1  前 言

进入2008年的在线分析工程技术，面对新的挑战和历史性机遇，正进入新的发展时期，其深刻内涵是追求创造和创新，和改革开放的潮流与时俱进，进而造就可持续发展的朝阳产业，为此,在线分析系统规范的专业化设计是值得高度关注的技术课题。

在线气体分析器以在线气体分析系统（过去称过程分析成套系统,以下简称在线分析系统）的名称和形式开展工程应用已有16年历史，但技术上很不成熟，如专业理论几乎是“空白”，规范的专业化设计尚处初级阶段，性能、质量、水平和品质等都难如人意，尚难取得进入在线分析重点行业、重点应用领域的“通行证”。

本文从探讨在线分析系统规范的专业化设计入手，期待在线分析系统的技术概念设计和产品设计有所提高和突破。

 

2  在线分析系统的分层技术结构

在线分析系统整体上从技术逻辑分析有三层“技术结构层面”，如下图1所示。

第二层面的在线分析系统在第一层面的在线分析器之上，两者虽然有紧密联系，常常不可分割,但在线分析系统在新的技术结构层面上显示出新的技术特性，那就是新的组织性、体系性、目的性,最起码在技术概念、技术方法和技术价值上，可以说在线分析系统已经突破和超越了在线分析器,两个层面有着完全不同的技术观念、技术概念和技术方法。样气处理应用技术,既要适合在线分析器的苛刻要求,又受生产工艺过程恶劣样气条件和应用环境的严格制约。

 

 

图1的最大启发是，三层结构的技术结构层面清晰，使我们看到了在线分析工程技术完整的结构连系,不至于粗心大意而混淆。固执保守的陈旧观念正是结构层面混淆、技术逻辑含混所造成的迷惑和误解。

在线分析系统规范的专业化设计的最终目标一定是“100%工程应用投运成功率”。离开了在线分析系统这个技术结构层面，在线分析器无论如何也是达不到这个高企的目标。早在1985年以前,我国的在线分析器还以单机形式开展工程应用,那时在线分析器工程应用的故障率，据说高达60%。

 

3  在线分析系统的技术组成

完善的能够在工程中成功应用的在线分析系统，需要五大核心技术：

（1） 在线分析器技术:选型和选规格以及自选项都要合理,并能有效抗可能存在的非测量组分的干扰。

（2） 样气处理系统技术：“样气处理系统技术是在线分析系统的核心和关键技术”^[1]。样气处理系统的技术基础是各种样气处理部件。可以说离开了样气处理部件，也就不存在样气处理系统技术。

（3） 在线分析系统的产品技术：在线分析系统不单是在线分析工程技术的产品形态，更是在线分析工程技术的商品形态，唯有它才是在线分析器和工程项目的工程招标“接口”。不但需要完整的工程应用形态的产品设计，而且需要简洁、易懂，易于向工程用户实现整体技术转移的技术表达。产品技术进一步的专业化表达就是规范的专业化设计技术，它是最为核心的、起主导作用的技术。

（4） 在线分析系统的市场营销技术：包括市场的开发、营销体系的建立，以及市场的培育和“教育”。

（5） 在线分析系统的工程应用技术：包括工程应用开发和现场投运技术，以及全过程技术服务技术。

  以上五大核心技术的系统集成就是在线分析工程技术，或者说以上五大核心技术的系统集成就是广义的在线分析系统。这种工程应用中的多元技术组合或系统集成，绝对离不开“综合”的方法论。

 

4  在线分析系统设计的新观念

2007年11月6日的第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛上，国际仪器仪表工程技术专家朱良漪教授作了“21世纪的前沿技术‘分析技术’与 ‘自动化’的系统集成”。^[2]的主旨报告，还提出了“２１世纪的世界性危机”的公式。这次会议引发了具有“颠覆性”特征的核心观念转变，将决定和主导我国在线分析工程技术的发展方向：

（１）   “分析技术”与“自动化”的系统集成是２１世纪前沿技术的学习思想（朱良漪）。

（２）   “在线分析系统要有１５年寿命周期”的工程设计新理念（中国仪器仪表学会在线分析仪器委员会主任委员黄步余）

（３）   “样气处理系统技术是在线分析系统的核心和关键技术”的专业技术新概念

以上三大核心观念对其他传统观念和原有技术概念造成极大的冲击，为今后在线分析系统规范的专业化设计，找准了定位，锁定了明确的方向。

 

５　诠释规范的专业化设计

在线分析工程技术在我国的应用和发展，可以说还没有完全走出“初级阶段”，从整个行业来审视，它尚不成熟，至今也没有行业标准就是证明。在线分析系统面对千差万别的取样条件和应用要求，技术边界很不清晰，存在太多的不确定性和特殊性。所以在线分析系统很难做到标准化设计，而是每一套都主要以技术协议和具体的技术配置方案来确认其产品技术及供货状态，国内外公司都是如此,这和在线分析器有着鲜明的本质区别。

尽管存在上述特殊性和很大困难，在线分析系统采取某种程度规范的专业化设计还是具有合理性和可操作性。

所谓规范化就是为了在技术尚不成熟和稳定的客观困难条件下，在特定范围内追求超前的最佳秩序，针对现实困难的技术问题和为防范潜在问题而制定的可以在特定范围共同使用和重复使用的条款的活动。规范化文件区别于标准化文件的显著特点是，不必经过大范围的协商一致,也不必由技术监督部门等权威机构批准,实属“自治”性的自我技术约束和管理。

所谓专业化就是为了保障在线分析系统在工程中的成功应用,在线分析系统的产品设计必须有长期工程实践的依据,必须对该项目有极强的针对性,必须采用相对比较成熟的技术集成,必须有相当把握的取得成功的预期(即应用失败风险要小)。总之,由业内资深专家和有经验的工程用户来评审,这个产品的设计无明显的技术缺陷或错误,从专业技术角度审查它不“外行”。

采用如此规范的专业化设计的在线分析系统,这样很专业、很负责任的“活动和过程的结果”,它在工程上的成功应用就是可期待的。

 

6  规范的专业化设计目标

6.1  规范的专业化设计的抽象（即宏观）设计目标（5条）

（1）在线分析系统能长期连续稳定运行。

（2）系统具有高可靠性。

（3）系统具有少维护性（可维护性和易维护性自在其中）。

（4）能高准确度地实现连续的动态在线分析。

（5）良好的性价比。

 

6.2  规范的专业化设计的具体（即直观）设计目标（21条）

（1）在线分析器选型正确合理（包括原理、规格,以及任选项）。

（2）对该项目样气条件有很强的针对性。

（3）取样系统的安装施工合理，进入取样口的样气有真实性和代表性，由于有合理的物理分离，进入取样口的粉尘和水分较少。

（4）系统的反应速度，一般要求总滞后时间T₁₀＜60s：为此要尽可能减小分析柜的安装距离（如＜15m﹚,合理的样气传输管线（如∮6×1的不锈钢管），尽可能少的样气处理部件，尽可能选用或设计死体程较小的样气处理部件（如气水分离器的死体积最好＜100m1）。

（5）样气传输管线的伴热及快速回路设计：为了防止样气管线因样气冷凝而发生堵塞，应采取伴热保温措施，如采用自控温电伴热带或蒸汽伴热等方式，使样气温度始终维持在120℃以上。为了保证系统总滞后时间＜６０ｓ，当安装距离＞１５ｍ时，应采用快速循环回路或快速旁路设计。

（6）系统的“除尘”（即粉尘过滤）：首先做好取样口处的物理分离，取样探头处的前级过滤非常重要，如能达到0.3um就非常好。对于高粉尘的炉窑负压型在线分析系统，应采用包括PLC程控内外吹扫过滤器的取样探头系统。有的取样探头采用三级串联的过滤器，未必能有精心设计的一级过滤器的效果好，样气进入分析器之前的后级过滤器大多采用高效的膜式过滤器，先进水平优于0.1um。

（7）系统的“除水”：也是首先做好取样口处的物理分离,样气的“除水”应包括除水（如气水分离）和除湿，除湿的经典方法是采用样气冷凝器（如压缩机式、半导体制冷式、涡流制冷式、冷却水热交换式，或渗透式干燥器等）冷凝出冷凝水，再用蠕动泵（或电磁阀、自动排污阀或球阀等方式）排放冷凝液。

重庆凌卡分析仪器有限公司的LKP303型高效自吹洗综合过滤器，既能过滤粉尘，（精度0.05um  99%）,又能阻止液雾通过，也不怕样气偶然的“逃液”，是很理想的后级“除尘”、“除水”样气处理部件。

（8）样气压力和流量调节：这项设计涉及多种阀件的专业性选用，一般认为＞６MPa即称高压。凡正压力取样的系统均应在取样点处就地设置根部阀（组件）减压至0.1MPa（可略大于0.1MPa）向后传输，一方面是为了使系统滞后时间不至过大，也是为了保障后级样气处理的安全。以∮６×１不锈钢管为例，安装距离２０米，当负压力系统的滞后时间是15s，当样气压力是0.1MPa时的管路传输滞后时间是30s。如果压力是0.5MPa，滞后时间将加大至９０s，显然处置失当。在根部阀处或在分析柜内还应有减压稳压阀。炉窑压力系统要有某种原理的抽气泵来抽吸样气，滞后时间仅为15s。

对于在线分析器来说，无论正压力或负压力样气，都需在规定流量下（30-６０Ｌ／ｈ）进行检测分析，一般采用带针阀的转子流量计来调节显示样气流量。

    （9）系统的绝缘强度和绝缘电阻：这是系统的安全性能指标。

     系统的安全性能还包括防止雷击设计。

（10）系统的防护和防爆要求：化工、石化等部门使用的在线分析系统基本上都有严格的防爆要求，同一工程项目的防爆型比非防爆型设计的系统造价高一倍以上很正常。在线分析系统属大型成套装置或设备，不可能采取防爆认证方式，而是以专业性的防爆评审方式来认可其防爆性能及其防爆级别。系统的防护、防爆要求应理解为完整的环境适应能力。

分析柜（或分析小屋）的气候调节：操作工可进入的分析柜称为分析小屋。分析柜的气候调节即可简单又可复杂。为了保持内部合适的环境温度，寒冷地区冬天要加热升温，炎热地区夏天要冷却降温（如采用空调或其他方式）。设计排风扇和百叶窗是最简单的方法，这可避免在分析柜内发生泄漏气体聚集的危险。为了安全的需要，为分析小屋增压的技术设计要符合有关规范的要求。

（12）系统的气密性：系统在出厂检验和在现场投运启动前，都要测试或检查气密性，防止漏气，漏气会危及设备的安全和样气的可靠性。样气处理系统（含传输管线）的扫吹或试压必须注意与在线分析器隔离.

（13）仪器的校准：系统配备有合格的标准气，以及合理的校准气路设计。

（14）尾气和冷凝液排放：样气分析后的回收或排放是在线分析系统的一个重要环节，涉及到节约、环保和安全的考虑，对于有毒、有害、易燃、易爆，有回收价值的样气，根据设计要求该回收则回收，该处理的则应妥善处理，都得注意排放管压力变化对分析器的不利影响。尾气排放宜用∮15-25mm的集管式尾气排放，有带阻火器的安全放空罩。废液也要采用集管排放方式排到安全妥善的地方。

（15）循环多点采样：为了降低成本，有时一套在先分析系统可设计成多点循环采样，例如工艺设备进口/出口的双探头采样，生物制药行业的多点循环采样。

（16）公用设施的提供：压缩空气、冷却水、加热蒸汽、标准气、电源等的提供。

（17）系统的性能监测与控制：例如样气流量报警，取样探头的反吹、分析值超限报警等自动控制功能，体现了自动化的系统集成。

（18）成套性：系统的成套性（包括备品备件）要完整无缺。还要保障后续长期维护和维修和检修的需要。

（19）系统整体技术的转移：系统产品及其技术文件等，要有利于整体性地向用户转移，保障这种转移的还应包括用户培训。

（20）系统的品质设计：系统不但有实用功能，而且还应有某种程度的高品质，甚至是“地位功能”。

（21）系统的抗干扰设计：系统应能避免和降低可能出现的干涉，更不能允许存在导致应用失败的干扰。

（22）物质成分量适时信号的处理、显示 、传输要能满足应用要求。

（23）系统的工艺性：系统设计应保障良好的生产过程的工艺性。

 

7  系统的协调运行

7.1  在线分析系统的定义：在线分析器与样气处理系统通过针对现场应用条件和样气条件规范的专业化分析系统设计，所实现的合理匹配与完善组合，能长期连续稳定、准确可靠，近于免维护地协调运行的成套设备。

 

7.2  系统的协调运行

    系统通过规范的专业化设计最终是否能够协调运行，这是系统设计成败的关键，越是协调就越是成功。协调运行是所有技术处理的综合效果，是在线分析系统这个“复杂网络”品质的整体性技术判据。不能协调运行的系统，其低劣表现尽管千奇百怪，还是可以归纳出如下典型案例（15项），引以为戒：

（１）  分析器显示负值，令人疑惑：除仪器校准不妥当之外，这是干扰组分干扰误差大或存在电气干扰所致。

（２）  分析器的漂移很大，即便缩短校准周期也很难满足使用要求：这是气室有严重污染甚至进水，或者接收器漏气等严重故障。

（３）  分析器和上位DCS系统显示值不一致：这是存在严重的电气干扰误差，系统的匹配连接设计不周。这种不正确的匹配连接有时只是个“接地”问题，必要时增设信号隔离器解决。

（４）  分析器的检测值与生产工艺的理论值或典型值差距很大，用户认为是分析器不准或故障：取样无代表性、属设计不当。样气在传输和处理过程中发生了变化（如相变或漏气等），或者是用于对比的方式及操作有不当之处。

（５）  样气因为气路堵塞或部件损坏而中断：这涉及系统的设计和部件选型问题。

（６）  气路出现积水：例如流量计处有积水，浮子被粘住而失效。这是样气冷凝不足，以及气水分离、排放冷凝液设计欠妥，有时只是样气从分析柜底部进入的小问题引起。

（７）  系统的反应速度慢：基本上都属于系统的设计问题，也可能是现场施工不当造成。微量检测项目的传输管道污染，反应速度也会很慢。

（８）  系统的季节性失效，即冬天低温失效或夏天高温失效，这是系统的环境适应能力设计未满足应用要求。

（９）  系统还在三包期就停止使用：系统的可靠性和易维护性达不到要求。

（10）系统出现重大损坏事故：除设计方面的问题以外，有时是现场安装、维护不规范，甚至是误操作造成。

（11）反吹效果差：主要是反吹单元的设计问题，例如反吹和取样共用一段气路，就值得认真分析。

     （12）抽气泵容易损坏：抽气泵选型不当（抽气量过大）或气路堵塞造成。

     （13）冷凝水排放不畅：如果是负压力系统，可能是排水气路部分的设计问题。

     （14）过滤器堵塞严重：过滤器本身的气流阻力大（如不锈钢粉尘冶金类型），或者是因为过滤器处出现冷凝水（探头过滤器要电加热至180°）或反吹周期过长。

(15)样气流量不稳定：样气处理系统的样气压力调节与控制的设计不到位。

 

8 　在线分析系统规范专业化设计的再思考

8.1　在线分析系统的“内外”分析

    向内看，在线分析系统有２1条具体（即直观）设计目标

    向外看，在线分析系统有15条达不到协调运行要求的故障表现。

    只有先以工程导向的向外看，才能经验主义地解决现实工程技术难题。

    只有向内看，才能超越经验主义，致力于基于２3条设计目标要求的有效改进和技术的创新。

  只有向外、向内结合，才有可能在在线分析系统工程应用的针对性、适用性、有效性和协调运行上做足设计、做好设计。

  新的事实和新的观念是科学的生命，当然也是技术的生命。坚信这一点，在线分析系统规范专业化的创新设计就有了原动力。

 

8.2 　积极推进规范的专业化设计

本文探讨的规范专业化设计既然具有可操作性，我们又是在在线分析工程技术应用及发展的新时期开展这样的规范专业化设计，在线分析系统又处于在线分析器之上的新的技术结构层面，它的“技术自激性”促使我们创造性地开展在线分析系统规范的专业化设计。规范化设计是个开放过程，容易随时加入新的样气处理部件和技术要素，关键必须在核心技术上做实质性的有效改进和技术创新，通过对相关技术及技术要素的整体综合与系统集成，优化成体系水平的生产制造技术。

 

8.3 　追求协调运行的境界

规范的专业化设计肯定是一种技术进步，协调运行是规范专业化设计成功的关键和标志，这种协调而有创造性地新秩序，是在线分析系统绝不可缺的高品质，所谓“高端”是也。

规范的专业化设计应当重点突破关键技术难点和工程应用难点，有创新就能突破，有突破才有发展。

“在线分析仪器的每一成功应用，是人们对应用项目的每个细节问题进行不辞辛劳的长期工作的结果，尤其需要有关专家对该仪器和该生产过程领域的广博知识”。^[3]

 

9  结束语

本文探讨的规范的专业化设计，不但可作为在线分析系统针对性设计的着力点，而且可作为工程用户招标采购、验收以及使用维护在线分析系统的着眼点，使设计者、生产者和采购、使用者 之间弥合认识上的误区，减少技术观念及产品评价上的技术分歧,这些无疑有利于在线分析工程技术的应用及发展。

 

参考文献

1 金义忠、曹义刚.在线分析工程技术导论，分析仪器，2008，(5)

2 朱良漪.21世纪的前沿技术“分析技术”与“自动化”的系统集成,第三届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集，2007,4-6

3 〔英〕K·J克利夫特.《工业过程分析手册》,石油工业出版社,1982,455-477