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    在线分析系统工程应用协调运行的综合研究
    作者:金义忠 来源: 发布时间:2014年06月16日 点击数:

    1   在线分析系统的发展回顾

    1.1 艰辛历程54年(1956~2010)

    1956年5月16日南京分析仪器厂创建,标志我国分析仪器产业的发端。我在重庆九龙电厂见到过1956年生产的烟气CO2热导分析仪,具有取样探头和抽吸样气功能,不但是事实上的在线分析仪,更是事实上的在线分析系统,所以在线分析仪以在线分析系统形式开展工程应用已有54年历史。

    上世纪七十年代23套大化肥和石化成套装置的引进,极大推动了我国在线分析工程应用技术的发展。上世纪八十年代分析仪器行业的技术引进,极大地提高了我国分析仪特别是在线分析仪的研发、制造能力。1985年5月8日四川分析仪器厂组建成套科,接受德国H&B公司分析系统的技术培训,成为我国在线分析系统专业化设计与应用的发端。每次扩大开放都是我国在线分析技术发展的最好契机。

    1992年我在《过程分析成套概论》的培训教材中,设计了过程分析成套系统的技术概念。1996年10月,机械部将在线分析系统(当时称工业过程分析成套装置)列在国家重点扶持发展的八个仪器仪表名牌产品首位,足以证明在线分析仪及其系统已是名符其实的信息工业源头。

    在上届国际论坛上,专业协会改称在线分析仪器专业委员会并授牌,朱良漪教授的“21世纪的前沿技术——‘分析技术’与‘自动化’的系统集成”2的科学论断,黄步余主任的“在线分析系统要有15年寿命周期”的工程设计新理念,标志着我国在线分析行业核心价值观的确立,在线分析仪应用与发展新的历史时期已经到来。

    1.2 在线分析系统发展的现实瓶颈              

    分析系统的应用与发展有强劲的推动力,20多亿元的产业规模足可证明。但是在线分析产业远未成熟,遭遇的现实瓶颈不可忽视,试列之:

    ·低价格选标导致低价格竞标越演越烈,市场的无序与无奈早已怨声载道;

    ·缺乏理论(如果有也极其有限)和行业标准引导,更难言规范,连常用的专业名词、术语、技术概念都混乱不堪;

    ·缺少高质量的高端品质产品,高端市场被外企垄断的现实没有实质性改变;

    ·工程应用的长寿命周期理念未被普遍接受和实行,工程应用的协调运行普遍不够好。协调运行是笔者新设计的技术概念,是本文探讨的重点。工程应用的协调性不好导致分析系统的寿命周期短,是值得高度重视和认真突破的技术瓶颈。

    2   以大师的教诲革新方法论

    2.1  学用“工程控制协调”

    航天之父钱学森在美国工作时著有《工程控制论》,1980年翻译出版后获科学技术一等奖。他有一个引人深思的技术思想:采用“工程控制协调”的方法,用当时质量不太好的零部件,也能制造成功火箭和导弹。钱老还一贯主张建立和发展工程控制论和系统学,1986年组建研究系统学的小组,他每周步行去参加讨论一次。

    理论物理学大师惠勒 从事科学研究的方法论是“类比引发洞察”3,对技术创新活动颇具启发性。

    国学大师钱钟书主张“沟通古今中外,打通一切文学体裁界限的传统”进行研究,独创“打通研究”的新格局,他还以“能联想”来解释自己做学问的秘诀4

    聆听大师的教诲,通过类比联想,既然都关注系统,钱老那门“工程控制协调”的绝技,完全适用于在线分析系统,或可成为突破在线分析系统发展技术瓶颈的新方式。

    2.2 学用TRIZ(萃智)理论的系统概念

    定义:每个可实现某种功能的事物都称为技术系统。

    实例:拿榔头用力钉钉子。

    技术系统的扩展:按时间扩展有过去、现在、将来的技术系统;

            按空间扩展有子系统、系统、超(级)技术系统。

    技术系统的协调进化法则:沿着各系统相互之间更协调的方向发展。

    2.3 学用“TRIZ(萃智)理论的最终理想解”

    前苏联发明大师阿奇舒勒的发明问题解决理论TRIZ(萃智),被尊为发明和创新方法的经典广为传播,其九大经典理论体系之一的最终理想解(IFR)是:“保留了原系统的优点,消除了原系统的不足,没有使新系统变得复杂,新系统没引入新的缺陷。”〔5〕

    萃智理论为改进和完善系统,设计有如此具体的技术路径,对在线分析系统针对性之强尤如量身定做一般。

    3   分析系统针对性设计的更新目标

    3.1  在线分析系统的新定义:在线分析仪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。〔1〕

    协调是具有深刻哲学意义的概念,强调整体性的协调,充分体现了辩证法的观点。任何系统(包括人类社会)所包括的群体都有协调的必要和需要,可以说协调是研究系统优化和发展的艺术。

    3.2 在线分析系统的技术体系结构

    在线分析系统是开放性的小型复杂系统,其技术体系结构简略表达如下:

     

     

    样气处理系统

     

    15年使用寿命周期

     

    100%投运成功率

    工程应用的协调运行

     

    在线分

    析系统

    工程应用技术

    样气处理核心部件

    在线分析仪

    传感器

     

     

    3.3 在线分析系统工程应用协调运行的高难度

    (1)分析系统上述四个技术结构层面之间的协调,这是最复杂、最重要、最困难的;

    (2)在线分析仪的传咸器与分析仪的协调;

    (3)分析系统与样气条件、现场应用条件的协调;

    (4)样气处理系统各部件之间的协调;

    (5)现实技术问题和潜在技术冲突之间的协调;

    面对如此多维度多层次的复杂技术矛盾,很适合进行“打通研究”,综合协调或许是我们破解技术难题的必由之路,也是最大的困难所在,工程应用的协调运行有可能成为分析系统针对性设计更新的技术目标。

    4 高难度在线分析系统协调运行的简评

    水泥窑干法取样探头系统和焦炉煤气样气处理,通常被认为是在线气体分析系统的技术制高点,以工程应用“协调运行”技术思维进行深入分析,有可能在困境中找出技术改进的方向。

    4.1 水泥窑分解炉五级筒(C5)高温探头系统的协调运行

    (1)忽视协调性引起的运行故障

    H&B公司的干法高温探头系统进入中国市场已有20多年,分解炉(C5)也同窑尾一样采用高温探头系统已成惯例,500T/d小窑也如此。我多次深入某拉法基水泥厂调查,了解到分解炉的探头管使用寿命较短,容易堵塞损坏,更换一根要数万元。窑尾的样气条件更恶劣(1400℃2000g/m3粉尘),分解炉的样气条件要好得多(850℃100g/m3粉尘),为什么窑尾探头管不堵塞,分解炉探头管反而要堵塞损坏?用“协调运行”的新思维进行分析有了新发现:查H&B公司早期样本,高温探头的正确应用有一条明确的限定条件,出口冷却液温度必须高于样气露点。还是那套高温探头系统,只要合理调整运行参数,增强系统工程运行的技术协调性,分解炉探头管堵塞损坏的故障完全可以避免。

    〔云顶公司新取得“高可靠干法高温取样探头”的实用新型专利(注:不是高温探头系统)〕

    (2)分解炉采用次高温探头的可行性

    如果采用≤1000℃的次高温探头(如LKP102型)代替高温探头系统,也能适应分解炉的样气条件,外筒只比环境气温高15℃的使用条件。我与天津水泥院的电气室主任交流过,他说得很肯定:分解炉不用高温探头而用次高温探头没问题,探头插入长度只要几公分,最多十几公分就够了,短小的探头管还不至于挡风(C5风速15~20m/s)。如果采用高温探头系统,探头管长度2.5m,方能避免漏风影响O2的检测精度,存在一定的挡风影响,还有价格难以承受之高。

    分析系统只要达到协调运行的最终效果就好,配置过度的不正确,如同医生的过度开药。

    4.2 焦炉煤气样气处理系统的协调运行

    (1)现有系统的技术缺陷

    英国仕富梅公司以蒸汽喷射泵+水洗器为核心技术的焦炉煤气样气处理,进入中国市场也有20多年,至今仍然是较为可行的整体技术解决方案。

    焦炉煤气样气处理的高难度早为业内公认。至今不少公司还试图用最简单省事、低成本的陈旧方案解决复杂技术难题。例如简单原理的水洗、或煤油洗、或柴油洗再加上多级过滤,都对付不了高含量的焦油和奈等污染物。2010年5月我参与了唐山宏奥煤化工焦炉煤气分析的调研,那套系统采用有过滤器的取样探头和两级柴油洗涤,其后级样气处理部件出现严重焦油、奈污染,氧分析仪在一年多时间已接连报废两台,如此短命足以证实分析系统存在严重的技术冲突。我还见过西安某公司与此类似的整体解决方案。在技术死胡同里长期徘徊和挣扎,这就是行业的历史性惯性。

    (2)焦炉煤气样气处理的技术改进

     即便是较可行的蒸汽喷射+水洗器的技术方案,也可以通过深化设计进行实质性技术改进。重庆云顶公司新研制了LKP204型组合式水洗分离器,组合了样气混合气冷却降温(抽气蒸汽>140℃),高效连续洗涤除去焦油、奈、粉尘等污染物,稳压和正压传输样气,快速旁路分流,溢流排水以及排污等功能。洗涤除污染是部件的核心功能,本部件设计有长流程的两级分散鼓细小气泡结构,使核心部件的核心功能得以深度实现。

    5 在线分析仪协调运行的简评

    5.1 在线分析仪的寿命

    分析系统要有15年寿命周期,分析仪理该超过这个时限,合理要求可能是15~20年。

    1993年我为上海石化检修过已使用20年的红外CH4分析仪,H&B公司1973年产Uras 3G。因为是意外火灾高温烧坏,仅更换电缆和机箱喷漆,原装的红外三大件完好无损,轻易恢复到出厂技术指标,估计可以再使用5年以上,那就是能有25年以上的寿命周期。

    分析仪长寿命基本的直观标志,是大批量生产的返修率。北分麦哈克分析仪器有限公司新研制的QGS-08C系列红外分析仪,年产量近千台,返修率严格控制在5%以内,实属不易,可看作国产在线分析仪的优秀代表。而发生质量事故期间产品的返修率何止50%,寿命不必论。

    5.2 分析仪的传感器

    传感器是分析仪的心脏和技术生命的保证,其重要性怎么强调都不过分。但是,只有深化设计、技术成熟的传感器,才能使分析仪演变成可以生产数十年的无形资产。

    5.3 分析系统的广义干扰

    某公司的CEMS系统存在严重干扰,操作者在调试中打手机,分析仪会出现黑屏或跳字。这是典型的射频干扰,是分析仪和现场环境条件不协调。可能该产品未通过专业机构的电磁兼容性试验。

      类似的各种干扰可参考“在线分析系统的广义抗干扰研究”。〔6〕

    5.4 红外测量气室(实质是镀金质量)影响分析仪灵敏度,甚至丧失分析功能。这是传感器和分析仪自身不协调。

    5.5 氧分析仪用于煤气分析,H2组份的干扰误差可能很大。这是分析仪和样气条件不协调,仪器选型应当把好这一技术关。

    5.6 有现场工程师反应,红外分析仪的干涉滤光片会引起分析仪很大的温漂,一昼夜间竟达到10%,这是设计欠周到,表象是在线分析与使用环境温度条件的严重不协调。

    样气处理系统协调运行的简评

    6.1 抽气泵和压机式样气冷凝器的配置

    负压力样气处理系统中的抽气泵和压机式样气冷凝器的相互位置,不管怎么放置都可能存在弊端:抽气泵安装在冷凝器之前,因为样气可能存在的湿热状态,“隔膜泵会被泵顶部存在的液滴损坏”。7(补充:抽气泵憋气更容易损坏。)某拉法基水泥厂的外企生产的分析系统,进口抽气泵寿命仅有1年。抽气泵改装在冷凝器之后能得到有效保护,同等项目寿命可达3年以上,但是冷凝器的除湿功能会因此打折扣:冷凝器由正压变成负压运行,冷凝器在相同运行温度下,出口样气露点可能升高10℃左右7。冷凝器即使在+2℃下运行,其后的流量计针阀处也会出现冷凝水引起新的故障。

    德国M&C公司的样本和专著7都介绍了相同的办法,既能保护泵不被样气液滴损坏,又能获得低露点样气,就是将泵安装在两级样气冷凝器之间。事实上不必采用两级冷凝器,用一台双流路样气冷凝器合理连接即可,过去的技术冲突自然化解,从而进入协调运行的佳境。

    6.2 反吹气路的设计

      气体取样探头过滤器的防堵塞反吹是免维护连续取样的必需措施。不少系统的反吹气路,长距离地共用取样管线的方式值得商榷:为保障反应速度的快速,取样管线以Φ6×1为宜,而为了保障反吹效果,反吹管线短而粗,以≥Φ12×1.5为宜,两种合理的技术要求和功能因为共用管道而存在明显的技术冲突。

    7   样气处理部件协调运行的简评

    7.1 冷凝器出口样气的露点

    常见冷凝器样气输出露点的技术指标,例如1~5℃。事实上温度显示仪显示的是热交换器温度检测点处的温度,和出口样气温度存在差异。正如前述,冷凝器工作在正压或是负压,样气露点有明显差别。将出口样气的显示温度当作出口样气露点,是技术上的误解。

    7.2 慎用简单设计的水洗罐

    简便的水洗罐鼓出一串大大的气泡,水洗效果明显有限。如果是连续水洗,根据亨利定律,水中溶解氧的释放会给氧检测造成很大的系统误差,对氧分析系统的协调运行是一种局限。连续水洗还会使弱溶性气体组分因溶解而降低,例如CO2会损失10%左右。

    7.3 亲水型过滤元件有潜在的危险

    亲水型的纤维过滤芯、过滤薄膜(包括粉末冶金)等,如遇样气偶然带水,或存在严重的液雾,很容易发生气流阻力增大引起堵塞,以及过滤膜因浸湿破损等故障。

    组合式样气处理部件增进协调运行

    8.1 组合式样气处理部件是样气处理系统技术发展的趋势之一,深入设计的样气处理部件通过样气处理多种功能的组合和内部协调,从而能增进分析系统的协调运行。

    重庆云顶公司研制了一批这样的组合式样气处理部件:

    LKP204型组合式水洗分离器

    LKP205型高效水洗分离器

    LKP303A308型自洁式样气过滤器(专利技术产品)

    LKP306型组合式水洗凝结分离器

    LKP307307A型组合式除雾过滤分离器

    云顶公司的LKP301、302、303A、308、307、307A等部件也可以看作是气溶胶过滤器。

    <1um的气溶胶粒子粘附性很强,对分析仪的传感器和测量气室最为有害。

    8.2 核心样气处理部件的核心功能

    组合式样气处理部件,有作为核心样气处理部件,深度实现核心样气处理功能的技术优势和协调运行优势,值得多加关注。

    9   在线分析系统应用与发展的创新思维

    本文试图让技术创新思维走在产品技术的前面。

    9.1 重新认识在线分析系统

    分析系统已经突破和超越了在线分析仪,早已成为工程项目招投标的标的,分析系统是在线分析仪深度的合理延伸和更高技术层次的发展。分析系统是个开放性的小型复杂系统,有其合理的技术逻辑,需要强大的技术组织性和深刻的技术协调性。

    分析系统的融合集成创新表面上容易,其实很难,最难的是实行15年寿命周期的工程设计新理念,这应成为行业的核心价值观,也是用户的核心利益。为此,突破行业的历史性惯性非常必要,才能为在线分析系统的健康发展寻找到持久的动力和明确的方向。 “协调运行”的技术概念肯定能为系统设计工程师扩展很大的创新空间。

    9.2 重新认识样气处理系统

    样气处理系统技术是分析系统的核心和关键技术〔8〕为准确的在线分析连续提供干燥、洁净的样气并有效保护分析仪以及分析系统的长寿命,分析仪要和一系列样气处理部件组成一个有序高效的整体,构成一个开放性的技术系统,样气处理系统自身的组织性、适应性、可靠性、经济性都值得深入研究。复杂的技术维度,很容易造成技术失误甚至失败。

    样气处理系统设计的最大困难是应对任何突发性意外的技术设计,每年可能仅有几分钟的危险或工艺不正常,还不一定真地出现,但必须严密做到万无一失,杜绝一切潜在技术冲突的发生。

    9.3 方法论的突破

    (1)要引领分析系统发展的潮流,仅有核心价值观还不够,也需要突破性的技术表达:如国际论坛、高端峰会的深入交流探讨,技术标准的宣贯,技术指标及质量表达的规范,能启发务实操作的科技论文等。

    (2)宏观技术、直观技术、微观技术紧密结合:在线分析系统好像是能一眼看穿的直观技术,这是幼稚的错觉。它其实是宏观的名符其实的系统技术,也有很微妙、很需要务实的微观技术,工程应用常说“细节决定成败”,样气处理部件设计则是结构决定成败。在线分析很需要坚持的“有效改进、深化设计、持续创新”,就得有微观技术的重点突破,强调技术细节的深入设计、撑控“精确改良、微观演进”的技术创新方法。

    (3)用技术创新解决技术冲突

    分析系统的寿命短,不管原因多么复杂,都肯定存在现实的或潜在的技术冲突。综合协调的方法,以及随之跟进的技术创新,就是要使相互冲突的部件实物和技术要素之间能持久性地互不抵触和有机衔接。

    9.4 追求最终理想解的系统产品

    (1)避免两类错误倾向

    有位集成商总经理强调认为:系统的配置和选型只满足一年的质保期,多一个月都不要;有位水泥行业用户明确表示:高温探头不能用,招标是为了验收,验收以后就不用了。这两种错误倾向的交汇和互动,足可以扼杀系统产品的质量和寿命。

    (2)对“能用”习惯的质疑

    不能让分析系统满足和止步于“能用”成为行业常态,能用不一定好用,更难久用。“能用”的时间周期是多长,和“15年”有无可比性,是价值判断的关键。这样的心态和行动承担不起“企业是国家创新战略中技术创新活动的主体”的历史重任。系统寿命短,故障频发,承担长周期售后服务的企业将不堪重负,或许会聚集起足以引发危机的技术泡沫,不可失察。

    从“能够用→少故障→长寿命”的技术进化轨迹,不难发现分析系统独特的技术逻辑。

    (3)长寿命的系统产品,必须是高质量、高可靠、高品质的高端产品,引入工业设计(注意:不是工艺设计)就非常必要,这也是缩短与外企产品差距的需要。大力发展高端技术产品,是十二五仪器仪表发展规划的精神之一。

    (4)最终理想解系统产品值得期待

    要使15年寿命周期能够成为普遍的现实,要使分析系统达到接近最终理想解的技术境界,在长期坚持工程向度和“有效改进、深化设计、持续创新”过程中,站得住脚的技术观,富于哲学思辩的方法论,锐意进取的创新思维,经得住评审的创新设计,“九炼成丹”的核心技术,帮助用户获得核心利益的换位思考,锁定目标的果断操作(包括国际视野的拿来主义),长期工程实践积累起来的丰富经验和综合实力等,就一个都不能少。

    依我个人之见,成都倍诚分析技术开发公司的AH(P)系列全不锈钢分析小屋,就是趋于最终理想解的系统产品,防爆分析小屋是分析系统的另一个技术制高点。本文倡导的能协调运行的长寿命系统产品并非高不可攀,分析系统只要走上规范专业化设计的正途,缩小和外企产品技术的差距也并非不可能。

    10   结束语

    (1)我总想对在线分析技术进行综合性技术表达,《在线气体分析工程应用技术论文集》9就是这种努力,本文也是。

    (2)本文试图从极其特殊的技术角度,用“协调运行”四个字洞察和说透在线分析系统长寿命周期的秘密,为此就得采用综合协调的方法,去集合和有效控制整个技术体系的一切技术要素。这种强大的组织性必然非常困难,其实谁也做不到(包括我自己),但是必须如此。虽然现在做不到,我们似乎找到了比较明确的方向和很实用的技术分析方法。

    (3)首届国际论坛朱良漪教授担心制约在线分析仪发展的症结10(注:指样气处理系统技术),第二届国际论坛教授还在担心在线分析技术的适应性2。在第三届国际论坛上,本文提出和强调在线分析系统工程应用“协调运行”这一新的技术概念,算是对教授担心的正面回应,是分析系统突破症结之后,强化其紧密组织性和广泛适应性的必由之路,也是解决分析系统少维护和高可靠性,高准确度适时分析难题的务实之举。

    在线分析系统要想有强大的生命力,就该有“协调运行”这一普适的技术凭据。

     

    参考文献

     

    1  金义忠、曹以刚. 在线分析工程技术导论,分析仪器,2008(5),39-44

    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,第二届在线分析仪器应用与发展论文集,2007,4-6

    3  田松泽. 宇宙逍遥,南方周末,2008.5.1

    4  孔庆茂.钱钟书传,江苏文艺出版社,1995,197-207以及150

    5  杨清亮.发明是怎样诞生的,机械工业出版社,2009,30-32

    6  金义忠、曹以刚. 在线分析系统的广义抗干扰研究,分析仪器,2009(6),71-76

    7  〔美〕罗伯特·E·谢尔曼著,冯秉耘等译. 过程分析仪样品处理系统技术,化学工业出版社,2004,127-128

    8  金义忠. 过程分析仪样品处理系统技术的应用与发展,第二届在线分析仪器应用与发展国际论坛论文集,2007,211-216

    9   金义忠、曹以刚. 在线气体分析工程应用技术论文集,分析仪器,2010

    10  朱良漪.过程分析仪器的发展,首届分析仪器应用与发展论文集,1997,17-23

     
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