高世偉，王忠民，趙力

(中國石油蘭州石化公司 自動化研究院，蘭州 730060)

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在線色譜分析儀色譜柱柱溫影響因素研究

高世偉，王忠民，趙力

(中國石油蘭州石化公司 自動化研究院，蘭州 730060)

摘要：在線色譜分析儀是煉油工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要生產(chǎn)裝置，是保障裝置長期穩(wěn)定運行和優(yōu)化操作的重要手段。分析儀中色譜柱柱溫的控制，對儀表的分析精度有著非常重要的影響。介紹了色譜柱柱溫控制的一些基本概念和基本原理，詳細分析了影響色譜柱柱系統(tǒng)溫度控制的主要問題，針對發(fā)現(xiàn)的問題提出了相應的硬件和軟件解決方案，并通過試驗對方案進行了驗證。

關鍵詞：在線色譜儀色譜柱溫度控制

Research on Influencing Factors of Chromatographic Column Temperature for

Online Chromatographic Analyzer

Gao Shiwei, Wang Zhongmin, Zhao Li

(Automation Institute of Lanzhou Petrochemical Company, Lanzhou, 730060, China)

Abstracts: Online chromatographic analyzer is the key manufacturing device in production process for petroleum refining industry, and is the important means for ensuring long-term stable operation and optimized operation. The control of chromatographic column temperature plays a very vital role for accuracy of test results. Some basic concepts and principles of chromatographic column temperature control are introduced. Main problems influencing temperature control of chromatographic column system are analyzed in detail. Relative solutions for hardware and software are proposed with respect to problems discovered and are verified with test.

Key words:online chromatographic analyzer; chromatographic column; temperature control

在線色譜分析儀是一種直接安裝在工藝流程中，對物料的組分或物性參數(shù)進行自動連續(xù)分析的過程分析儀器，對優(yōu)化工藝操作、穩(wěn)定產(chǎn)品質量以及安全生產(chǎn)等起到十分重要的作用[1-4]。在線色譜分析儀適宜于分析石油產(chǎn)品的餾程，特別是汽油、煤油、柴油等的餾程[5]。它能為石油加工生產(chǎn)過程控制提供油品質量數(shù)據(jù)，并能及時提供油品的全餾程分析數(shù)據(jù)。穩(wěn)定精確的溫度控制能很大程度上改善儀表的性能，尤其是對色譜柱柱溫的精確控制可以提高儀表的分析精度。為了更好地控制在線色譜儀色譜柱的溫度，就必須提高柱系統(tǒng)的控溫精度，筆者分析了影響色譜柱柱溫的一些因素，提出了改善色譜柱柱溫控溫精度的解決方案。

1色譜柱柱溫控制

色譜法是一種分離和分析方法，在分析化學、有機化學、生物化學等領域有著非常廣泛的應用[6]。色譜法利用不同物質在不同相態(tài)的選擇性分配，以流動相對固定相中的混合物進行洗脫，混合物中不同的物質會以不同的速度沿固定相移動，最終達到分離的效果。

在線色譜分析儀中，色譜柱的主要作用是分離被分析介質，其柱溫主要由試樣的復雜程度和汽化溫度決定。原則是既要保證待測物的完全分離，又要保證所有組分能流出色譜柱，且分析時間越短越好。組成簡單的試樣最好用恒溫分析，分析周期會短一些，特別是用填充柱時，恒溫分析時色譜圖的基線要比程序升溫時穩(wěn)定得多。對于組成復雜的試樣，常需要用程序升溫分離，因為在恒溫條件下，如果色譜柱柱溫較低，則低沸點組分分離效果好，而高沸點組分的流出時間會太長，造成峰展寬，甚至滯留在色譜柱中造成柱污染；反之，當柱溫太高時，低沸點組分又難以分離。

可見色譜柱柱溫對分析結果的影響很大，為了更好地控制色譜柱柱溫，就必須提高在線色譜分析儀色譜柱柱系統(tǒng)的控溫精度。常見的柱系統(tǒng)主要采用箱式結構，該結構采用在箱體后壁加熱，再通過風扇攪動的方式使整個箱體的溫度達到均衡，由于箱體體積大，致使熱熔大，消耗功率大，且降溫速度較慢。在線儀表由于受現(xiàn)場條件的限制，通常對儀表體積有較高的要求。為了減小體積，提高降溫速率，提出了一種新型的管式結構，該結構在滿足儀表性能要求的同時，還可以減少功率消耗，提高降溫速率，其結構如圖1所示。新的管式結構采用直管式，在汽化室、檢測器與管式柱系統(tǒng)連接處密封，整個色譜柱密閉于管式結構中，采用螺旋形的加熱絲對色譜柱進行加熱，通過控制加熱絲的溫度達到控制柱溫的目的。降溫時，在進風口通入大流量冷空氣，熱量會從出風口被迅速帶出，從而達到快速冷卻色譜柱的目的。

圖1　管式柱系統(tǒng)

2色譜柱柱系統(tǒng)在應用中遇到的問題

在色譜分析儀中采用管式柱系統(tǒng)，提高了效率，減小了體積，但由于硬件條件的限制，會產(chǎn)生新的問題，研究解決這些問題，可以提高色譜柱溫控精度，改善儀表的性能。

色譜柱各段溫度分布不均勻。對色譜柱的縱向溫度分布進行研究，在線色譜分析儀正常工作時，在色譜柱上取距離相等的6個點進行溫度測試，同時對加熱絲的實際溫度進行溫度測試，測試結果如圖2所示，從圖中可以看出，色譜柱自身溫度分布很不均勻。

圖2是檢測器和汽化室都正常工作時測試得到的溫度信號；圖3是汽化室正常工作，檢測器不工作時測試得到的溫度信號；圖4是檢測器正常工作，汽化室不工作時測試得到的溫度信號；圖5是檢測器和汽化室都不工作時測試得到的溫度信號。從圖中可以看出： 汽化室和檢測器都會對色譜柱的溫度產(chǎn)生影響。這是由于汽化室、檢測器工作時都會產(chǎn)生較高的熱量，這些熱量會傳遞到色譜柱上，所以它們工作是否正常對整個色譜柱柱溫是有影響的。

圖2　色譜柱正常工作溫度測試曲線示意

圖3　檢測器不工作時色譜柱溫度曲線示意

圖4　汽化室不工作時色譜柱溫度曲線示意

圖5　檢測器和汽化室都不工作時色譜柱溫度曲線示意

不同環(huán)境溫度對應的餾程分析結果見表1所列，可以看出，對于同一油品，外界環(huán)境溫度不同，分析結果會有所差異。這主要是因為受外界環(huán)境的影響，色譜柱柱溫會有所變化，造成分析結果的波動。由于受硬件結構的限制，在進行組成分析時，色譜柱內充滿固定相，無法加裝測溫元件，只能控制加熱絲的溫度。根據(jù)熱輻射的原理，加熱絲產(chǎn)生的熱量傳遞到色譜柱時會有損失，因而加熱絲與色譜柱之間必然會有溫度梯度。如果找到梯度分布的規(guī)律，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，就可以實現(xiàn)加熱絲與色譜柱柱溫的同步。

由于套管不保溫，一部分熱量通過套管向外界流失。外界溫度越低，流失的熱量越多，色譜柱與加熱絲的溫度梯度也就越大。因此，同一試樣的保留時間一定會發(fā)生變化，得出的分析結果便會產(chǎn)生差異，這可以通過實驗證實，如圖6所示。從圖6中可以看出，在線色譜分析儀的外界環(huán)境溫度越低，加熱絲溫度與色譜柱溫度的差別也越大，散失的熱量也就越多。

表1　不同環(huán)境溫度對應的餾程分析結果　℃

圖6　環(huán)境溫度對色譜柱柱溫的影響

3解決方案

3.1解決色譜柱自身溫度分布不均的問題

針對色譜柱自身溫度分布不均的問題，減小汽化室、檢測器對色譜柱柱溫的影響，可以對汽化室、檢測器進行保溫設計。在與色譜柱連接處，采用隔熱材料，減少兩邊熱量向中間的傳遞。同時也可以改變現(xiàn)有的單一加熱方式，對各段分別加熱。理論上，分段越多，加熱越充分，各點的差異也就越小，在不增加機械設計難度的情況下，盡量多增加加熱點，分別加熱，減少溫差。

還可以采用數(shù)學的方法。在色譜柱上取距離相等的6個點進行溫度測試，結果如圖7所示。

由圖7可知，6個測溫點的溫度變化有一定的規(guī)律，可以通過這6個測溫點擬合出色譜柱上各點的溫度，對各點溫度進行數(shù)據(jù)處理，設置最佳控制參數(shù)，在此參數(shù)基礎上，制訂相應的控制方案，最大限度地提高溫控精度，減少各點的溫度差異。假設測得某一時刻6個測溫點的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法[7-9]，通過多項式擬合技術可以擬合出色譜柱上各點的溫度，如圖8所示。

圖7　測溫點變化規(guī)律示意

圖8　色譜柱柱溫擬合示意

3.2解決外界環(huán)境對色譜柱柱溫的影響

1) 方案一。針對外界環(huán)境對色譜柱柱溫的影響，可以通過在套管上加裝保溫設備，達到與外界隔離的目的，這樣就會得到一個相對穩(wěn)定的柱系統(tǒng)。

2) 方案二。通過實驗，建立不同外界環(huán)境溫度下的色譜柱柱溫模型，依據(jù)外界環(huán)境溫度的變化，改變加熱絲的加熱功率，控制加熱絲溫度，對散失的熱量進行補償，以達到穩(wěn)定色譜柱柱溫的目的。

假設加熱絲溫度、色譜柱柱溫和外界環(huán)境溫度有如下關系：

t1=Ti+αt3

(1)

式中：t1——加熱絲溫度；Ti——色譜柱柱溫；t3——外界環(huán)境溫度。

在硬件系統(tǒng)一定的條件下，可根據(jù)3個溫度值計算出散熱因子α，由此得出色譜柱到達指定溫度時，加熱絲需要加熱的溫度，即可在不改變測溫點的條件下，提高色譜柱系統(tǒng)的溫度精度。假設當t3為15 ℃時，測試得到t1和Ti的值見表2所列。

表2　15 ℃時對應的加熱絲溫度和色譜柱柱溫　℃

利用最小二乘法，通過多項式擬合技術，可以擬合出隨著加熱絲溫度t1的變化，散熱因子α的變化曲線，擬合結果如圖9所示。在控制色譜柱柱溫時，可以先依據(jù)擬合結果計算在不同加熱絲溫度下對應的散熱因子α，再根據(jù)對應的散熱因子α得到相應的色譜柱柱溫。

圖9　加熱絲溫度擬合結果示意

4試驗

通過上述分析可知，為了提高色譜柱柱溫控制的精度，需要從硬件和軟件兩個方面加以改進。

1) 在硬件系統(tǒng)上，針對色譜柱自身溫度分布不均的問題，對汽化室、檢測器進行保溫設計，在與色譜柱連接處，采用隔熱材料，減少兩邊熱量向中間的傳遞。同時在套管上加裝保溫設施與外界環(huán)境隔離，減少外界環(huán)境對色譜柱柱溫的影響，進而得到一個相對穩(wěn)定的柱系統(tǒng)。

2) 通過試驗建立不同環(huán)境溫度下色譜柱的溫度模型，依據(jù)外界環(huán)境溫度的變化，改變加熱絲的加熱功率，控制加熱絲溫度，對散失的熱量進行補償，進一步穩(wěn)定色譜柱柱溫。

分別用改進前后的柱系統(tǒng)對色譜柱柱溫控制進行仿真實驗。均方根誤差可以定性地分析系統(tǒng)溫度控制的準確度，通過仿真計算得到改進前后測量得到的溫度信號與目標溫度信號的均方根誤差分別為0.421 64和0.196 06，可以看出改進后的溫度控制系統(tǒng)可以更精確地對色譜柱柱溫進行控制。

5結束語

色譜柱柱溫對在線色譜儀分析結果有很大影響，筆者就色譜柱柱溫的控制進行研究。利用實驗分析得出影響色譜柱柱溫控制的幾個因素，由此對柱系統(tǒng)的結構進行了相應的改進，并介紹了如何利用多項式擬合技術對色譜柱柱溫進行精確補償。最后，通過實驗證明，改進后的溫度控制系統(tǒng)可以提高色譜柱柱溫控制系統(tǒng)的精度。

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中圖分類號：TH813

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)01-0061-04

作者簡介：高世偉(1980—)，男，湖南岳陽人，2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學控制科學與工程專業(yè)，獲博士學位，現(xiàn)就職于中國石油蘭州石化公司自動化研究院，從事石油化工先進檢測技術及先進控制技術研究開發(fā)工作，任高級工程師。

稿件收到日期： 2015-09-01，修改稿收到日期： 2015-11-16。