摘  要：基于第五届中国在线分析仪器应用及发展国际论坛暨展览会（2012北京），综述中国在线过程分析仪表技术的应用与进展。

　　关键词：在线     仪表     分析     水质     气体

　　Abstract: Based on the 5th China application and development of online analysis instrument international BBS and exhibition (2012 in Beijing), summarized the application and development of China's online progress analysis instrument technology.

　　Key words: Online     Instrument     Analysis     Water    Gas

　　【中图分类号】S932.9+11      【文献标识码】B     文章编号1606-5123（2013）04-0000-00

　　1引言

　　作为21世纪初世界公认的新世纪主要新技术之一的过程分析(PTA)技术，在我国已得到了长足的进步，本文将分如下8个方面进行阐述，即水质在线分析仪表及系统、气体在线分析仪表及系统、在医药行业的应用、在石化行业的应用、在炼油行业的应用、在冶金行业的应用、在化工及其它行业的应用和在线分析仪表及系统自身的发展。

　　本文综述内容来自第五届中国在线分析仪器应用及发展国际论坛暨展览会(2012北京)参展商与工程应用学术会议。

　　2水质在线分析仪表及系统

　　2.1需求

　　由于环保的要求，水质在线分析仪表及系统已经成了环保部门对辖区水质状况进行实时监测的重要手段，已能够实时、连续、稳定、可靠地提供准确、快速的监测数据。作为水质自动监测，还要实行远程监控，达到掌握主要流域重点断面水体的水质状况、预警预报重大或流域性水质污染事故、解决跨行政区域的水污染事故纠纷、监督总量控制、排放达标情况等目的。

　　2.2架构

　　在水质自动监控系统网络中，中心站通过卫星和电话拨号两种通讯方式实现对子站的实时监视，托管站也可以通过电话拨号方式实现对所托管子站的实时监控。每个子站是一个独立的水质自动监测系统，一般子站有一台或多台的多参数水质自动化分析仪组成，另有固定式子站和流动式子站(拖车-监测小屋)共三种。子站分采水单元、分析单元、控制单元、子站站房及配套设施。

　　2.3项目

　　分析单元即水质在线分析仪表，广州怡文环境科技有限公司的EST-WQMS整体柜式水质自动监测站，具有小型化、模块化、智能化、网络化的特点。一般监测项目有常规五参数分析仪(水温、PH、溶解氧DO、电导率、浊度)；常用监测项目(化学需氧量COD、高锰酸盐指数、总有机碳TOC、氨氮、总氮、总磷)；其它监测项目(氟化物、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氰化物、硫酸盐、磷酸盐、活性氯、总有机碳TOC、生化需氧量BOD5、石油类、酚、叶绿素、金属离子如六价铬等)。还有把氧化还原电位(ORP)作为常规监测项目的情况。

　　2.4厂商

　　水质在线监测分析仪表及系统国际知名公司，有美国HACH公司、德国BRAN+LUEBB公司、德国WTW公司、日本SHIMADZU公司、法国SERES公司等，国内生产厂也有100多家，其中河北先河环保股份有限公司、杭州聚光科技股份有限公司、北京雪迪龙科技股份有限公司均已上市。力合科技(湖南)股份有限公司生产的移动式水质自动监测车已应用于应急监测，如用于广西柳州龙江发生的镉浓度严重超标事故的全面监测(6台监测车)，受到了好评。上海仪电科学仪器股份有限公司在电化学和电传感器方面进行了模块化设计，组成多参数水质在线监测仪器，具有自主知识产权，具体有电流模块(COD)、电位容量滴定模块(总酸/总碱)、电位法模块(离子)、溶出法模块化(重金属)等。

　　污染源排放口一般安装COD在线分析仪，"十二五"期间将会进一步安装氨氮在线分析仪及总磷在线分析仪，污水处理厂也需要实现工艺优化、进行提标改造。

　　2.5英国案例

　　位于英国Bournemouth的某污水处理厂，日处理约4.5万吨，BOD负荷约每天8100kg，氨氮负荷约1476kg。该污水处理厂在曝气池的前端和末端各安装了哈希公司的离子选择性氨氮探头，实时监测进水氨氮负荷和出水氨氮浓度，实行优化控制，控制曝气阀门和风格，实现了出水氨氮稳定达标，同时节约25%的曝气能量。又介绍除磷业绩：位于意大利的某污水处理厂，日处理量为3万吨到5万吨，进水总量磷平均值为8.46mg/l，最小为3.43mg/l，最大为16.74mg/l，出水总磷要求为0.8mg/l，手动加药量平均为40l/h，最大加药量为120l/h。由于季节性的峰值负荷使得出水总磷超标严重。在曝气池末端增加哈希的PHOSPHAXSC正磷酸盐在线分析仪，测量实际正磷酸盐浓度值，并与设定值比较，由此控制除磷的投加，最终实现出水总磷稳定控制在0.8mg/l以下，和以前相比节省了约30%的加药量。

　　2.6中国案例

　　国内水质氨氮监测等复杂仪表的深入研究方面也取得很多成果，如北京市化学工业研究院，研制出自动化程序很高的智能分析系统，为环境管理提供了有力的监管工具，目前我国已有30多家企业有了认证合格的相关产品，国内在2003年也颁布了"氨氮水质自动分析仪的技术性要求"(HJ/T101-2003)标准，规定了地表水、工业污水和市政污水的基于电极法和分光度法的氨氮水质自动分析仪的技术性能要求和性能试验方法。

　　工业污水和工业用水，石化企业中节能减排用的水质分析仪表与上述是一致的。新鲜水处理中另有余氯分析仪；软化及除盐水处理中另有硬度分析仪、二氧化硅分析仪；循环冷却水处理中另有浊度/悬浮物分析仪；凝结水回用中另有钠离子分析仪等。其中钠离子分析仪、独山子石化公司乙烯厂采用了Rosemount公司的Chempure++1056钠离子分析仪监测水汽联合装置化学水系统的阳床运行，克服了实验室分析不够及时的缺点，水处理质量提高，并可快速判断床层是否失效。另外，石化、化工等企业在蒸汽冷凝水和冷却水中渗入芳烃化合物，由于后果严重，所以水中芳烃的在线测量受到重视。赛黙飞世尔的Arospector在线芳烃分析仪，采用高精度、高重复性的脉冲紫外荧光分析法为我们提供了解决方案。

　　3气体在线分析仪表及系统

　　3.1需求

　　从环保的角度看，气体在线分析仪表及系统比水质在线分析仪表及系统更为重要，大气污染物排放标准等，从法规上要求安装连续排放监测系统EEMS。近十余年间，我国固定污染源上安装了1.8万套CEMS，具体标准有HJ/T75固定污染源烟气排放连续监测技术规范、HJ/T76固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法、HJ/T212污染源在线自动监控(监测)系统传输标准。

　　3.2项目

　　目前，我国生产的烟尘、烟气CEMS基本满足了连续监测排放源排放的需要。据中国环境监测总站在固定源排放废气连续监测统计，采用直接监测紫外差分吸收法有北京牡丹联友公司等4家采用稀释抽取；发光法有北京航天益来电子公司等4家，采用完全抽取非分散红外法有艾默生过程控制公司(在我国有生产基地并通过我国适用性检测)等52家、颗粒物CEMS流速(流量)和含湿度连续测量系统生产商有安徽敏测光电公司等5家。目前安装的系统中，除采用完全抽取监测法的烟气CEMS部分采用进口分析仪外，均采用国产产品，打破了20世纪90年代国外产品一统天下的格局。目前已有少量CEMS产品出口，而且成套工程、售后服务为运行保驾护航等全生命周期服务已蔚然成风，所以CEMS在我国应用40年来，近20年已有了显著的提高，这些都为我国对固定污染源排放废气中的污染源实行浓度控制、总量控制、二氧化硫排放量交易等打下了基础。

　　目前还试点燃煤电厂排放烟气中汞的连续自动监测、超声波流速测定仪解决低流速(≤3m/s)烟气测定、适应宽范围气体浓度的测定等项技术，此外，美国博纯公司提出一种创新的冷干直抽法CEMS样气预处理技术是样气除湿的先进技术。实现由"点末端监测"向"全过程监控"的转变，协调实验室检测项目便携式仪器检测项目等，适应新形势下对生态文明的要求。

　　大气中挥发性有机物(VOCs)的监测方面也受到了重视。空气中挥发性有机物监测研究进展项目，给出了VOCs在线测量方法的比较表，如表1所示。另外南京分析仪器厂开展相关研制工作，XD-400型大气苯系物自动检测系统2010年底通过全鉴定，采用气相色谱示富集解析及FLD检测技术，以及采用南分公司的CX-8800在线色谱仪和PC-104嵌入式模块测控平台技术，检测样品含量可达到ppb级水平，数据可实现网络连接，主要技术性能达到国外(monitor、Tekmar、Varian等)公司大气苯系物监测指标，能满足国内环境空气质量检测要求。

　　3.3技术

　　为了治理大气和节能，从源头提高燃烧效率和减少烟尘、减少CO、SO2等有毒气体，更是受到重视。英国仕富梅集团一种基于厚膜(Thick Film)技术的CO可燃气体感测器，可与氧化锆氧气感测器组合成抽取式的气体分析仪，可以用于过程、化工、电力和焚烧炉，是一个高效、环保和相对廉价的气体解决方案，为燃烧过程的反馈控制提供了足够的灵敏度和反应时间，而且在一年以内运行中无须服务，即服务要求少、安装调试、运行维护都很方便，大受客户欢迎。另外有梅勒托-利多公司高平的"探头式TDL氧气分析仪用于关键之处"和AMETEK Process/nstruments公司的"New Process Gas Analyges For The Meaeurement of Qxygen Concentraiton"两篇论文均介绍了可调谐二极管激光(TDL)或称Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy(TDLAS)可调谐二极管激光吸收分光器相关技术，TDL氧气分析仪原位且直接从气流中测量氧气，而且无需任何取样或预处理设备，具有高分辨率和精确度，响应速度快、抗交叉干扰、耐腐蚀、校准方便、维护方便、费用低等优点，已用于化工、石化、食品等工业、VCM(氯乙烯)和EDC(二氯乙烷)生产及很多火炬、一氧化碳锅炉等安全监控场合，大有取代取样式测量系统之趋势。

　　3.5中国案例

　　西克麦哈克(北京)公司基于傅立叶技术的垃圾焚烧排放连续监测系统的设计、重庆川分严实的"傅立叶变换红外光谱仪在焚烧炉烟气排放连续监测的应用"，青岛佳明测控公司的"大气颗粒物PM2.5监测仪的开发"，佛山分析仪公司何桂华的"基于OBD协议的在线汽车排放分析系统"，重庆川分"一种紫外吸收式非分光气体分析仪结构研究"，都显示了宝贵的研究和应用成果。关于垃圾处理诸多技术中与气体在线分析仪表及系统还有更多课题，也应给以关注。

　　4在医药、食品行业的应用

　　4.1需求

　　医药等行业对于在线分析仪表及系统的需求，从PAT过程分析技术来说，与石化等行业是相似的，特别是塔、釜、罐等工艺设备的测控、燃烧、冷却等控制，节能环保的要求等，并无特别之处，但制药流程后处理部分，如颗粒和药丸干燥过程的测量控制，在线分析仪表及系统仍有用武之地。济南金宏利实业公司AOTF-NIR光谱技术在线测量Glatt流化床湿度项目，实现颗粒和药丸干燥过程的含水量和湿度控制。作为现代制药领域对湿度控制主要手段，流化床喷雾制粒是一种复杂的生产过程，物料含水量变动较大，药物颗粒表面湿度和内部湿度准确的检测是个难题。将近红外(NIR)反射光谱法用于流化床干燥制粒，监测喷雾阶段并且可以测定干燥终点。通过在线红外技术收集干燥不同阶段产品的近红外光谱图，结合其它过程测量技术组合建立线性校正模型，可以实时监测干燥过程。具体采用Luminar3075小型VOTF-NIR光谱仪(美国Brimrose公司)，AOTF为声光可调滤光器(Acousto-optic tunable filter)，结构简单，光学系统无移动性部件，体积小，集光能力强，波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得灵活性强，在现场使用广泛。德国Mutec在线水分仪在固体水分分析方面的应用项目，采用一个安装在不锈钢法兰外壳里的外置共振器，固体物料均匀的经过测量区，会削弱测量场的能量，传感器给出的信号与物料的多少和物料被极化的程度成一比例关系，从而可以得到水分值，它适用于测量物料表面的活性水分(附水)。

　　4.2案例

　　邯郸市兆辉电子科技有限公司的ZHDT系列在线液体密度测试变送器在制药行业中的应用项目，已取得7项专利，主要用于中药提取工艺中，解决了以前取样和检测等方面的困难。ZHDT系列在线液体密度测试变送器原理是采用差压式(简称差压式密度计)，因其原理比较简单，摘录如下：

　　根据P=F/S得出P=G/S=mg/s                          (1)

　　根据ρ=m/v可推出：m=ρv从而可以得出P=ρvg/s         (2)

　　根据v=sh推出P=ρshg/s得到：P=ρgh                   (3)

　　ZHDT型密度仪杆体上有两个测压传感器，传感器的高度为固定高度。杆体插入到液体中，因为液体密度均匀，上下两个测压膜片承受的介质环境、温度及液体的速度相同，而工作压力不同，根据公式可以直接换算输出液体密度。该公司产品7种专利结构适用不同工艺装置和人机界面的要求，进行了数字化和智能化，已批量生产并投放市场。

　　5在炼油、石化、化工行业的应用

　　5.1需求

　　在炼油、石化行业，在线分析仪表的选用越来越普遍，投资越来越上升。根据中石化咨询公司数据，某大型乙烯装置，进口自控仪表设备费2亿元，进口在线分析仪表设备费5千万元，即4:1；某大型聚乙烯装置，进口自控仪表设备费8000万元，进口在线分析仪表设备费1700万元，其中远红外总碳氢分析仪500万元，在线气相色谱仪500万元，氧分析仪400万元，水分析仪300万元，即4:0.85；某大型硫磺回收装置，进口自控仪表设备费500万元，进口在线分析仪设备费250万元，即2:1；某油品长输管线分输站，进口自控仪表设备费200万元，进口在线分析仪设备费100万元，即2:1。而在线分析仪表集中在如下几方面：在线质量分析仪(工业色谱、全馏程分析仪、质谱仪等)、在线近红外分析仪、工业核磁共振仪、放射性仪表(料位密度测量)、环境监测和水质分析仪等。

　　5.2技术

　　21世纪初，PAT技术受到重视，得益于近红外光谱快速分析技术的迅速发展，一台近红外分析仪可以在几秒钟内测定十几种质量参数，为在线质量控制创造了条件。根据石油化工科学研究院汽、柴油近经外光谱数据库的建立项目，在国内外所有汽油调合装置中，有95%以上装置采用近红外光谱技术，只有极少数采用了在线核磁或在线拉曼技术。现在线近红外分析技术需建立较复杂的分析模型，才能得到可靠的测量结果(即由于近红外光谱无特征，具体应用时需要用相似的样品先建立一个定量分析模型才能得到准确的分析结果；在线应用中一旦样品组成变化较大，则需要重新收集新的训练样本，并建立新的模型)，所以建模即建立光谱数据库就显得很重要，他们解决了样本来源、分析模型的建立、预测分析、成品汽油苯和含氧量的分析，收集了各近千个汽油、柴油样本，建立了多种成品油的近红外光谱数据库，对近红外技术的推广起到了很好的作用。

　　5.3案例

　　(1)通力分析自控技术公司炼油过程应用在线分析技术提高油品品质和轻质油收率项目对油品质量在线分析应用的主要产品有：全馏程在线分析仪、倾点在线分析仪、饱和蒸汽压在线分析、粘度在线分析仪、闪点在线分析仪等油品质量分析仪表，以及各类油品预处理系统，分析小屋及分析仪表成套系统、远程工作站，先后在兰州石化、新疆克拉玛依、天津大港石化、大连石化、华北石化、湖南长岭石化、广州石化、上海高桥炼油厂、陕西榆林石化、洛阳石化、河北沧州石化、山东济南石化、西安石化、新疆独山子石化、武汉石化、江苏清江石化、延安炼油厂等30个炼油企业得到了很好的应用。如武汉石化焦化柴油项目进行卡边操作，柴油95%点由投用前平均357℃提高到投用后363℃，平均提高了6℃，按每提高1℃即产生＄1.1M(折合人民币680万元)计算，柴油95%点提高6℃，每年增加3500万元以上的经济效益。独山子石化公司炼油厂加氢裂化车间罗祥生在"全馏程在线分析仪表在加氢裂化装置中的应用探讨"一文中提出，该厂60万加氢裂化装置采用了IDA系列全锱程在线分析仪(通力产品)，2011年10月底开始调试，2012年1月15日正式投用至今运行平稳，实现生产过程在线质量监测、全塔优化控制，年经济效益为1519.3万元。

　　(2)中石化长岭分公司在线质量仪表在先进控制系统的应用项目，应用先进控制(APC)与在线质量仪表成套。在线质量仪表可以作为APC系统软仪表的校正信号，提高了软仪表准确率(该公司情况如表2所示)，证明了发达国家的经验："花了70%的钱购置DCS，换来的是15%的经济效益，加增加30%的投资实现先进控制和过程优化，将可以提高产品档次和质量，降低能源和原材料消耗，从而增加85%的经济效益。"还要补充一点，该公司实施先进控制的技术为：焦化装置加热炉控制采用了清华大学的状态空间方程技术员；另焦化装置、聚丙烯装置采用Honeywel公司的RMPCT鲁棒多变量预估控制技术；重整装置采用了APSPEN公司DMC plus的先进控制技术。

　　(3)此外，博太科电气(上海)公司新型的天然气水露点测量技术(输气管线上采用)项目、聚光科技(杭州)公司在线分析系统应用于硫磺回收工艺在线监测(采用紫外差分吸收光谱DOAS技术)项目、燕山石化NMR分析系统用于原油在线快速评价项目、中石油锦州石化公司燃料油中硫含量的在线检测技术--SOLA11在线总硫分析仪项目、中石化广州分公司在线分析小屋联锁报警系统功能与实现等众多项目，也很有实用价值。

　　(4)工业色谱、过程色谱、在线色谱、过程气相色谱，这些名词都是不同时期对于过程分析技术中最核心部分的描述，这些年，在线色谱在石化系统应用也有很大进步。中石化广州分公司张英涛介绍聚乙烯循环气在线色谱分析系统的应用，设置了两台ABB公司的3100型在线色谱分析仪，一备一用测量循环气，取得了成功，经验是：造型要合适、样品预处理系统要过关。中石化长岭分公司MAXUN11并行色谱在长盛聚丙烯装置项目，即一台色谱建立两个应用，APP1为微星硫分析AT-331，APP2为氢浓度分析AE-201(一台色谱仪利用一套控制系统对多套分析系统进行控制、数据处理及数据传输)，已运行一年多，效果良好。独山子石化公司苯乙烯装置西门子在线色谱仪的故障分析及解决方案，解决了本机阀切换时间不当、色谱挂载气流量不当、LIV阀故障、样品过滤效果差及仪表设计和预处理系统样品冷却不充分诸问题，最终做到保证了苯乙烯装置在线色谱仪表周期正常运行，给工艺操作人员提供精确的测量数据。中国环球工程公司安塞LNG项目色谱仪的通讯系统项目，应用安塞天然气预处理系统多台色谱仪与DCS、PC机远程操作等DCS Modbus协议网格，很有价值。

　　(5)石化和煤化工行业还有多项工程采用在线质谱仪。聚光科技(杭州)公司过程气体、质谱仪在煤化工行业中的应用项目，美国Jian Wei博士等的Extrel在线质谱仪在甲醇工业气体监测中的应用，上海舜宇恒平科学仪器公司等的在线质谱仪在催化剂研究中的应用，上海大学ART-2a分类方法在单颗粒气溶胶质谱仪数据处理中的应用及其改进应用，新疆奎屯锦疆化工有限公司与赛默飞世尔科技(中国)公司合作的Prina Pro在线质谱仪在合成氨工业中的应用项目，以及南京金陵石化工程设计在线拉曼光谱仪的研制及其在芳烃装置中的应用、浙江大学工业自动化国家工程研究中心化学反应过程在线拉曼分析系统的项目，还有中石油独山子石化公司合理运用柱切技术，提高在线色谱分离能力和荷兰安米德公司在线分析仪表在氯碱行业中的应用以及预处理方案等，都应引起PAT技术人员重视。

　　6在其它行业的应用

　　6.1钢铁

　　钢铁研究总院分析测试研究所的质谱在线分析系统对RH精炼炉真空脱气过程的实时动态分析项目，实现安钢第二炼轧厂2#精炼炉采用质谱在线分析系统，通过对气体CO、CO2、H2、N2、O2、Ar含量的实时动态分析，将分析结果绘制成动态的冶炼曲线，监控工艺参数的变化，对精炼冶炼过程进行控制，同时指导生产工艺操作取得良好效果，不仅提高终点控制水平，有效降低了生产成本，而且提高了生产率和钢的质量，减少环境污染，降低能耗。

　　6.2铜矿

　　江西铜业德兴铜矿大山选矿厂采用了德国新帕克公司在线粒度分析仪OPUS，以31段不同频率的超声波扫描测量矿浆，进入研磨和分级的中央控制系统中，在线的粒度和浓度检测实现过程控制与优化，这为国内首创。

　　6.3火电

　　超临界和超超临界机组蒸汽中氢对管道氧化的形成机理及机组产生的危害已为人们所知。哈希公司蒸汽对钢表面的氧化机理探讨及溶解氢监测技术的应用项目，对玉环、北仑、绥中等电厂在过热器出口监测氢含量，有效地减少和避免爆管。又溶解氢分析仪测量蒸汽和给水中的氢浓度能够用于反映炉前和锅炉系统中的腐蚀活性。具体测量原理电厂多用电化学法。我国已有将近20台超临界机组，所以这个技术应引起重视。

　　6.4浆料

　　广州博勒飞粘度计质构仪技术服务公司的在线粘度计在粘度控制系统中的应用项目，对凃料、胶粘剂、油墨、锂电池浆料等工业生产都是有帮助，具体有AST100振动式在线粘度计、VTE250/VTA120旋转式在线粘度计。

　　7结束语

　　在线分析仪表及系统工程在应用中发展，特别是CEMS带动了大批民营企业兴起，正在形成产业；在线分析技术(PAT)，应该由制造商、设计研究院(研究设计院)、最终用户合作，共同努力，让它产生巨大的经济效益和社会效益；以开放的精神，在国际合作的大背景下，把质量、品种及有自主知识产权的创新踏实的推进。

　　作者简介

　　卞正岗（1936-）男 教授级工程师，中国自动化学会科普工作委员会委员，1961年清华大学电机系毕业，早年从事电机及微型电机研究，后从事工业自动化仪表、集散系统和现场总线的研制和自动化系统集成的工程实践。享受政府特殊津贴，曾获得有色总公司科技进步一等奖和国家机械总局科技进步三等奖。

　　参考文献（略）