一种合成气工艺中抗CO2干扰分析氢浓度的方法及系统与流程

本发明涉及工业过程气体分析，尤其涉及一种合成气工艺中抗干扰分析氢浓度的方法及系统。

背景技术：

1、合成气通常含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气、水蒸气及少量含硫组分。氢浓度是评价气化反应、变换反应、净化工序和后续合成反应物料平衡的重要参数。在线分析结果若发生持续偏差，可能导致氢碳比调节滞后、催化剂工况偏离或安全联锁误动作。

2、热导式氢分析仪利用氢气与背景气体之间显著不同的导热能力，将传感元件的散热变化转换为电信号，具有结构简单、响应快、量程宽和传感元件不被消耗等特点。然而，热导检测本质上反映混合气整体热物性。当合成气中浓度随原料、气化负荷或变换深度改变时，与标定背景气之间的导热差异会改变热导检测输出，固定标定曲线因而把部分变化误解释为氢浓度变化。

3、一种常见处理方式是设置独立传感器并按固定交叉系数修正氢读数，该方式难以覆盖传感器老化、样气温压变化和不同背景组成造成的系数漂移，跨度较大时容易欠补偿或过补偿。另一种方式是在热导池前串联吸收剂，但被移除后混合气总摩尔数降低，其余组分的摩尔分数相应升高；吸收筒逐渐饱和还会使残余随时间改变。若不进行物料衡算、流压匹配和吸收剂状态诊断，串联吸收本身仍会引入新的测量误差。

4、采用两只传感器分别检测原始样气和处理样气能够提高实时性，但现有技术通常将两只传感器的输出直接作差或按固定系数修正，而两只热导检测单元的零点、增益、温度场和老化速度不完全相同，这种固定差值补偿方式无法区分单元自身偏差与干扰，会使单元间固有差值混入干扰量。现有技术尚缺少一种能够在同源样气窗口内主动构造组成差异、保持氢摩尔分数可比、通过交叉换向消除检测单元差异，并对吸收剂饱和与数据有效性作闭环判断的方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种合成气工艺中抗干扰分析氢浓度的方法及系统，以解决现有技术合成气中含量波动导致热导式氢浓度测量失真，以及固定补偿系数、简单吸收和双传感器直接作差不能同时消除组分变化、支路不匹配和检测单元漂移的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一方面，一种合成气工艺中抗干扰分析氢浓度的方法，包括：

4、步骤s1，样气预处理与同源分流：对从合成气工艺管线取得的样气进行除尘、除液、温度调理和压力流量调理，将调理后的同源样气分成第一支路样气和第二支路样气；

5、步骤s2，构建可比支路—保留与等摩尔替换：第一支路样气保持组成，第二支路样气通过选择性去除单元，并根据第二支路样气在去除前后的摩尔流量差向第二支路样气补入热物性参数已知且经标定确定热导响应的补偿气，使第一支路样气与补气后的第二支路样气的总摩尔流量、压力和温度分别处于对应允许偏差内；

6、步骤s3，两相交叉换向与四信号采集：控制交叉换向阀组处于第一相位，使第一支路样气进入第一热导检测单元、第二支路样气进入第二热导检测单元，取得第一原始支路信号和第二处理支路信号；控制交叉换向阀组处于第二相位，使第一支路样气进入第二热导检测单元、第二支路样气进入第一热导检测单元，取得第二原始支路信号和第一处理支路信号；

7、步骤s4，消除检测单元差异并反演交叉敏感量：根据去除前后的浓度、补偿气流量以及第一原始支路信号、第二处理支路信号、第二原始支路信号和第一处理支路信号，消除两个热导检测单元之间的零点差异和增益差异，确定对热导检测信号的当期交叉敏感量即当前样气条件下浓度变化对热导检测信号的影响系数；

8、步骤s5，计算样气中的氢浓度：利用处理支路的热导检测信号和当期交叉敏感量，结合原始支路信号，计算样气中的氢浓度；

9、步骤s6，综合评判数据质量状态：根据去除率、两支路的流量压力匹配残差和两个相位的换向残差，确定氢浓度的数据质量状态。

10、所述压力流量调理包括：将样气压力稳定在设定压力，将样气温度稳定在高于样气露点的设定温度，并将第一支路与第二支路中从分流点至交叉换向阀组的气路容积差和气阻差分别限制在预设范围内；按照各支路的停留时间对浓度信号和热导检测信号进行时间对齐。

11、所述选择性去除单元包括并联设置的第一吸收筒和第二吸收筒，任一吸收筒处于吸收状态时，另一吸收筒处于待机状态或再生状态；所用吸收介质为碱石灰、负载胺多孔介质、碱性分子筛中的任意一种或多种，并通过位于选择性去除单元上游和下游的检测组件确定去除率按测量周期累计进入所述选择性去除单元的摩尔量与排出的摩尔量之差，得到吸收负荷；根据所述去除率随吸收负荷的变化斜率预测剩余可用周期数，并在预测值达到切换阈值时，将处于待机状态的吸收筒切换至吸收状态，对原吸收筒执行再生或更换。

12、所述步骤s2中，补入所述补偿气包括：根据去除前摩尔分数、去除后摩尔分数和第二支路在补气前的摩尔流量，计算待补偿摩尔流量；调节质量流量控制器使满足第一支路与第二支路的总摩尔流量差不超过设定值，并以支路差压和出口流量对进行反馈修正；所述补偿气为氮气、氩气或热导响应已标定的工艺惰性气。

13、所述允许偏差包括：所述第一支路与补气后的第二支路之间的流量残差和压力残差分别小于设定阈值，且所述第一支路与第二支路从分流点至交叉换向阀组的气路容积差不超过5%，气路阻力差不超过10%。

14、所述第一热导检测单元和第二热导检测单元各自的原始输出通过对应的零点增益映射函数转换到统一量纲；原始支路配对信号r为第一原始支路信号经映射后的值与第二原始支路信号经映射后的值的均值，处理支路配对信号t为第二处理支路信号经映射后的值与第一处理支路信号经映射后的值的均值；以同一样气在两个热导检测单元中的映射值之差形成所述换向残差。

15、所述第一支路中相对于补偿气的热导贡献与所述第二支路中残余和补偿气的热导贡献之差记为交叉敏感量；基于、去除前后摩尔分数及补偿气标定响应求取，并将输入氢浓度标定函数得到第一氢浓度，将输入包含残余浓度和补偿气浓度的处理支路标定函数得到第二氢浓度，再根据所述去除率、流量压力匹配残差和换向残差对第一氢浓度与第二氢浓度加权融合。

16、所述数据质量状态至少包括有效、降级和无效；当去除前浓度高于预设最低有效浓度时：若所述去除率不低于维护阈值、流量压力匹配残差不大于第一阈值且换向残差不大于第二阈值，则将所述数据质量状态确定为有效；若所述去除率不低于所述维护阈值，且任一残差超过相应阈值但未超过停用阈值，则确定为降级，并降低当前氢浓度相对于最近有效氢浓度的更新权重和/或降低氢浓度的更新速率；若所述去除率低于失效阈值或任一残差超过停用阈值，则确定为无效，保持最近有效氢浓度并输出维护指令；当去除前浓度低于或等于所述预设最低有效浓度时，所述去除率不参与数据质量状态判定，而依据所述流量压力匹配残差和换向残差进行判定：若流量压力匹配残差不大于第一阈值且换向残差不大于第二阈值，则确定为有效；若任一残差超过相应阈值但未超过停用阈值，则确定为降级，并降低当前氢浓度相对于最近有效氢浓度的更新权重和/或降低氢浓度的更新速率；若任一残差超过停用阈值，则确定为无效，保持最近有效氢浓度并输出维护指令；所述维护阈值优选为0.85～0.95，所述失效阈值优选为0.60～0.80，所述第一阈值、第二阈值和停用阈值由校准试验确定。

17、在校准模式下依次通入零气、至少两种已知氢浓度且浓度不同的标气以及仅改变浓度的干扰标气，分别建立两个热导检测单元的零点增益映射函数、补偿气响应函数和交叉敏感初始曲面；在测量模式下，以交叉换向得到的配对信号对所述交叉敏感初始曲面进行限幅更新。

18、另一方面，一种合成气工艺中抗干扰分析氢浓度的系统，包括取样预处理单元、稳压稳流及分流单元、第一支路、第二支路、检测组件、补偿气供给组件、交叉换向阀组、第一热导检测单元、第二热导检测单元以及处理器；

19、所述取样预处理单元依次包括粗过滤器、气液分离器、精过滤器和温度调理器，用于对从合成气工艺管线取得的样气进行除尘、除液和温度调理；

20、所述稳压稳流及分流单元包括减压阀、缓冲容积、总流量测量件和分流歧管，用于将经温度调理后的样气稳定在设定压力和设定流量，并将样气分流为第一支路样气和第二支路样气；

21、所述第一支路用于传输保持组成的样气；

22、所述第二支路设有选择性去除单元，用于选择性地去除第二支路样气中的；

23、所述检测组件设置于所述选择性去除单元的上游和下游，用于检测去除前后的浓度；

24、所述补偿气供给组件包括补偿气源、减压件和质量流量控制器，用于根据去除前后的摩尔流量差向所述第二支路补入热物性参数已知的补偿气，使第一支路与补气后的第二支路的总摩尔流量、压力和温度分别处于对应允许偏差内；

25、所述交叉换向阀组被配置为在第一相位将所述第一支路和所述第二支路分别连通至所述第一热导检测单元和所述第二热导检测单元，并在第二相位交换两个支路与两个热导检测单元的连通关系；

26、所述第一热导检测单元和所述第二热导检测单元用于检测对应支路样气的热导信号；

27、所述处理器分别与所述检测组件、补偿气供给组件中的质量流量控制器、交叉换向阀组、第一热导检测单元和第二热导检测单元连接，并被配置为执行等摩尔补气控制、两相配对运算、交叉敏感量反演、氢浓度计算以及数据质量状态判定。

28、所述第一支路和第二支路分别设有流量传感器、压力传感器和温度传感器，两个支路在交叉换向阀组前设有等容缓冲段；所述处理器根据两支路的流量差、压力差、温度差和停留时间差调节所述补偿气质量流量控制器和支路背压调节件，并对不同传感信号作时间对齐

29、所述选择性去除单元包括可切换的双吸收筒及再生气路；所述合成气工艺中抗干扰分析氢浓度的系统还包括4-20ma输出接口、数字通信接口和报警输出接口，处理器仅在所述数据质量状态为有效时按正常更新速率输出氢浓度，在降级状态下降低更新速率并附加质量标志，在无效状态下保持最近有效值并输出吸收筒切换、再生或维护报警。

30、本发明从同一调理后的样气连续取得两路具有时间对应关系的子流。第一支路保留原始组成；第二支路以选择性吸收方式移除至少一部分，并由去除前后的摩尔流量差确定补偿气加入量。补偿气的热导响应预先标定，其加入量用于替代被移除所占的摩尔流量，使处理支路中的氢摩尔流量和总摩尔流量与原始支路保持可比。

31、两个支路不是固定连接到各自的热导检测单元，而是由交叉换向阀组在第一相位和第二相位之间交换连接。第一相位形成第一检测单元的原始支路信号和第二检测单元的处理支路信号；第二相位形成第二检测单元的原始支路信号和第一检测单元的处理支路信号。由此，同一样气状态由两只检测单元分别测得，同一检测单元也分别测得两种样气状态，为消除单元间偏差提供冗余观测。

32、所述处理器以去除前后浓度、补偿气流量、两支路流量压力温度、四个热导信号以及相应时间戳为输入，先将两只热导检测单元的信号映射到统一量纲，再形成原始支路配对信号和处理支路配对信号。与之间的差值包含以补偿气替换造成的确定性热导差以及剩余的支路误差；扣除已标定的补偿气贡献并结合浓度差，可得到当期交叉敏感量。

33、在一种局部线性实施方式中，原始支路统一量纲信号满足；处理支路统一量纲信号满足，其中为待求氢摩尔分数，和分别为去除前后摩尔分数，为补偿气摩尔分数， 、 和分别为氢、和补偿气的当期响应系数，为在配对窗口内近似共同的其余背景贡献。等摩尔补气使处理前后的保持可比；通过标气校准得到和，并由及限幅更新，进而求得。对于明显非线性的量程，由分段多项式或二维标定曲面代替。

34、为防止算法在气路异常或吸收剂饱和时仍输出貌似正常的浓度值，处理器计算去除率、流量压力匹配残差以及换向残差。反映吸收能力，反映两支路是否仍满足可比条件，反映两只检测单元及换向过程的一致性。三者共同确定有效、降级或无效的数据质量状态，并控制当前结果的更新权重、保持逻辑和维护报警。

35、与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

36、本发明通过主动产生原始样气和去样气两种可控状态，将原本湮没在总热导信号中的贡献独立出来，使干扰由不可观测误差转化为可通过配对信号差量计算的可利用差分量，从而为动态反演当期交叉敏感系数提供直接的定量基础。

37、本发明通过按去除摩尔量补入已知热物性的气体，严格遵循物料平衡原则，避免单纯吸收因总摩尔数减少造成氢及其他组分摩尔分数被动升高，确保处理支路与原始支路中氢的摩尔流量及总摩尔流量保持真实可比，从源头上消除了因体积收缩带来的虚假浓度变化。

38、本发明通过两相交叉换向，结合两个热导检测单元各自的零点增益映射函数，使两只热导检测单元的零点差异、增益差异和缓慢漂移在配对运算和换向残差监控中被有效对消与分离，确保提取的差分量不受单元个体硬件特性偏差的污染，显著提升了干扰识别的纯度和长期稳定性。

39、本发明通过去除率、支路匹配残差和换向残差构成多级数据有效性门控，不仅能够全面识别吸收筒饱和、阀门不到位、流量异常和传感器漂移等硬件异常状态，还能够据此将输出划分为有效、降级与无效三种明确状态，在异常时执行降权更新或保持最近有效值并主动预警，实现对数据可信度的闭环管控。

40、本发明系统可由在线热导气体分析单元、远程传感单元、通用取样预处理、流量控制和工业信号接口构成，所有核心功能模块均采用标准化通用组件，不依赖特定型号的专用传感器或气路部件，且气路改造仅涉及分流、吸收替换与换向模块的增设，便于在现有合成气分析柜中利用原有空间和接口以较低成本实施改造，具有很强的现场适配性和推广性。