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    在线分析工程技术导论

    金义忠1 曹以刚2 常 武3

    (1. 重庆凌卡分析仪器有限公司,重庆,400020;2. 北京北分麦哈克分析仪器有限公司,北京,100095)

       摘 要  在线分析工程技术取得“数量”发展之后,在快速增长的现实市场中迎来历史性新机遇,正进入新的发展时期,而传统的技术观念和技术思维却是本专业健康发展的严重障碍。发展在线分析工程技术,迫切需要大趋势理念,本文在全方位深入分析探讨在线分析工程技术时,重新定义“样气处理系统”“在线分析系统”、“在线分析工程技术”,倡导在线分析工程技术新专业的理论初创。将“样气处理系统”提升到“在线分析工程技术的核心和关键技术 ”的从未有过的高度,使得以样气处理系统取代使用数十年的“取样预处理系统”具有颠覆性的重要意义。

       仪器仪表示信息工业的源头,作为精密仪器的科学仪器(核心是分析仪器)更不待言,在线分析系统堪称科学仪器皇冠上的明珠,在开发资源、节约能源和防治环境污染等重要领域不断地创造出新的生产力,持续地推进人类社会的发展。任何技术的高速发展,都必须有以理论创新为导向。以21世纪前沿技术的独特视角,去探寻考量此前未被深入触及的领域及疑难问题,试图领悟和探索进而把握住在线分析工程技术理论构建和质量发展的契机。

        关键词 样气处理系统 在线分析器 在线分析系统 在线分析工程技术 质量发展 分析准确度 大趋势观念 核心观念

    1       在线分析工程技术的发展进程

    1.1   第一发展周期概况

      我国的分析仪器行业已经走过了艰辛历程52年(1956-2008)

      我国最早的在线分析仪器是上海某公私合营厂1956年生产的电厂CO2热导分析器。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,1959年10月6日,北分建厂,长期是行业的派头兵,1969年8月30日,川分由南分部分迁建重庆。至1985年大致属于原始发展阶段,普遍水平较低,也算不上很专业。此间学习前苏联,大化肥、石化成套设备的引进,起了很大的推动作用。

      八十年代开始的技术引进,为分析仪器行业带来了新的活力,引进技术国产化的部分成功,八十年代末才姗姗来迟。1985年5月8日,以专业化开展在线分析器工程应用为目的的川分“成套科”成立,由于川分与德国H&B公司的技术引进合作关系,启动时依据的技术概念及技术方案都受到H&B先进技术的直接启发和影响,存在极强的模仿趋向。

      1992年1月4日我国第一个在线分析工程部(当时称过程分析成套部)在川分组建,金义忠任部长,首倡在线分析工程技术新专业,定义在线分析系统(当时称过程分析成套系统),研发PS1000型在线分析系统,后来成为国家级火炬项目和国家级新产品,位于机电部推荐的国家重点扶持发展的八个名牌产品之首位。战为我国在线分析工程技术新专业最早的科技硕果。

    从1992年至2007年的15年间,我国在线分析系统产业开放竞争的市场活力四射,2007年估计超过12亿元,专业队伍迅速壮大,年产值超过2000万元的企业,可能超过20家。但令人遗憾的是,专业理论几乎是空白,去年11月第二届在线分析器应用及发展国际论坛,也没有涉及理论问题,受到会议代表袁旭军博士的质疑。工程项目招标中的价格战,一些先驱企业 也深陷其中,严重挫伤了发展质量和提高技术水平的积极性,根治这一隐忧几乎不可能,即使要有所改观,也要等待“禅机”。

    1.2  “国际论坛”引发历史性转折

      2008年11月6日,作为我国分析仪器行业一面旗帜的朱良漪,亲自策划、组织和主持的第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛在北京召开,朱老的主旨报告是“21世纪的前沿技术 ‘分析技术’与‘自动化’的系统集成”[1] ,还提出了“21世纪世界性危机”的公式。这次国际论坛可算我国分析仪器52年发展史上最重要的历史性事件,为分析仪器行业一次“解放思想”的机会,将引爆一系列具有“颠覆性”特征的核心观念转变,这将决定和主导未来我国在线分析工程技术的发展方向。基于“大趋势理念”,我们十分强调这些颇有具前瞻性的核心观念。

    (1)“分析技术与自动化的系统集成是21世纪的前沿技术”的学术思想(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(黄步余)。

    (3)“样气处理技术是在线分析系统的核心和关键技术” 〔2〕的专业技术新概念(金义忠)。

    本专业这三个核心观念对其它传统观念和技术概念造成极大冲击,在线分析工程技术的发展到了需要重新定位的关键时刻。

    2       在线分析工程技术的发展趋势

    2.1 发展在线分析工程技术的“大趋势理念”

        从最朴素的思维出发,即从将来社会、人类最需要什么,来确定科学技术未来的发展方向。未来的挑战必然是能源、环境、城市化、健康等。朱老基于战略性思维、历史性思维和全球性思维的综合性大趋势视野,提出 “21世纪的世界性危机” [1]的公式,诠释得极为精辟。

    21世纪的世界性危机

    (Gain真实收入)=

    在线分析工程技术从本质上讲,它的精确定位是“保障人类和地球的健康”(朱良漪)。这一定位虽然很不具体,却无拔高之嫌。在线分析系统的基本内涵是将过去分析仪器离线测量的静态观察,改变为在线连续测量的实时连续动态观察,使得物质成分量的计量,检测以及信息传输与应用产生突破性飞跃,使生产过程的优化控制真正成为可能,在解决重大工程问题和环境问题方面,也会发挥特殊作用。所以,在线分析工程技术在迎接未来的挑战中,必将铸造成永远的朝阳产业。这种大趋势就是我们从事在线分析技术的责任与光荣、决心和底气之所在。

    2.2在线分析工程技术发展的强劲动力

       1) 开放的﹑持续稳定增长市场的强劲牵引

       2007年我国仪器仪表销售收入增长29%,利润同比增长35%,在线分析系统的增长幅度比此数值应高出许多,例如,按销售收入增长35%的保守估计,度2007年的12亿在3年后的2010年将可能达到30亿元(增长146%)。

       2) 国家长期产业导向的强劲牵引

    “提高生产效率,节约能源资源,防止﹑减少并积极治理污染等,开辟可持续发展的新能源和新物质,保障人类和地球的健康”等,〔3〕都是国家坚定不移的长期产业导向,因此,将铸就和诞生“永远的朝阳产业”。

       3) 中国对人类和地球健康的庄严承诺

    去年,在印尼巴厘岛国际会议上,我国政府在《京都议定书》上签了字,向国际社会庄严承诺节能减排、防治污染、保护环境等方面的全球性责任。

    今年分析仪器单机和在线分析系统产品销售特别火爆(近乎翻番),这一国际背景就能解释其根本原因了。

       4) 分析仪器及在线分析工程技术进步的推动

    国外分析仪器技术进步的速度远快于国内,作为在线分析样气处理系统技术基础的样气处理部件,理论研究深入,专业化生产程度非常高。国内这方面情况也将得到有效的改善。例如重庆凌卡公司的高效自吹洗综合过滤器专利产品,就有自身鲜明特色并接近国际先进水平。

    2.3 在线分析工程技术正进入新的发展时期

    200711月“国际论坛”为标志,在线分析工程技术正进入新的发展时期,将发生深刻的历史性变化:

    1)在线分析工程技术,将进入专业理论的初创期

     任何一个专业或一项技术,要实现长期稳定的高速发展,如果没有站得住脚的专业理论指导,是绝对不可能的。

    在线分析系统在在线分析仪器面前,显现出相对的“独立性”、严密性、体系性和规范性,特殊的工程属性,两者处于既相关又完全不同的技术层面,注意不要搞混淆了。在线分析系统直接面对和满足工程应用的苛刻要求,并直接竞标进入市场,已经成为不可逆转的技术潮流,这是本专业最为本质的技术规律。HB早在1993年的单机直接销售比例仅为1/3,国内主流厂商的单机直接销售比例近几年来已成明显的单向下降趋势。

    2008年出现了这篇抛砖引玉的“在线分析工程技术导论”。

     2 在线分析工程系统的技术设计将走向深入

    业内资深专家们的技术观将起到一定的引导作用;

    企业及技术的战略发展,是创新决定成败;

    产品技术设计,是结构设计和工艺设计决定成败

    在线分析系统设计,是规范的专业化针对性设计决定成败;

    工程应用:是在线分析系统投运技术的细节决定成败;

    生产经营:是主导产品支撑的营销决定成败。

    3)在线分析系统的品质将得到很大的提高

    朱良漪绝笔论文最后说“我所想到的难点和闪点:

       “取样系统 可靠性 少维护  软件技术”, 〔1〕

    在线分析系统的质量和品质很难用技术指标来衡量,只能用朱老所提倡的4个尺度来评审,只能通过深化技术设计和技术创新来实现。

     4 更关注在线分析工程技术的体系性整合

      以样气处理系统技术为核心和关键技术的在线分析工程技术,对其进行有效整合,准确、深入地认识和驾驭并不容易,因为它漫无边界,高深莫测,对工程用户的设备、工艺、取样及应用要求的了解和交流更是永无止境,这才特别需要对在线分析系统进行规范的专业化、针对性设计和管理:对在线分析系统要进行体系性的研究和表达,对千差万别的样气处理系统进行分类归纳,争取实现相对固定的典型(分类)设计。

    对在线分析工程技术的体系性整合集成和规范表达,是在线分析工程技术相对成熟的标志之一,是在线分析工程技术走向成熟的必经路径。

    2008年是很敏感的转折点,是我国在线分析工程技术处于新飞跃的启始年,正进入新的发展时期,不难发现新鲜的证明:

    三个核心观念的转变将引发技术思想的革故鼎新;

    《分析仪器》杂志开辟《在线分析工程技术》专栏,将成为本专业理论初创的鲜有先例的宝贵实践。

    北京北分麦哈克分析仪器有限公司于2008年5月8日重新组建系统工程部,决心在技术创新和规范的专业化方面取得快速突破。

    现实的进展只能是相对的,2008年以后在线分析工程技术的发展,将只能用更加朝气富有成效。

    3 在线分析工程技术的新定义

    气体分析仪  gas analyzer

    输出信号为气体混合物中一种或多种组分的浓度、分压、露点温度的单调函数的分析器。

    在线分析器  on-line analyzer (在线分析仪器)

      是在工业生产工艺过程和环境监测中,对物质化学成分及有关物力性质完全自动地长期连续分析和测量的分析器。也习惯称过程分析仪表或在线分析仪表。

      在线分析系统   no-line analysis system

      是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。也习惯称过程分析(成套)系统。它至少包括一台在线分析器和一个样气处理系统。

     在线分析系统简言之:合理匹配、完善组合、协调运行;

     规范的专业化、针对性设计

     “有效改进、持续创新”所实现的高端品质。

     在线分析工程技术 on-line analysis engineering

    是以工业生产和环保领域的在线分析工程项目为中心,研发出连续稳定、准确可靠、近于免维护的样气处理系统,进而确保在线分析系统能够高准确度、连续稳定地检测分析,适时监控物质成分量的工程技术。

    4  重新界定样气处理系统的地位功能

      样气处理系统  sample (gas) handing system

      本文所述的样气处理系统,过去却一直叫“取样预处理装置”,是在线分析器的附加部分或不得已的延申,早期甚至直接组合在分析器机箱上,后来地位有所提高,也就是到“预处理”止步,始终是分析器附带着“预处理”。

      “JB/T 6854—1993在线分析器器试样处理系统性能表示”的专业标准,现在已上升为国家标准GB/T 19768—2005,已经取消了预处理系统之前的“预”字,对于气体分析,从中必然准确引申出“样气处理部件 ”和“样气处理系统”的技术概念和专业名词。十多年来,人们(包括很多资深专业人士)对此却视而不见,致使名词术语的使用十分混乱。

      本文为样气预处理系统取消了“预”字,以系统取代“装置”,足可以证明其自身的独立性、系统性、严密性。PLC的自控功能及其软件技术就是证明,H&B公司的60号干法高温取样探头系统曾在中国卖过135万元的高价是另一个证明。样气处理系统完全能够强有力地去促进在线分析器的工程应用了。

    在线分析面对诸多十分艰巨复杂的技术难题,使得“样气处理系统技术成为在线分析系统的核心和关键技术”。[2] 技术观和方法论都是推动技术发展的最强有力的动力,我们期待样气处理系统从此走上健康发展的轨道。

    5 在线分析器工程应用的症结和最佳途径

    5.1 在线分析器的工程应用长期存在三大症结

      在线分析的连续自动取样和样气处理技术,要求样气不中断、不失真和快速传输;

      在线分析的有效抗干扰:排除或降低可能出现的系统误差,以保证必要的检测准确度;

      分析系统长期连续运行的协调性、可靠性和易维护性(或少维护)。

    5.2 在线分析器工程应用的最佳途径

      采用规范的专业化、针对性系统设计的专用型在线分析系统;

    实践工程学指导下的在线分析系统全过程技术服务,兑现“100%工程应用投运成功率”的承诺。

    6 在线分析系统的组成

    6.1 分析系统的硬件部件

        一般由在线分析器,取样系统(取样探头和压缩空气反吹单元等),后级样气处理系统(样气输送、伴热和冷却、冷凝和排放冷凝液、抽吸或压力调节、粉尘过滤和除液雾、流量控制、气路切换、旁路流控制、尾气和冷凝液的集管安全排放、各种报警等),PLC自控单元,信号输出处理及远传通讯,仪表盘和标准气,分析(仪器)柜的加热或降温等。

    6.2 分析系统的软件部分(主要指软技术)

        一般包括选型及应用咨询、确定技术方案和系统配置、各种自动控制与报警的程序设计,分析系统的针对性设计与制造、现场调试和操作人员培训、备品备件供应和应用整改等,应提供富有工程实践经验的全过程技术服务,使在线分析系统能向工程拥护提供整体性技术转移。

    7 在线分析系统的应用指南

    对于完善的在线(气体)分析系统,最关键的是在线分析器和样器处理系统以及其他自动化技术的系统集成,才能予以保证。

    样气处理系统与样气条件及应用条件的合理匹配,只有通过规范的专业化、针对性地专用型在线分析系统设计才能实现。

    对在线分析系统检测分析结果的所有怀疑,同样只有使用合格的标准气,对分析器的零点和量程进行定期的严密校准,才能予以确认。

    为了提高在线气体分析的准确度,除了在线分析器的合理选型外,还应特别关注可能出现的干扰误差和影响误差,有时进行系统误差校正是十分必要的,此时专业供应商的经验和咨询建议尤其值得重视。

    8 在线分析系统的技术对策

    8.1 过程气体分析面对的困难和问题

      高温或低温、高粉尘、高水分或液雾、高压或负压、腐蚀性或爆炸性等恶劣样气条件;

      高可靠性,去年“国际论坛”,提出的“在线分析系统要有15年寿命”的工程设计新理念,值得高度重视和积极应对。

    较高的自动化程度,少维护量甚至免维护;

    防尘、防溅、防腐和防爆等方面十分苛刻的防护要求;

    较快的反应速度,系统滞后时间一般不允许超过60秒;

    保证必要的检测分析准确度(即高准确度应用)。

    8.2 干法取样技术的必要性:

      干法样气处理新系统能有效地保证必要的检测准确度,可达到与在线分析器单机准确度相当的水平,干法取样技术当今已成为绝对的主流技术;

    强调以实践工程学为导向,强调综合的技术措施,以确保最终应用效果为目标。

    8.3 高粉尘取样的综合技术措施示例:

      高温、高粉尘的防堵塞连续取样技术已经是十分成熟的技术,其硬件是带外过滤器的干法取样探头;

      高精度过滤,探头外过滤器粉尘 >0.3um粉尘的过滤精度可达到99%;

      采用压缩空气反吹单元,由PLC实现程控内外吹扫过滤器,有完善的反吹程序,反吹周期按需要设定,可能短至15分钟。

    过滤器及样气传输管线伴热,避免出现样气冷凝,以及在传输管道中出现积液;

    后级高精度综合过滤器,过滤 >0.05um粉尘 ,液雾的精度99%。

    严格而富有实践经验的现场安装施工、调试投运技术。

    9 深入开展在线分析系统的工程应用

      深入调研工程项目的工艺过程,由定性深入到定量,由静态深入到动态非常必要。

      “坚持有效改进、技术创新”,理念尽快提高样气处理系统的针对性、可靠性、技术水平和产品质量。

      切实加强制造商,工程用户和设计院之间的紧密合作与交流互动。

      加快在线分析系统设计技术,应用技术的更新和发展,迫切需要质量和品质档次高的产品,重视新领域的专用型分析系统的研发。

    做好全过程技术服务,真正兑现“100%工程应用投运成功率”的承诺。

    10 在线分析系统的质量管理体系

    ISO9000和IS9001系列国际质量体系认证很必要,对于在线分析系统同样必要。由于在线分析系统设计和生产过程的特殊性,就是它的规范化,针对性设计和柔性生产有太多的不确定性,应采取特殊措施。

    分析系统的制造不需要大的设备投入,使用模具也很少;现场应用中不断加深对工艺过程的认识之后,会发现现有产品的不足之处,这些使在线分析系统的持续改进有了现实的可操作性,所谓“纠错机制很灵活”。这就是“有效改进、持续创新”的理念。

    在线分析系统使制造商和工程用户有更深的合作和交流互动,超过其他任何仪器仪表产业。因此推行“有效质量管理(EQM)”的质量管理模式就具有现实性和紧迫性,有效质量管理的深刻内涵就是实行真正意义的一切行动上的质量第一和用户至上。

    11  在线分析系统的技术标准

    与在线分析系统直接有关的技术标准,仅见GB/T19768—2005《在线分析器试样处理系统性能表示》。在线分析系统并无行业或国家标准,这就严重影响了在线分析工程技术最基本的规范和健康发展。

    由于在线分析器及其在线分析系统特殊专业性,又因对GB/T19768—2005标准的关注和宣贯很不够,一些有实力的企业,曾组织编写和实施在线分析系统企业标准。现在正酝酿编写在线分析系统的行业标准。

    12 应用在线分析系统的本质目的

    12.1 在线分析系统的计量准确度

        应用在线分析系统的目的,普遍认为是为了实现优化控制、节能、环保、安全防爆以及保障质量、提高产量等。由于分析仪器是计量仪器,在线分析系统只不过是延申、扩大了的分析仪器,总离不开计量准确度,这也是所有计量仪器决无例外的本色。所以追求计量准确度才是应用在线分析系统的本质目的。如果计量不准确,其他所有应用目的都有可能落空,那就是工程应用的失败。

    12.2 高深莫测的技术课题

    分析器与生俱来的弱点就是计量准确度低,长期连续运行的在线分析器可能将本来就比较大的误差放大几倍也很常见。主要影响因素分析如下:

      1)分析器的原理选择、结构设计、制造调试方面:如果稳定性能达到±1%FS/7d应是受欢迎的;±2%/3d和±5%/1d,就很难被接受了。

     2)分析器校准用标准气不是想象中的令人放心的“标准”,某些常量标准气的最好水平只能达到≤0.5%,而微量标准气达到2%都有困难。

     3)工业生产现场的仪表工程师校准仪器的操做可能不规范,使仪器并未运行在最佳状态。

     4)样气处理系统设计不良或维护不到位,出现漏气甚至相变,或者取样点的选择并无真正的代表性等原因,使检测结果严重偏离样气中被测组分的真实含量。

    5)样器处理之后的各种直观、微观变化,如含尘量、水份、温度的变化,物理、化学特性的变化,都有相关的理论和实践根据证明,都会对测量结果带来确定和不确定的影响,很多问题因为无能为力或怕麻烦“绕”过去了。

    6)非测量组分的干扰误差有时会大得出乎意外。例如合成氨甲烷化分析微量CO的准确度十分关键,其中甲烷的干扰就会造成很大的负向误差。又如CEMS系统中的SO2测量,假如红外分析器的设计并未采取特殊的抗干扰措施或在应用中采用校正系统误差的措施,那么CO2也会造成很大的负值干扰误差。这种类型的干扰误差或“系统误差“,可采取有深度的技术设计来减小。

    12.3 在线分析系统的高准确度应用仍然可期

        在线分析系统的高准确度应用虽然面对诸多困难,迫切需要付出加倍的努力去实现。我们能做的无外乎是深入分析,实验证明,定量把关,分段治理,综合处置,一般都能收到较好的效果。笔者的理论分析和工程实践证明,在线分析系统在工程应用中的最高准确度可以达到优于 0.5%的良好水平。

    九年前金义忠曾撰写论文“论在线分析器表的高精度应用”,被国家级大型文献《中国科学技术文库》征用。

    13 发展在线分析工程技术需要坚实的技术基础

    和任何专业的科学技术一样,仅有方向和决心是远远不够的,还必须有坚实的技术基础并坚持技术创新。

    13.1 在线分析工程技术的基础技术课题(在线分析器暂除外)

        取样系统

        样气“除尘“——即粉尘过滤

        样气“除水”——即冷凝和排水

        反映速度

        分析的准确度

        可靠性和安全性

        工程应用

        在初选的以上七项之中,样气的“除尘”和“除水”要彻底解决,又是十分棘手。

    13.2 基础技术问题要有新的有效解决方案

        2007年11月“国际论坛”之后,已有重庆凌卡分析仪器有限公司和北京北分麦哈克分析仪器有限公司率先回应“在线分析系统要有十五年寿命周期”的工程设计新理念,将其分析系统新产品定名为LKS 1500和 BM1500。联合在《分析仪器》杂志上开辟《在线分析工程技术》专栏,这是他们为在线分析工程技术专业理论的初创所作的最新努力和大胆尝试。

      重庆凌卡分析仪器有限公司的技术创新有不俗的表现,申请有发明专利和实用型专利,都是针对样气处理系统技术中的难题。其中高效自吹洗综合过滤器在根治“除尘”和“除水”两大顽症方面,有突破性进展。该过滤器采用具有纳米特性的先进膜元件,能同时过滤粉尘和各种液雾,精度可达到0.05um 99%,而且抗张强度高,气疏阻力很小,可以在线维护(更换过滤膜片)。

      如果每个基础技术课题,都有全新的有效解决方案,在线分析系统规范的专业化、针对性设计,就不会像过去那样困难重重,举步维难了。

    我们关注今天的科技现实和社会环境现实,为的是能找准和锁定全新的定位和全新的发展方向,在全新的产业和技术格局上,专注和致力于创造和技术创新,那么在线分析工程技术这个前途无量新专业的理论初创、质量发展、水平的提高、总规模的进一步扩大等,都将有希望出现全新的发展成果。

     

    参考文献

    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,第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛 论文集,2007,4-6

    2 金义忠. 在线分析仪器样品处理系统技术的应用及发展,第二届在线分析仪器应用发展国际论坛 论文集,2007,210-216

    3 朱良漪.21世纪的前沿技术在线分析器的应用及发展国际论坛 邀请函,分析仪器,2007(3),67