统已在石油化工、冶金、电力、建材、化肥、环境、安全监测等领冶金、电力、建材、化肥、环境、安全监测等领域得到广泛应用。对流程工业的安全生产、产品域得到广泛应用。对流程工业的安全生产、产品质量、节能降耗和污染减排等发挥了重要作用质量、节能降耗和污染减排等发挥了重

8、要作用 。n 在线分析系统通常采取系统集成技术，根据在线分析系统通常采取系统集成技术，根据不同在线分析要求，集成包括在线分析仪、其他不同在线分析要求，集成包括在线分析仪、其他相关检测参量及自动化技术等组合的分析系统。相关检测参量及自动化技术等组合的分析系统。n在线分析系统的集成技术应用，除分析仪器、样在线分析系统的集成技术应用，除分析仪器、样品取样处理、数据处理传输技术外，还涉及到现品取样处理、数据处理传输技术外，还涉及到现代分析化学、物理学、机械、电子学、计算机技代分析化学、物理学、机械、电子学、计算机技术及自动化等综合学科的交叉应用。术及自动化等综合学科的交叉应用。1.2在线分析系统的分类

9、与基本组成在线分析系统的分类与基本组成n1.2.1在线气体分析系统的分类在线气体分析系统的分类 在线气体分析系统的分类与在线分析仪器在线气体分析系统的分类与在线分析仪器的分类相似。的分类相似。 按照在线分析仪器是否通过取样分析被分按照在线分析仪器是否通过取样分析被分为：取样式在线分析系统及非取样式在线分析为：取样式在线分析系统及非取样式在线分析系统；系统； 按照在线分析仪器传感器的安装位置又分按照在线分析仪器传感器的安装位置又分为原位安装及现场安装；为原位安装及现场安装； 按照对被分析的样品气是否进行除湿处理按照对被分析的样品气是否进行除湿处理又分为干法分析及湿法分析。又分为干法分析及湿法分析

10、。在线气体分析系统在线气体分析系统在线气体分析系统图1-1在线气体分析系统的分类框图取样式在线分析系统取样式在线分析系统非取样式在线分析系统非取样式在线分析系统原 位 式原 位 式在 线 分在 线 分析系统析系统正 压 式正 压 式取 样 分取 样 分析系统析系统遥 测 法遥 测 法在 线 分在 线 分析系统析系统参 数 监参 数 监测 法 分测 法 分析系统析系统抽 取 式抽 取 式取 样 分取 样 分析系统析系统图图1-1在线气体分析系统的分类框图在线气体分析系统的分类框图1.2.2抽取式分析系统的分类抽取式分析系统的分类图图1-2抽取式分析系统分类框图抽取式分析系统分类框图抽取式分析系统

11、抽取式分析系统直接抽取法直接抽取法稀释抽取法稀释抽取法冷冷/干法干法热热/湿法湿法烟道内稀释法烟道内稀释法烟道外稀释法烟道外稀释法紧密耦合法紧密耦合法1.2.3原位式在线分析系统的分类原位式在线分析系统的分类n原位式在线分析系统被分为点测量在线分析系原位式在线分析系统被分为点测量在线分析系统和线测量在线分析系统。统和线测量在线分析系统。n点测量原位式分析仪器的传感器探头直接安装点测量原位式分析仪器的传感器探头直接安装在工艺管线上在工艺管线上 。n线测量原位式分析通常是发射一束光横穿过流线测量原位式分析通常是发射一束光横穿过流程管道，进行样品气的分析检测程管道，进行样品气的分析检测 。又分为单。

12、又分为单光程和双光程分析两种形式光程和双光程分析两种形式 1.2.4在线分析系统的应用分类在线分析系统的应用分类n在线分析系统的应用主要分为两大类，一类是在线分析系统的应用主要分为两大类，一类是流程工业的过程控制工艺组分的在线成分量检流程工业的过程控制工艺组分的在线成分量检测应用，一类是环境监测领域的固定源污染物测应用，一类是环境监测领域的固定源污染物排放连续监测系统（排放连续监测系统（CEMS）。）。n流程工业的在线分析系统应用非常广泛，在线流程工业的在线分析系统应用非常广泛，在线分析系统组成有各种类型。而环境监测领域的分析系统组成有各种类型。而环境监测领域的CEMS的组成类型也差不多。但的

13、组成类型也差不多。但CEMS的基本的基本组成，已有国家标准明确规范。目前组成，已有国家标准明确规范。目前CEMS是是我国在线分析系统中唯一有明确标准规范的分我国在线分析系统中唯一有明确标准规范的分析系统。析系统。CEMS的系统组成框图参见下图。的系统组成框图参见下图。环境监测环境监测领域标准领域标准规定的规定的CEMS组组成示意图成示意图1.3在线气体分析系统的基本组成在线气体分析系统的基本组成n1.3.1在线气体分析系统的基本组成概述在线气体分析系统的基本组成概述n在线气体分析系统的的基本组成按照取样式和在线气体分析系统的的基本组成按照取样式和非取样式分类而不同。非取样式分类而不同。n取样式

14、分析系统的基本组成主要包括样品取样取样式分析系统的基本组成主要包括样品取样处理系统、在线分析仪器、数据采集处理传输处理系统、在线分析仪器、数据采集处理传输以及分析小屋或分析柜等。以及分析小屋或分析柜等。n非取样式在线分析系统，无需样品取样处理系非取样式在线分析系统，无需样品取样处理系统，如：原位式在线分析系统只包括原位式在统，如：原位式在线分析系统只包括原位式在线分析仪器及数据采集处理等部分。线分析仪器及数据采集处理等部分。取样式在线分析系统取样式在线分析系统样气取样处理系统样气取样处理系统分析测试系统分析测试系统数据采集处理数据采集处理传输系统传输系统取取样样探探头头样样品品传传输输样 品样

15、 品处 理处 理系 统系 统部 件部 件内内分 析分 析测 试测 试流 程流 程组合组合各 类各 类分 析分 析测 试测 试仪器仪器分 析分 析小 屋小 屋或 分或 分析柜析柜数数据据采采集集数数据据控控制制数数据据处处理理数数据据通通讯讯 图图1-3 取样式在线分析系统组成框图取样式在线分析系统组成框图1.3.3冷干法抽取式在线分析系统的组成冷干法抽取式在线分析系统的组成n 冷冷/干法样品处理系统要求干法样品处理系统要求n冷冷/干法的取样处理应保证样品气被测组分是真实干法的取样处理应保证样品气被测组分是真实的，保证能满足在线分析仪器对被测样品气的要求。的，保证能满足在线分析仪器对被测样品气的

16、要求。n在线分析仪器要求：被测量的样品气，应该是无尘在线分析仪器要求：被测量的样品气，应该是无尘的（不含颗粒物）、干燥的（不含水汽）、并符合的（不含颗粒物）、干燥的（不含水汽）、并符合分析仪器要求的适宜的环境温度范围（常温）。分析仪器要求的适宜的环境温度范围（常温）。n通常冷通常冷/干法分析系统的取样处理的除尘要求干法分析系统的取样处理的除尘要求能达到能达到0.10.3m；除湿器的设定冷凝温度；除湿器的设定冷凝温度一般为为一般为为3-5；除湿器出口的温度约在；除湿器出口的温度约在58，分析仪器传感器大多恒温在，分析仪器传感器大多恒温在40左右，在分析检测中不会有水分析出。左右，在分析检测中不会

17、有水分析出。 常规冷常规冷/干法分析系统组成示意图干法分析系统组成示意图取样泵取样泵取样探头取样探头加热管线加热管线冷却冷却除湿器除湿器分析仪器分析仪器分析柜分析柜被测烟道被测烟道 1.4在线分析系统的主要性能特性在线分析系统的主要性能特性n1.4.1在线分析系统的可靠性在线分析系统的可靠性n在线分析系统的可靠性是在线分析行业最关在线分析系统的可靠性是在线分析行业最关注的性能特性，是指按照客户的要求进行可注的性能特性，是指按照客户的要求进行可靠性设计，保证产品有合理的可靠度，能满靠性设计，保证产品有合理的可靠度，能满足客户的预期使用寿命的特性。足客户的预期使用寿命的特性。n可靠性是产品在规定的

18、条件下完成规定功能的能可靠性是产品在规定的条件下完成规定功能的能力，或者是在规定的时间能保持完成规定功能的力，或者是在规定的时间能保持完成规定功能的能力，也可以理解为系统长期稳定运行的能力。能力，也可以理解为系统长期稳定运行的能力。可靠性是与时间（可靠性是与时间（t）有关的函数，表征产品可靠）有关的函数，表征产品可靠性的指标有可靠度、失效率、可靠寿命、首次故性的指标有可靠度、失效率、可靠寿命、首次故障平均时间（障平均时间（MTTF）、平均无故障工作时间）、平均无故障工作时间（MTBF）、维修度、可用度等。）、维修度、可用度等。n在线分析仪器及系统常用在线分析仪器及系统常用MTBF表示。如：氧化

19、表示。如：氧化锆氧分析仪的锆氧分析仪的MTBF要求达到要求达到8000小时以上小时以上。 n国内用于环境监测的烟气连续排放监测系统国内用于环境监测的烟气连续排放监测系统（CEMS），在标准中提出了至少连续运行），在标准中提出了至少连续运行90天的天的质量保证要求。在质量保证要求。在90天运行时间内，除系统正常维天运行时间内，除系统正常维护外，不允许出现需要维修的故障；如出现故障维护外，不允许出现需要维修的故障；如出现故障维修后需重新检测，这也是对系统可靠性及长期稳定修后需重新检测，这也是对系统可靠性及长期稳定性的强制考核要求。性的强制考核要求。 1.4.2在线分析系统的稳定性和准确性在线分析系

20、统的稳定性和准确性n分析系统的稳定性是指在规定的工作条件下，输入分析系统的稳定性是指在规定的工作条件下，输入保持不变，在规定的时间内分析系统的输出信号保持不变，在规定的时间内分析系统的输出信号（分析仪器示值）保持不变的能力。稳定性用噪声（分析仪器示值）保持不变的能力。稳定性用噪声及漂移两个参数表征，噪声表示随机误差，漂移表及漂移两个参数表征，噪声表示随机误差，漂移表示系统误差。常用检测指标有：基线噪声、零点漂示系统误差。常用检测指标有：基线噪声、零点漂移、量程漂移等。移、量程漂移等。n在线分析系统的稳定性指标，一般用在检测期间内在线分析系统的稳定性指标，一般用在检测期间内的零点漂移和量程漂移的

21、相对示值误差表示，如：的零点漂移和量程漂移的相对示值误差表示，如：2%F.S./7d。对分析系统检测期间的时间间隔。对分析系统检测期间的时间间隔大多要求为大多要求为7d（168h）。）。n分析系统的准确性是指系统测量的指示值与被测量分析系统的准确性是指系统测量的指示值与被测量真值保持一致的能力。主要取决于分析仪器的准确真值保持一致的能力。主要取决于分析仪器的准确度，也包含系统取样处理带来的系统影响误差。系度，也包含系统取样处理带来的系统影响误差。系统的准确性的指标大多用准确度，即测量误差表示，统的准确性的指标大多用准确度，即测量误差表示，常用指标为：绝对误差和相对误差。常用指标为：绝对误差和相

22、对误差。n分析系统在检测标定时，一般分为系统内标及外标。分析系统在检测标定时，一般分为系统内标及外标。内标主要测定分析仪器的测量误差，外标要求从取内标主要测定分析仪器的测量误差，外标要求从取样探头处通入标气进行系统标定。也可采用规定参样探头处通入标气进行系统标定。也可采用规定参比方法标准进行在线比对检测。比方法标准进行在线比对检测。1.4.3在线分析系统的适应性在线分析系统的适应性n在线分析系统的适应性主要指分析系统对流程工业在线分析系统的适应性主要指分析系统对流程工业成份量检测项目需求的适应能力。包括满足被测项成份量检测项目需求的适应能力。包括满足被测项目的工艺组分成份量的检测要求，以及对被

23、测项目目的工艺组分成份量的检测要求，以及对被测项目的环境适应性要求。的环境适应性要求。n适应性体现为系统的技术适应性体现为系统的技术“解决方案解决方案”。应该从客。应该从客户的需求分析出发，充分分析客户的工艺及环境条户的需求分析出发，充分分析客户的工艺及环境条件，根据客户招标文件提出的项目技术可行性及成件，根据客户招标文件提出的项目技术可行性及成套性，提出适宜的技术解决方案，满足客户对成份套性，提出适宜的技术解决方案，满足客户对成份量监测的要求。量监测的要求。n从可靠性设计的要求出发，对客户预期的产品生从可靠性设计的要求出发，对客户预期的产品生命周期即使用寿命，应有适宜的目标。对产品的命周期即

24、使用寿命，应有适宜的目标。对产品的使用并不要特别追求更长的使用寿命，从产品的使用并不要特别追求更长的使用寿命，从产品的竞争要求和产品技术更新周期考虑，可靠性设计竞争要求和产品技术更新周期考虑，可靠性设计的目标是的目标是“寿命的平衡寿命的平衡”。n事实上，客户的需求是变化的，技术进步很快，事实上，客户的需求是变化的，技术进步很快，系统只要能满足客户的现在需求和潜在需求，并系统只要能满足客户的现在需求和潜在需求，并具有合理的生命周期就是适宜的。具有合理的生命周期就是适宜的。1.4.4在线分析系统的安全性在线分析系统的安全性n在线分析系统的安全性主要包括系统电气安全、在线分析系统的安全性主要包括系统

25、电气安全、系统气路密封性、防爆安全及网络信息安全等。系统气路密封性、防爆安全及网络信息安全等。n系统电气安全包括系统防止触电、着火、防雷击、系统电气安全包括系统防止触电、着火、防雷击、防电磁干扰等电气安全；防电磁干扰等电气安全；n系统气路密封性是防止管路泄露造成毒害气体危系统气路密封性是防止管路泄露造成毒害气体危及人身安全；及人身安全；n系统的防爆安全是系统在爆炸环境下的防爆设计系统的防爆安全是系统在爆炸环境下的防爆设计的级别和能力，包括在线分析仪器及分析小屋的的级别和能力，包括在线分析仪器及分析小屋的防爆设计要求；防爆设计要求；n系统的网络信息安全是系统输出的信息在传输中的系统的网络信息安全

26、是系统输出的信息在传输中的安全性，以及分析仪器及系统的专业网络的安全性安全性，以及分析仪器及系统的专业网络的安全性等。等。n在线分析系统的安全性又可分为硬件和软件的安全在线分析系统的安全性又可分为硬件和软件的安全性，系统硬件的安全性主要指系统各功能部件的安性，系统硬件的安全性主要指系统各功能部件的安全性和系统对内外部的安全性全性和系统对内外部的安全性n软件安全主要指防病毒及通信安全，特别是信息数软件安全主要指防病毒及通信安全，特别是信息数据的传输的安全。据的传输的安全。 1.4.5在线分析系统的可维护性在线分析系统的可维护性n在线分析系统的可维护性是指系统通过预防性维在线分析系统的可维护性是指

27、系统通过预防性维护保证系统的正常运行，以及出现故障后通过维护保证系统的正常运行，以及出现故障后通过维修恢复原有性能的特性。修恢复原有性能的特性。n通常用可维修度表达，其定义是通常用可维修度表达，其定义是“在可维修系统在可维修系统中，当按照规定的方法进行维修时，在规定的时中，当按照规定的方法进行维修时，在规定的时间内，将设备恢复到原有性能的概率间内，将设备恢复到原有性能的概率”n任何一个系统都可能出现故障或失效，提高系统任何一个系统都可能出现故障或失效，提高系统的可维修度，可以增加系统的正常运行时间，需的可维修度，可以增加系统的正常运行时间，需要对系统进行可维修性设计。要对系统进行可维修性设计。

28、 1.4.6在线分析系统的其他性能特性在线分析系统的其他性能特性n1）在线分析系统的动态特性在线分析系统的动态特性n系统的动态特性主要指系统的反应时间，要求系统系统的动态特性主要指系统的反应时间，要求系统的反应要快、要灵敏。的反应要快、要灵敏。n通常在线分析仪器已给出仪器的反应时间指标。通常在线分析仪器已给出仪器的反应时间指标。n分析系统取样及处理系统会增加仪器的滞后时间。分析系统取样及处理系统会增加仪器的滞后时间。系统内部空间死体积要尽量减小，仪器尽量靠近取系统内部空间死体积要尽量减小，仪器尽量靠近取样点，减少样品气输送管线长度。样点，减少样品气输送管线长度。 n一般要求分析系统的总滞后时间

29、不大于一般要求分析系统的总滞后时间不大于60s，为减，为减小总滞后时间，可采取快速旁路加快反应速度。小总滞后时间，可采取快速旁路加快反应速度。 n2）在线分析系统的成套性）在线分析系统的成套性n系统成套性是指在线分析系统满足客户要求的合理系统成套性是指在线分析系统满足客户要求的合理配置，包括硬件、软件配置，系统的辅助工程和备配置，包括硬件、软件配置，系统的辅助工程和备品备件等。品备件等。 n3）在线分析系统的工艺性）在线分析系统的工艺性n系统的工艺特性是系统设计制造水平的体现，系统系统的工艺特性是系统设计制造水平的体现，系统的制造工艺，包括严格的装配调试工艺是确保分析的制造工艺，包括严格的装配

30、调试工艺是确保分析系统产品质量的保证。系统产品质量的保证。 第二讲第二讲 样气取样及处理系统样气取样及处理系统n2.1样气取样处理系统的基本功能样气取样处理系统的基本功能n样品提取：从排放源取样点提取所需样品流的功样品提取：从排放源取样点提取所需样品流的功能，简称取样。通常采用取样探头抽取样品流，并能，简称取样。通常采用取样探头抽取样品流，并根据样品流工艺参数设计相应的功能。根据样品流工艺参数设计相应的功能。 n样品传输：将样品流从取样点输送到在线分析仪样品传输：将样品流从取样点输送到在线分析仪器入口端的功能，根据样品流的特性，选择合适的器入口端的功能，根据样品流的特性，选择合适的样品传输管线

31、及其控制参数。样品传输管线及其控制参数。n样品处理：样品处理是指对样品流除去或改变那样品处理：样品处理是指对样品流除去或改变那些障碍组分和干扰组分，使之符合在线分析仪器对些障碍组分和干扰组分，使之符合在线分析仪器对样气检测的要求。样品处理要求只改变样品流的物样气检测的要求。样品处理要求只改变样品流的物理和（或）化学物质，而不改变其组分。理和（或）化学物质，而不改变其组分。 n样品排放：样品排放包括分析仪器样气出口端的样品排放：样品排放包括分析仪器样气出口端的烟气排放，及旁通流（快速放散回路的烟气流）和烟气排放，及旁通流（快速放散回路的烟气流）和废液的排放。废液的排放。 n流路切换：分析系统流程

32、设计主要有分析回路、流路切换：分析系统流程设计主要有分析回路、标定回路、快速放散回路及探头反吹回路等，分析标定回路、快速放散回路及探头反吹回路等，分析回路包括系统经样气处理后，供给一套或多套分析回路包括系统经样气处理后，供给一套或多套分析仪器的样品流路。仪器的样品流路。 n系统监控：样品处理系统通过系统监控：样品处理系统通过PLC实现自动控制实现自动控制处理，包括系统流路切换、系统反吹控制及系统各处理，包括系统流路切换、系统反吹控制及系统各主要部件的监控，如：烟气温度、流量、含水分的主要部件的监控，如：烟气温度、流量、含水分的报警等功能；还包括对监测信号的采集，即系统的报警等功能；还包括对监测

33、信号的采集，即系统的状态监控等。状态监控等。n公用设施：系统的公用设施主要是为分析仪器及公用设施：系统的公用设施主要是为分析仪器及样品处理各部件提供必要的工作条件，确保系统正样品处理各部件提供必要的工作条件，确保系统正常工作。常工作。 n系统的气态污染物分析系统通常集成为气体分析系统的气态污染物分析系统通常集成为气体分析柜，气体分析柜需要与其他设备安装在分析小屋柜，气体分析柜需要与其他设备安装在分析小屋内。内。n分析小屋应满足在线分析仪器的安装环境和使用分析小屋应满足在线分析仪器的安装环境和使用要求。分析小屋的附属公用设施，主要包括：配要求。分析小屋的附属公用设施，主要包括：配电箱、反吹压缩空

34、气源、标准气瓶、废气、废液电箱、反吹压缩空气源、标准气瓶、废气、废液排放设施、环境温度控制设备和安全保证措施等，排放设施、环境温度控制设备和安全保证措施等，从而保证在线分析系统的可靠、准确运行。从而保证在线分析系统的可靠、准确运行。2.2样气取样处理系统的基本性能特性样气取样处理系统的基本性能特性n滞后时间滞后时间n样品处理系统的滞后时间是指样品从取样点传送样品处理系统的滞后时间是指样品从取样点传送到在线分析仪器入口端所经过的时间。又称样品到在线分析仪器入口端所经过的时间。又称样品传送滞后时间。样品传送滞后时间传送滞后时间。样品传送滞后时间+分析仪器的分析仪器的响应时间响应时间=分析系统滞后时

35、间，即指样品从取样分析系统滞后时间，即指样品从取样点取出到得到分析结果的这段时间。点取出到得到分析结果的这段时间。n渗透率（泄漏率）渗透率（泄漏率）n在规定工作压力范围内，单位时间渗入（如大气）在规定工作压力范围内，单位时间渗入（如大气）或漏出样品处理系统或其部件的流体量。表示样或漏出样品处理系统或其部件的流体量。表示样品处理系统的密封性能。品处理系统的密封性能。n综合误差综合误差n样品处理后的样品流和取样点被测组分浓度之差。样品处理后的样品流和取样点被测组分浓度之差。其差异可能是由吸附、稀释、渗透或样品流中被测其差异可能是由吸附、稀释、渗透或样品流中被测组分的相互作用而引起的。综合误差考察样

36、品经过组分的相互作用而引起的。综合误差考察样品经过处理后是否失真及失真的程度。处理后是否失真及失真的程度。n安全指标安全指标n样品处理系统由各部件按照系统流程设计要求配置，样品处理系统由各部件按照系统流程设计要求配置，包括系统的供电及控制系统。安全指标主要指对系包括系统的供电及控制系统。安全指标主要指对系统的绝缘及耐压等强制性安全指标，也包括：系统统的绝缘及耐压等强制性安全指标，也包括：系统的接地、防静电、防雷击及抗电磁干扰等安全特性。的接地、防静电、防雷击及抗电磁干扰等安全特性。2.2.2样品处理系统的特殊性能特性样品处理系统的特殊性能特性n体积效应（富集效应）体积效应（富集效应）n体积效应

37、是指由于从样品流中除去一些组分，导体积效应是指由于从样品流中除去一些组分，导致处理样品流中的被测组分浓度升高的效应。致处理样品流中的被测组分浓度升高的效应。n稀释效应稀释效应n稀释效应是指向样品流注入惰性组分而形成的稀稀释效应是指向样品流注入惰性组分而形成的稀释流，导致被测组分浓度降低或特性发生变化的释流，导致被测组分浓度降低或特性发生变化的效应。效应。n转换器效率转换器效率n由转换器产生的特定实际摩尔浓度与被转换的理由转换器产生的特定实际摩尔浓度与被转换的理想最大摩尔浓度之比被称为转换器效率。想最大摩尔浓度之比被称为转换器效率。 2.3样气取样及取样探头样气取样及取样探头n2.3.1CEMS

38、取样点选择及安装要求取样点选择及安装要求n取样点选择及安装的一般性要求取样点选择及安装的一般性要求 取样点的选择应符合国家标准规定的要求取样点的选择应符合国家标准规定的要求 ，应，应位于气态污染物混合均匀的位置。位于气态污染物混合均匀的位置。 nCEMS取样点开孔位置的选择原则取样点开孔位置的选择原则 优先选择在垂直管段和烟道负压区域应尽可能优先选择在垂直管段和烟道负压区域应尽可能选择在气流稳定的断面选择在气流稳定的断面 2.3.2常用取样探头常用取样探头n正压取样探头正压取样探头n取样探管直接插入管道，并安装球阀可在线更取样探管直接插入管道，并安装球阀可在线更换探管。换探管。 内置过滤器取样

39、探头内置过滤器取样探头 取样探头过滤器安装在探管头部（在烟道内）取样探头过滤器安装在探管头部（在烟道内）被称为内置过滤器式探头被称为内置过滤器式探头 。 外置加热过滤取样探头外置加热过滤取样探头 探头过滤器装在烟道外部与法兰连接的圆筒内探头过滤器装在烟道外部与法兰连接的圆筒内 ，通过加热过滤器，可以避免湿烟气冷凝，烟气通过加热过滤器，可以避免湿烟气冷凝，烟气从加热的过滤器中抽出，经加热样品管线，再从加热的过滤器中抽出，经加热样品管线，再送到样品处理系统送到样品处理系统 图图2-2加热外置过滤器探头加热外置过滤器探头 图图2-1外置过滤器式探头外置过滤器式探头 n外置高温加热取样探头外置高温加热

40、取样探头n外置高温型取样探头，探头的温度控制范围为外置高温型取样探头，探头的温度控制范围为0320，探头过滤器的加热保温温度为，探头过滤器的加热保温温度为300左右。常用于烟气脱硝的加热取样左右。常用于烟气脱硝的加热取样 。n普通型烟气加热取样探头的加热保温温度为普通型烟气加热取样探头的加热保温温度为150左右。常用于烟气脱硫的加热取样左右。常用于烟气脱硫的加热取样n设定探头过滤器保温温度的原则是确保在烟气设定探头过滤器保温温度的原则是确保在烟气在取样过滤探头不出现冷凝水，不能低于烟气在取样过滤探头不出现冷凝水，不能低于烟气酸露点以下酸露点以下 n石化用的高温裂解取样探头石化用的高温裂解取样探

41、头n石油化工的取样及样品处理系统，其组分复杂石油化工的取样及样品处理系统，其组分复杂应用难度很大。以乙烯裂解气为例：其样品也应用难度很大。以乙烯裂解气为例：其样品也是高温、高含水以及高油尘，样品温度最大达是高温、高含水以及高油尘，样品温度最大达到：到：650，压力最大到，压力最大到0.14MPa。n取样探头采用高温裂解取样探头技术。该取样取样探头采用高温裂解取样探头技术。该取样探头装置先经过杂质过滤，采用涡旋制冷管产探头装置先经过杂质过滤，采用涡旋制冷管产生制冷气源，通过列管冷却器使样品气的水分生制冷气源，通过列管冷却器使样品气的水分及重的烃类冷凝为液体，返回到工艺管道，样及重的烃类冷凝为液体

42、，返回到工艺管道，样品温度通过温控器控制，其输出压力及流量达品温度通过温控器控制，其输出压力及流量达到预定要求。样品再经过除水及油雾后送在线到预定要求。样品再经过除水及油雾后送在线色谱仪检测色谱仪检测 。 图图2-3 美国流体数据公司美国流体数据公司Py-Gas取样器系统示意图取样器系统示意图 n建材用的高温、高粉尘取样探头建材用的高温、高粉尘取样探头n此探头专用于水泥旋转窑尾烟室及预分解炉的此探头专用于水泥旋转窑尾烟室及预分解炉的取样处理系统。其样品气温度高，窑尾样气温取样处理系统。其样品气温度高，窑尾样气温度达到度达到1350，预分解炉样气达到，预分解炉样气达到900，相对湿度达到相对湿度

43、达到65%，粉尘含量达到，粉尘含量达到2000g/m3,分析对象：分析对象：CO/NOx/O2。n该系统的高温取样探头技术难度最大。由于现该系统的高温取样探头技术难度最大。由于现场条件太恶劣，高温探头经常出现堵塞，高温场条件太恶劣，高温探头经常出现堵塞，高温探头的维护量很大，可靠性还需要改进探头的维护量很大，可靠性还需要改进 图图2-4 西门子西门子CEMAT-GAS高温取样探头原理图高温取样探头原理图n取样探头的反吹防堵取样探头的反吹防堵n用高压气体对取样探头过滤器进行用高压气体对取样探头过滤器进行“反吹反吹”，可使探头堵塞现象减至最低，反吹气体一般使可使探头堵塞现象减至最低，反吹气体一般使

44、用用60100psi（0.40.7MPa）干燥、洁净）干燥、洁净的仪表空气，反向（与烟气流动方向相反）吹的仪表空气，反向（与烟气流动方向相反）吹扫过滤器。反吹可以采取脉冲方式产生。过滤扫过滤器。反吹可以采取脉冲方式产生。过滤器的反吹周期间隔时间从器的反吹周期间隔时间从15min8h不等，脉不等，脉冲反吹持续时间为冲反吹持续时间为52s（10s）。）。n对于要求不能间断取样分析的系统，可以采用对于要求不能间断取样分析的系统，可以采用双探头取样技术。双探头取样技术。 2.4样气传输管线样气传输管线n2.4.1样品传输的基本要求样品传输的基本要求n样品传输的基本要求是：样品在传输过程中保样品传输的基

45、本要求是：样品在传输过程中保持样品被分析组分不失真，并满足分析系统的持样品被分析组分不失真，并满足分析系统的要求。要求。 n防止相变。样气传输过程中气态样品要保持防止相变。样气传输过程中气态样品要保持为气态。冷为气态。冷/干法样气传输管线需要加热保温干法样气传输管线需要加热保温在烟气露点之上。对脱硫烟气分析的电加热传在烟气露点之上。对脱硫烟气分析的电加热传输管线应保温在输管线应保温在110120。.对脱硝烟气对脱硝烟气分析的电加热传输管线应保温在分析的电加热传输管线应保温在280以上。以上。n样气传输管线不得泄漏。以免样品气外泄或样气传输管线不得泄漏。以免样品气外泄或环境空气侵入，造成分析误差

46、及污染环境。对环境空气侵入，造成分析误差及污染环境。对源级抽取法的传输管线从取样探头到分析柜或源级抽取法的传输管线从取样探头到分析柜或除湿器整个管路，安装的倾斜度不得小于除湿器整个管路，安装的倾斜度不得小于5。n样气传输管线应尽可能短。也就是要求取样样气传输管线应尽可能短。也就是要求取样点与分析柜的距离要尽量短，使得传输管线的点与分析柜的距离要尽量短，使得传输管线的容积尽可能小，样品气流速尽可能快，样气传容积尽可能小，样品气流速尽可能快，样气传输的滞后时间应小于输的滞后时间应小于30秒，最大不宜超过秒，最大不宜超过60秒。如达不到系统响应时间的要求，可采取快秒。如达不到系统响应时间的要求，可采

47、取快速循环回路或快速旁通回路，以缩短样品传输速循环回路或快速旁通回路，以缩短样品传输的滞后时间。的滞后时间。n对冷对冷/干法干法CEMS，样气传输管线的连接应，样气传输管线的连接应特别注意电加热传输管线与取样探头的连接接特别注意电加热传输管线与取样探头的连接接头处，以及与分析柜内的除湿器接头处的加热头处，以及与分析柜内的除湿器接头处的加热与保温，防止在这些部位会出现因局部温度降与保温，防止在这些部位会出现因局部温度降低产生冷凝水，导致腐蚀管路及连接件。低产生冷凝水，导致腐蚀管路及连接件。2.4.2样品传输管线样品传输管线n样品传输管线是将样品从取样探头传输到样品样品传输管线是将样品从取样探头传

48、输到样品处理系统或分析仪的管线处理系统或分析仪的管线 。样品传输管线的。样品传输管线的全过程传输要加热保温在烟气露点之上温度全过程传输要加热保温在烟气露点之上温度 。n样品传输管线的伴热保温方式有蒸汽伴热和电样品传输管线的伴热保温方式有蒸汽伴热和电伴热两种。电伴热的温度较低在伴热两种。电伴热的温度较低在250左右，左右，而蒸汽保温温度高可达到而蒸汽保温温度高可达到450，蒸汽伴热通，蒸汽伴热通常用在需伴热的温度较高的场合。一般情况下，常用在需伴热的温度较高的场合。一般情况下，冷冷/干法干法CEMS采用电加热样品传输管线。采用电加热样品传输管线。n电伴热组合管缆的电伴热带按加热控制方式可电伴热组

49、合管缆的电伴热带按加热控制方式可分为恒功率型、限功率型或称自限型、自调控分为恒功率型、限功率型或称自限型、自调控型三种，型三种，CEMS中大多使用限功率型电伴热组中大多使用限功率型电伴热组合管缆。合管缆。n 图图2-5典型的电伴热组合管缆典型的电伴热组合管缆2.4.3电伴热带及电伴热管缆电伴热带及电伴热管缆n电伴热带常用有：自调控电伴热带、恒功率电伴电伴热带常用有：自调控电伴热带、恒功率电伴热带、限功率电伴热带、串联型电伴热带。热带、限功率电伴热带、串联型电伴热带。n前三种均属于并联型电伴热带，它们是在两条平前三种均属于并联型电伴热带，它们是在两条平行的电源母线之间并联电热元件构成的。样品传行

50、的电源母线之间并联电热元件构成的。样品传输管线的电伴热大多选用自调控电伴热带无需配输管线的电伴热大多选用自调控电伴热带无需配温控器。样品温度较高时采用限功率电伴热带。温控器。样品温度较高时采用限功率电伴热带。 2,5样气除水及除湿部件样气除水及除湿部件n2.5.1样品除水要求及方法样品除水要求及方法n除水要求除水要求 通常把将气体样品露点降至常温通常把将气体样品露点降至常温（1520）叫做除水，而将样品露点降至常温）叫做除水，而将样品露点降至常温以下叫做除湿或脱湿。以下叫做除湿或脱湿。n除水方法除水方法n冷却降温冷却降温 有水冷（可降至有水冷（可降至30或环境温度）、或环境温度）、涡旋管制冷（

51、可降至涡旋管制冷（可降至-10或更低）、冷剂压缩或更低）、冷剂压缩制冷（可降至制冷（可降至5或更低）、半导体制冷等。或更低）、半导体制冷等。n惯性分离惯性分离 有旋液分离器、气液分离罐等。前者有旋液分离器、气液分离罐等。前者利用离心作用进行分离，后者利用重力作用进行利用离心作用进行分离，后者利用重力作用进行分离。分离。n过滤过滤 有聚结过滤器、旁通过滤器、膜式过滤器、有聚结过滤器、旁通过滤器、膜式过滤器、纸质过滤器和监视（脱脂棉）过滤器等。纸质过滤器和监视（脱脂棉）过滤器等。n前三种用于脱除液滴，后两种用于分析仪之前的最前三种用于脱除液滴，后两种用于分析仪之前的最后除湿。这些过滤器只能除去液态

52、水，而不能除去后除湿。这些过滤器只能除去液态水，而不能除去气态水，即不能降低样气的露点。气态水，即不能降低样气的露点。nNafion管干燥器管干燥器 Nafion管干燥器是一种除湿干管干燥器是一种除湿干燥装置，以水合作用的吸收为基础进行工作，具有燥装置，以水合作用的吸收为基础进行工作，具有除湿能力强、速度快、选择性好、耐腐蚀等优点，除湿能力强、速度快、选择性好、耐腐蚀等优点，但它只能除去气态水而不能除去液态水。但它只能除去气态水而不能除去液态水。n干燥剂吸收吸附干燥剂吸收吸附 所谓吸收，是指水分与干燥剂发所谓吸收，是指水分与干燥剂发生了化学反应变成另一种物质，这种干燥剂称为化生了化学反应变成另

53、一种物质，这种干燥剂称为化学干燥剂；所谓吸附，是指水分被干燥剂（如分子学干燥剂；所谓吸附，是指水分被干燥剂（如分子筛）吸附于其上，水分本身并未发生变化，这种干筛）吸附于其上，水分本身并未发生变化，这种干燥剂称为物理干燥剂。某些干燥剂对气样中一些组燥剂称为物理干燥剂。某些干燥剂对气样中一些组分也有吸收吸附作用；随着时间推移，干燥剂脱湿分也有吸收吸附作用；随着时间推移，干燥剂脱湿能力会逐渐降低。能力会逐渐降低。2.5.2冷却降温除水冷却降温除水n样品降温除水常用的冷却器样品降温除水常用的冷却器n涡旋管冷却器涡旋管冷却器 根据涡旋制冷原理工作。根据涡旋制冷原理工作。n压缩机冷却器又称为冷剂循环冷却器

54、，其工作原理压缩机冷却器又称为冷剂循环冷却器，其工作原理和电冰箱完全相同。和电冰箱完全相同。n半导体冷却器半导体冷却器 根据帕尔帖热电效应原理工作。根据帕尔帖热电效应原理工作。n水冷却器水冷却器 通过与冷却水的换热实现样品的降温，通过与冷却水的换热实现样品的降温，有列管式、盘管式、套管式几种结构类型。有列管式、盘管式、套管式几种结构类型。n涡旋管冷却器、压缩机冷却器和半导体冷却器主涡旋管冷却器、压缩机冷却器和半导体冷却器主要用于湿度高、含水量较大的气体样品降温除水。要用于湿度高、含水量较大的气体样品降温除水。其中以压缩机冷却器除湿效果最好，但价格较高。其中以压缩机冷却器除湿效果最好，但价格较高

55、。半导体冷却器难以用在防爆场所，涡旋管冷却器半导体冷却器难以用在防爆场所，涡旋管冷却器对气源的要求高、耗气量大，适用于防爆场所。对气源的要求高、耗气量大，适用于防爆场所。n涡旋管冷却器涡旋管冷却器 图2-7涡旋管的结构示意图 n涡旋管冷却器中，常温压缩空气经喷嘴沿切线方涡旋管冷却器中，常温压缩空气经喷嘴沿切线方向喷入涡旋发生器，由于切向喷嘴的作用，在涡向喷入涡旋发生器，由于切向喷嘴的作用，在涡旋发生器中形成沿圆周方向以音速旋转前进的高旋发生器中形成沿圆周方向以音速旋转前进的高速气流，顺涡旋管向左运动。热端装有控制阀，速气流，顺涡旋管向左运动。热端装有控制阀，当气流到达热端时，外圈气流从控制阀阀

56、芯周边当气流到达热端时，外圈气流从控制阀阀芯周边排出，内圈气流受到阀芯的阻挡，反向折转沿涡排出，内圈气流受到阀芯的阻挡，反向折转沿涡旋管向右运动，由冷端出口排出。旋管向右运动，由冷端出口排出。n涡旋管冷却器的结构简单，启动快，维护方便，涡旋管冷却器的结构简单，启动快，维护方便，但耗气量较大，可达但耗气量较大，可达50100L/min。采用较高。采用较高气压时，气样的温度可降至气压时，气样的温度可降至-40-10。在实际。在实际使用中，温度给定不能太低，一般设定在使用中，温度给定不能太低，一般设定在15，使气样含水量降至使气样含水量降至0.6%0.8%左右即可。若低左右即可。若低于于0以下时，冷

57、凝出的水冻结会堵塞管道。以下时，冷凝出的水冻结会堵塞管道。 涡旋管工作原理图涡旋管工作原理图 n压缩机冷却器压缩机冷却器n压缩机冷却器的制冷原理和电冰箱完全相同，如图压缩机冷却器的制冷原理和电冰箱完全相同，如图2-9所示。制冷剂蒸气经压缩机压缩后，在冷凝器所示。制冷剂蒸气经压缩机压缩后，在冷凝器中液化并放出热量，在进入干燥器脱除可能夹带的中液化并放出热量，在进入干燥器脱除可能夹带的水分。毛细管的作用是产生一定的节流压差，保持水分。毛细管的作用是产生一定的节流压差，保持入口前制冷剂的受压液化状态并使其出口释压膨胀入口前制冷剂的受压液化状态并使其出口释压膨胀汽化。制冷剂在汽化器中充分汽化并大量吸热

58、，使汽化。制冷剂在汽化器中充分汽化并大量吸热，使与之换热的样品冷却降温。与之换热的样品冷却降温。压缩机冷却器的制冷原理图压缩机冷却器的制冷原理图n压缩机冷却器的除湿装置示意见下图，它由一组压缩机冷却器的除湿装置示意见下图，它由一组放置在液体中的盘管组成。盘管材料有玻璃、放置在液体中的盘管组成。盘管材料有玻璃、Kynar(聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯)和和Teflon（聚四氟乙烯）（聚四氟乙烯）等，液体可以是水或某种防冻液，有时也采用空等，液体可以是水或某种防冻液，有时也采用空气。这些液体由制冷系统冷却，为了避免烟气中气。这些液体由制冷系统冷却，为了避免烟气中的水分在盘管中冻结，液体的温度不允许低于

59、的水分在盘管中冻结，液体的温度不允许低于35 （1.67）。水蒸气冷凝液由液体收集器集）。水蒸气冷凝液由液体收集器集中，用蠕动泵定期或连续排出。中，用蠕动泵定期或连续排出。n增加一组冷却盘管可进一步降低水分含量，但更为增加一组冷却盘管可进一步降低水分含量，但更为有效的措施是在第一级盘管之后加一个样品泵，从有效的措施是在第一级盘管之后加一个样品泵，从第一级冷却器加压向第二级冷却器传送样气。气体第一级冷却器加压向第二级冷却器传送样气。气体在压力下比在真空下更容易冷凝在压力下比在真空下更容易冷凝 压缩机冷却器的除湿装置压缩机冷却器的除湿装置 n 半导体冷却器半导体冷却器n半导体冷却器如图半导体冷却器

60、如图2-11左图所示，半导体冷却器左图所示，半导体冷却器又称热点冷却器，其优点是：外形尺寸小，使用又称热点冷却器，其优点是：外形尺寸小，使用寿命长，工作可靠，维护简便，控制灵活方便，寿命长，工作可靠，维护简便，控制灵活方便，且容易实现较低的制冷温度。其缺点是制冷效率且容易实现较低的制冷温度。其缺点是制冷效率低，成本高。低，成本高。n半导体冷却器的除湿装置是将一个撞击器半导体冷却器的除湿装置是将一个撞击器（impinger，又称射流热交换器，又称射流热交换器jet stream heat exchangers）装在吸热块中，吸热块与珀）装在吸热块中，吸热块与珀尔帖元件的冷端连接，其装置图参见图尔