普光气田污水处理分析仪表的方案设计

林长波

（中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257061）

0 引言

普光含硫气田具有“三高”的特点：高压、高产量、高含硫。由于气田采出天然气含有大量的酸液，酸液中含有大量的Cl-，溶液中溶解有大量的H2S以及CO2，对材料的腐蚀除包含电化学腐蚀外，还包括硫化物应力腐蚀开裂（SSC）、氢致破裂（HIC）、应力导向氢诱发裂纹（SOHIC）等。

普光气田各集气站场的采出液，采用各站汇集到一座污水站集中处理的方式。由于普光气田为高含硫气田，采出液为含有H2S的酸液，根据污水回注PH值的要求，回注液的PH值要求在7±0.5的范围内，所以采出液需经过加药、加ClO2等处理合格后才能回注。为检测回注液的PH值是否达到要求，溶液的PH值、余氯含量、COD含量是必不可少的检测参数。

1 分析仪表的检测原理

组分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表[1]。组分分析的方法一般有两种：一种是定期取样，在化验室进行化验，测定各种成分含量；另一种是使用连续（在线）工作的组分分析仪表对介质中的某种或几种成分进行连续的测定，其中在线分析仪又分为单组分检测分析仪表和多组分分析仪表[2]。普光气田污水处理工程中，建有专门的化验室，用于取样、人工化验介质中的成分。本文主要介绍装在工艺管线或者设备上的连续在线检测单组分的水质分析仪表。

污水处理流程中常用的分析仪表主要包括：PH值分析仪、余氯分析仪、COD分析仪。

图1 PH值分析仪Fig.1 PH Analyzer

图2 PH值与电势关系图Fig.2 Relationship diagram of PH value and potential

1.1 PH值分析仪检测原理

PH值是表征溶液酸碱程度的数学表达形式。

PH = -log [H+]，[H+][OH-] = 10-14

根据能斯特方程：E = E0 +（1.98×10-4）TK pH，25℃时，变化率为59.16mv/pH。

利用对溶液pH值变化敏感的测量电极和有恒定电位的参比电极所组成的工作电池来测量电势，从而利用待测溶液的pH值与工作电池的电势大小之间的线性关系来实现测定[3]。

目前最常用的是玻璃电极法，带双阶参比电极（接地电极和参比电极），使用差分测量技术，内置温度传感器进行温度补偿，具有优异的准确度和可靠性。

1.2 余氯分析仪检测原理

电化学方法：电极的阳极为银电极，阴极为金电极。电极前端有渗透膜和电解液。渗透膜可以选择性让ClO-穿透；在两个电极之间有一个固定电位差，生成的电流强度可以换算成余氯浓度。

在阴极上：ClO-+ 2H++ 2e- → Cl- + H2O

在阳极上：Cl-+ Ag → AgCl + e-

图3 余氯分析仪Fig.3 Residual chlorine analyzer

图4 余氯浓度与电流关系图Fig.4 Diagram of residual chlorine concentration and current

由于在一定温度和PH值条件下，HOCl、ClO-和CL2之间存在固定的换算关系，通过这种方式可计算出HOCl、ClO-和CL2之和，即余氯。

1.3 COD分析仪检测原理

污水处理工程中COD检测目前最常用的为重铬酸钾法。水样、重铬酸钾、硫酸银溶液（催化剂使直链芳香烃化合物氧化更充分）和浓硫酸的混合液在消解池中被加热到175℃，在此期间Cr2+作为氧化剂从VI价被还原成III价而改变颜色，颜色的改变度与样品中有机化合物的含量成对应关系，仪器通过比色换算直接将样品的COD显示出来。

2 分析仪的技术方案设计

分析仪的技术方案设计主要包括现场传感器的安装、传感器与分析仪表直接地连接、分析仪的供电及信号传输。

2.1 分析仪传感器的安装方式

分析仪表的安装方式决定现场施工是否方便，供货方与施工方的分界面是否清楚易解，用户以后的使用维护是否方便，所以分析仪表的安装方式至关重要。

图5 流通池（现场实况）Fig.5 Circulation pool (live)

2.1.1 PH值传感器的安装方式

自带流通池（见图5），在被测量管线上开孔，通过￠6的采样管线将被检测介质引致分析仪自带的流通池内，然后在通过回流管线将样液引致污水池内，做无压排放。传感器插入流通池内，实时检测被测介质。

流通池式安装方式，施工方与供货方的分工界面明确，分析仪进、出口自带￠6卡套接头，现场只需将￠6的采样管线与卡套接头相连即可，现场安装非常简单；用户后期维护和在线更换简单易操作，并且投资相对于插入式安装方式也低很多，所以此种安装方式为首选。

插入式（见图6）。在工艺管线上开孔，预留短管，分析仪须配套插入式全通经球阀组件，传感器经过全通经球阀插入工艺管线内，实时检测被测介质。

插入式安装方式虽然能够实现实时检测介质的PH值，并且理论上能够实现实时更换传感器，但是用户在后期的维护和在线更换方面非常不方便，并且分析仪自带的插入式全通经球阀组件的价格很高，不推荐使用此种安装方式。

2.1.2 余氯传感器的安装方式

余氯分析仪传感器一般为自带流通池，在被测量管线上开孔，通过￠6的采样管线将被检测介质引致分析仪自带的流通池内，然后在通过回流管线将样液引致污水池内，做无压排放。传感器插入流通池内，实时检测被测介质。余氯分析仪一般是将传感器与分析仪表共同放在一个控制箱内，达到对防爆等级及防护等级的要求。

2.1.3 COD分析仪的安装方式

COD分析仪自带分析柜，自工艺管线实时取样，在分析柜内完成过滤、预处理、取样分析等操作，分析完成后，将取样介质通过自带的加压泵打至原水管线。由于目前市场上COD分析仪的工作环境温度为+5℃以上，所以在当地极限低温低于+5℃的场所，自带分析小屋，并配套相应的保温措施，保障分析仪的正常运行。

图6 插入式（现场实况）Fig.6 Inserting (live)

2.2 分析仪表的安装及信号传输

PH值分析仪及余氯分析仪均是由传感器和分析仪表部分组成。PH值分析仪表可采用夹管式安装方式或者自带安装背板的方式，现场安装比较简单；余氯分析仪表一般是和传感器共同放在一个控制箱内，供货厂商完成控制箱内部的安装，并提供控制箱的安装背板，施工方负责控制箱的现场安装。

PH值分析仪传感器与分析仪表之间的连接电缆为专用电缆，为分工界面明确，一般要求厂商自带，并负责提供两端电气接口的密封件；分析仪表输出信号为4mA～20mA标准信号，单独提供24VDC电源。用户方只负责提供信号电缆与电源电缆，内部连接由供货厂商负责。余氯分析仪传感器与分析仪表之间的连接电缆为专用电缆，为分工界面明确，并达到现场防护等级的要求，一般要求供货商将传感器与分析仪表集成在一个防爆箱内；分析仪表输出信号为4mA～20mA标准信号，单独提供220VAC电源。用户方只负责提供信号电缆与电源电缆，内部连接由供货厂商负责。

3 结论

由于普光气田采出液为含有H2S的酸液，通过加药、加ClO2等处理措施之后，是否能达到回注指标的要求，PH值、余氯含量是必要的检测参数。而PH值分析仪、余氯分析仪的系统方案设计关系到现场的施工分工界面是否明确、仪表测量的可靠性、日后用户使用维护是否方便，所以系统方案的设计选择至关重要。