在线分析样气处理系统技术创新发展研究

、3

(1.沃森测控技术(河北)有限公司，廊坊065000；2.重庆重科大分析仪器有限公司，重庆401331；3.重庆凌卡分析仪器有限公司，重庆400041)

在线分析样气处理系统技术创新发展研究

常寿兵1杨永龙2金义忠2、3

(1.沃森测控技术(河北)有限公司，廊坊065000；2.重庆重科大分析仪器有限公司，重庆401331；3.重庆凌卡分析仪器有限公司，重庆400041)

样气处理系统技术是在线分析系统的关键技术，探索和研究如何创新发展，对于提高样气处理系统及其在线分析系统的研发及应用水平，具有极其重要的工程意义。本文仅以LKP107型精准脱硝取样探头系统为例，解读构建和设计更加可靠免维护样气处理系统的创新思维和工程化方法。

样气处理系统 免维护 整体优化设计 精准脱硝

1 引言

样气处理系统伴随在线分析仪诞生，在我国已有61年技术史(1956～2017年)，随着上世纪八十年代大规模引进技术国产化的推进，以及实施《过程分析器试样处理系统性能表示》(JB/T6854-1993)*注1更新版本是《过程分析器试样处理系统性能表示》(JB/T6854-2005)。的机械部行业标准，四川仪表九厂的RS1000系列过程分析成套系统被列为国家级火炬计划项目，样气处理系统技术才开始出现专业化研究和针对性、规范化设计的新趋势，在线分析仪工程应用的故障率已由过去的50%以上，逐步大幅度降低，并出现了在线分析系统工程应用“100%投运成功率”的新概念。

在践行创新驱动的国家发展战略之际，流程工业的优化控制和先进过程控制，环保行业超低排放急需的技术升级，都迫切要求本专业必须正面回应并满足国家重点工程和广大工程用户所面临的严峻挑战及现实需要，为解决现有和新的工程应用难题开辟新前景。为此，在线分析样气处理系统技术创新发展研究，具有迫切的现实意义①。

2 样气处理系统技术创新突破的主攻方向

为了使在线分析系统能够真正实现长寿命周期的协调运行，就得更好抓住样气处理系统技术的精髓，锁定样气处理系统技术创新突破的主攻方向：

(1)对缺乏均一性和不可能按期望预设样气条件的良好适应性。

(2)对在线分析仪稳定性、可靠性、准确性、安全性和长寿命周期的可靠保障。

(3)对在线分析系统工程应用中人工介入的解放，即少维护，甚至免维护。

样气处理系统产品要有生命力，其产品设计就得全面做到以上三点，这的确非常困难，却又是必须的。

3 研制高端品质样气处理系统何以可能

(1)朱良漪老前辈在2007年第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛的主旨报告：“21世纪前沿技术‘分析技术’与‘自动化’的系统集成”[1]，是在线分析技术质量发展的一个重要转折点，他多次强调的“国家重点工程导向”的技术观点，已融入本专业工程师的技术观及其工程实践。

(2)人民科学家钱学森院士的《创建系统学》[2]的系统学科学理论，催生了在线分析系统应用型基础理论的初创[3]，其中从技术系统的开放性归纳出的样气处理系统的开放性具有特别重要的实践意义：样气处理系统与其工程应用的外部环境(样气条件、环境条件和安装条件等)长期存在十分复杂、动态的物质交换、能量交换和信息交换。这是设计高端品质样气处理系统的钥匙，也是寻找和排除在线分析系统工程应用故障最有效的技术手段。

(3)前苏联发明大师根里奇·阿奇舒勒的发明问题解决理论TRIZ[4]，在我国推广是命名为“萃智”，能让工程师摒弃习惯应用的尝试法。真正采用发明原理、科学原理和科学效应来提高研发新产品成功率及其质量。

(4) 在线分析技术61年的技术史，特别是新世纪在线分析产业持续的爆发性增长，为样气处理系统技术的创新发展提供了最佳的契机和坚实的技术基础，不少子系统、微系统已经是高度成熟的产品技术，可以放心地推广应用。多数技术制高点被攻破，是本专业工程师研发实力的真实表现。

(5)样气处理系统及在线分析系统的“多目标整体优化设计方法”[5]，是高端品质样气处理系统研制中值得推荐的先进方法，因为它符合“质量源于设计(QbD)”的技术理念。其突出优点体现在在线分析系统协调进化五原则中：

① 很好保留了原系统的优点；

② 比较彻底地清除了原系统的局限和不足；

③ 新系统没有变的更复杂和成本更高；

④ 新系统没有引进新的缺陷和技术风险；

⑤ 新系统更能长寿命周期地协调运行。

至此，对于研制具有新世纪前沿技术特征的精准脱硝急需的取样探头系统，我们团队积累起了很强的技术实力，并对于它的一次性成功充满信心。

4 LKP107型精准脱硝取样探头研制的技术突破研究

4.1 环保超低排放脱硝工程面临的挑战

根据国家发改委，环境保护部和能源局制定的《煤电节能减排升级与改造行动计划》(2014～2020年)，将燃煤电厂大气污染氮氧化物的排放限值从2011年的100～200mg/m3进一步降低至50mg/m3，使原来基本适用的样气处理系统技术，现在根本满足不了工程应用的现实需要，催生了刚性的技术升级要求。

监控和降低氮氧化物排放的脱硝(SCR)环保工程,需要准确监测lt;3×10-6的微量氨逃逸，一般情况下逃逸微量氨含量大多只有1×10-6左右，在线分析仪所选量程一般为0～10×10-6NH3，工程应用中将面对如下三大困难：

(1)烟气条件的困扰

我国燃煤锅炉烟气的粉尘含量一般较高，而且缺乏均一性，不可能按需要预设，治理较晚的陶瓷行业更差，会成为很严重的广义干扰，这给微量氨逃逸监测的准确性、可靠性、连续性、维护性都造成很大困难，这特别是原位法测氨面对的技术难题。

(2)微量氨测量的困难

微量氨逃逸测量对分析仪的稳定性、准确性、抗广义干扰的要求都很高。氨容易产生吸附，是易溶性气体，在取样、传输、处理的全过程中，如有“冷点”出现，氨接触冷凝水会产生流失，严重影响微量氨检测的准确度。

(3)高温取样和传输的困难

燃煤烟气中不可避免地存在干扰组分SO3，会和NH3反应生成NH4HSO4(硫酸氢胺)，NH3+SO3+H2O→NH4HSO4。

硫酸氢胺在146～232℃温度范围内都是液态，会和烟气中的飞灰结合而产生沉淀(类似于结晶)，必然造成空气预热器的阻力增大，严重时甚至有发生堵塞的风险，对空气预热器的安全运行造成严重威胁。而且，取样探头也有因为堵塞造成取样中断的风险。所以，脱硝微量氨逃逸监测系统的安全运行温度，理论上必须保持≥230℃的“高温”，这是相对于此前行业性185℃左右的较低温度而言。这个必须提高的“高温”在工程化设计当中有很高的技术难度，使相应的脱硝专用取样探头系统，被推上样气处理系统的技术制高点。

4.2 LKP107型脱硝取样探头的整体优化设计

微量氨逃逸的监测准确度，仍是工程界值得深入研究的课题，已有多个单位在开展“精准脱硝”和“脱硝优化”的工程化深入研究，化学法氨逃逸监测系统可能更具有技术优势的整体解决方案。采用多目标整体优化设计的LKP107型脱硝取样探头，是为其特别制定的高端品质配套产品。

(1)采用LKF2型超微孔SiC高精度探头过滤器。

先进的表面过滤原理与众多的深度过滤器有本质的不同。高精度(0.3μm99%)和低气流阻力(lt;80pa)(∅50×∅20×135mm)的完善协调，工程应用中阻力增大还很缓慢，耐高温、耐腐蚀、高强度、抗污染、长寿命(中等粉尘条件下至少四年)。

(2)将探头过滤器设计成过滤器组件，内置于探头管前端烟道内的高温环境中(lt;450℃)，不需要对其再加温，设计有开口防护罩，避免了粉尘的直接冲刷，又降低了粉尘的聚集。防漏灰的结构及工艺设计，大大提高了工程应用的可靠性。

(3)探头管外端设计有铠装式电加热元件和测温铂电阻，以及探头防护箱内的保温套，由PLC控制230℃的稳定温度，不至于出现引发结晶的“冷点”，可提高可靠性，寿命周期长。

(4)取样探头配置有独立的反吹箱，可对过滤器实施长周期(例如8h 1次)的脉冲式反吹扫，实现无堵塞连续采样。

(5)加热反吹扫，反吹扫的仪表空气不但经过了除尘、除油的净化处理，而且稳定加热至和烟气温度相当的高温，避免低温空气将高温过滤器吹裂，确保反吹扫效果。

(6)取样探头主要材质采用316L，整个取样管道表面采用了特殊处理工艺，有效避免因吸附等原因造成逃逸氨的流失。

(7)取样探头的整体式主体结构总长1.8米，外径∅80mm，配套有带护管的安装法兰，安装、使用、维护、检修很方便。

(8)LKP107型脱硝取样探头需要系统集成商提供相适应的匹配条件：如230℃的电热管，外径(∅60mm)，反吹扫时切断样气的高温气动球阀(进口的高可靠产品)，以及PLC程序控制等。

4.3 LKP107型脱硝取样探头的主要技术特性

环境条件：环境温度5～50℃，环境相对温度lt;90%RH

样气条件：样气温度lt;450℃(但gt;150℃)，样气压力gt;-20KPa

样气流量：lt;15L/min，样气粉尘lt;200g/m3(无限制)

使用条件：供电电源220±22VAC，50Hz，加热功率400W

反吹扫气源：0.45～0.6Mpa洁净仪表空气

4.4 对“多目标整体优化设计”的深度解析

少维护：长寿命周期协调运行，近乎免维护的工程应用效果。

高可靠性：高可靠的无堵塞连续取样。

高准确度：全程高温≥230℃，无氨流失，无硫酸氢胺生成。

长寿命周期设计：目标寿命周期至少5年，争取达到10年。

技术成熟度高：采用先进技术、成熟技术，经过长期工程实践的技术。例如高精度探头过滤器自1985年开始在我国应用，至少有几万件的成功工程实践。

结构及工艺设计的优化合理。

产品具有高端品质，能对分析仪提供真正可靠保障。

设备运营成本低，探头及探头过滤器的寿命周期长，反吹扫周期长。

LKP107型脱硝取样探头的首批产品，已于2017年5月进入工程应用现场考核试验。

5 技术讨论

(1)要构建、设计和驾驭高可靠、免维护的取样探头系统，就一定要在技术系统的整体和局部(包括最前端的微系统)的关系中明察秋毫，杜绝一切疏漏。

(2)坚持样气处理系统设计的基本原则十分必要。那就是合理匹配、完善组合、协调运行，这只有更好抓住样气处理系统的精髓，才有可能做好。

(3)坚持国家重点工程导向，锁定样气处理系统技术创新发展的主攻方向，其工程化的努力集中体现在“以协调进化五原则为核心的多目标整体优化设计”的系统性方法上。

(4)LKP107型脱硝专用取样探头能够很好满足精准脱硝和脱硝优化严苛的工程应用要求，为脱硝细分行业的技术升级，提供了坚实可靠的技术基础，既适用于直接抽取式，也适用于旁路抽取式。

LKP107型精准脱硝取样探头系统，有可能是在线分析样气处理系统技术一个新的技术制高点。

[1]朱良漪.21世纪的前沿技术“分析技术”与“自动化”的系统集成[C]//第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛文集，2007:4-6.

[2]钱学森.创建系统学[M].太原：山西科学技术出版社，2001：2-17.

[3]金义忠.构建在线分析系统基础理论的探索研究[M]//在线分析技术工程教育.北京：科学出版社，2016:30-37.

[4]杨清亮.发明是怎样诞生的—TRIZ理论全接触[M].北京：机械工业出版社，2006：11-24.

[5]金义忠.在线分析系统基础理论和整体优化设计的探索研究[M]//在线分析技术工程教育.北京：科学出版社，2016:38-47.

2017-07-06

常寿兵，男，1978年出生，北京航空航天大学电子与通讯工程硕士，工程师，沃森测控技术(河北)有限公司技术总监，研究方向：燃煤锅炉的燃烧优化控制，仪器仪表和计算机软件控制系统设计，E-mall：stan.chang@walsn.com。

信息简讯

我国首台高平均功率太赫兹自由电子激光饱和出光

近日，由中国工程物理研究院应用电子学研究所(中物院十所)牵头负责的高平均功率太赫兹自由电子激光装置(以下简称CTFEL装置)首次饱和出光并实现稳定运行。这标志着中国首台具有高重复频率、高占空比特性的太赫兹自由电子激光装置建成，我国太赫兹源正式进入自由电子激光时代。

太赫兹(THz)辐射通常指频率在0.1THz～10THz区间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间，是人类尚未完全认识并很好加以利用的最后一个波(光)谱区间。自由电子激光(FEL)由于具有频率连续可调、功率大、线宽窄、方向性好、偏振强和皮秒时间结构等优点，使得在同一台装置上实现太赫兹波段全覆盖的大功率理想太赫兹源成为了可能，故FEL是目前该波段最有前途的高功率可调谐相干光源。

CTFEL装置依托于国家重大科学仪器设备开发专项“相干强太赫兹源科学仪器设备开发”项目，于2011年正式启动，2016年底完成装置研制与总体集成。装置采用谐振腔型FEL技术路线，主要包括直流高压光阴极注入器、射频超导加速器、摇摆器、激光谐振腔、THz传输与测量系统等。2017年9月20日，经专家组现场测试和第三方检测，CTFEL装置在1.99 THz 、2.41 THz和2.92 THz三个频率点稳定运行，平均功率均大于10W，最高达到17.9W；微脉冲峰值功率均大于0.5MW，最高达到0.84MW，通过调节电子束能量和摇摆器磁场强度，可以实现输出频率连续可调，技术指标达到国际先进水平。

作为一种新型相干强太赫兹光源，高平均功率、高峰值功率的太赫兹自由电子激光在材料、生物医学等领域有着重要应用，通过系统研究强太赫兹波与新材料的作用机理、THz电磁辐射与DNA相互作用的生物效应机理等，发现强太赫兹环境下的物理规律和实验现象，为新实验研究方法和新器件设计及研发提供理论依据。

下一步，该项目科研团队将充分利用现有的技术优势，尽快开展装置用户实验，多渠道发掘该装置的应用潜力与推广前景，为各相关学科研究和THz辐射在其他高新技术领域的应用提供支撑。同时，在现有装置的基础上进一步拓展FEL激光波长范围，使其成为我国光源体系中的重要组成部分，并使我国的太赫兹光源技术及应用研究在国际上占有一席之地。(中国科学报 陆琦)

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