吳斌

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計(jì)分公司，北京 100101)

可燃有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

吳斌

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計(jì)分公司，北京 100101)

分析了催化燃燒、紅外線吸收、電化學(xué)、半導(dǎo)體及光致電離等幾種常用的氣體檢測(cè)器檢測(cè)原理；詳細(xì)論述了烴類可燃?xì)怏w、氫氣應(yīng)選用催化燃燒型檢測(cè)器，硫化氫氣體應(yīng)選用電化學(xué)型檢測(cè)器；重點(diǎn)論述了針對(duì)苯氣體檢測(cè)的光致電離型檢測(cè)器，給出了各種檢測(cè)器的測(cè)量范圍、報(bào)警值以及其他相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求。介紹了檢測(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，包括釋放源的確定及檢測(cè)器的安裝位置等事項(xiàng)；探討了控制室監(jiān)控系統(tǒng)的配置方案。

催化燃燒 爆炸下限 揮發(fā)性有機(jī)物 光致電離 火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測(cè)系統(tǒng)

催化重整以石腦油為原料，產(chǎn)品主要為高辛烷值的汽油、芳烴，并副產(chǎn)氫氣，主要由石腦油預(yù)處理、重整反應(yīng)、催化劑連續(xù)再生和苯抽提等單元組成[1]，是煉油過程中的重要裝置。重整裝置的工藝流程決定了在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，會(huì)不可避免地有可燃?xì)怏w和有毒氣體生成，主要有： 烴類可燃?xì)?、氫氣、硫化氫和苯，這些物質(zhì)一旦發(fā)生泄漏將可能引起火災(zāi)、爆炸或人員中毒等危害。為盡可能減少潛在風(fēng)險(xiǎn)，保障安全生產(chǎn)和人員健康，按照石化行業(yè)和國(guó)家的相關(guān)規(guī)范要求，需在催化重整裝置中設(shè)置可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)的氣體檢測(cè)器和控制室的監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。

1 氣體檢測(cè)器的選型

性能可靠、測(cè)量精準(zhǔn)的檢測(cè)器是保障氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)能穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，檢測(cè)器由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，由于測(cè)量原理的不同，傳感器的類型是多種多樣的。只有根據(jù)被測(cè)氣體的物理、化學(xué)性質(zhì)及生產(chǎn)環(huán)境的特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的傳感器，才能有效地保證檢測(cè)器測(cè)量的有效性。

1.1 烴類可燃?xì)怏w檢測(cè)器

烴類可燃?xì)鉃樾》肿犹細(xì)浠衔锏幕旌蠚怏w，一般選用催化燃燒型或紅外線吸收型檢測(cè)器。

1) 催化燃燒型檢測(cè)器。利用惠斯通電橋原理： 傳感器由檢測(cè)器件、補(bǔ)償器件和2個(gè)恒定電阻組成橋路?？扇?xì)怏w進(jìn)入傳感器后，會(huì)在檢測(cè)器件上進(jìn)行催化燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量使檢測(cè)件溫度升高、電阻增大，使電橋失去平衡，輸出1個(gè)電壓信號(hào)。該信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器后，可轉(zhuǎn)化為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出到上位機(jī)系統(tǒng)。分析可知，電橋輸出的信號(hào)大小，由可燃?xì)怏w的燃燒熱量決定，而燃燒熱與可燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)成正比，由此可建立檢測(cè)信號(hào)與體積分?jǐn)?shù)的線性關(guān)系。另一方面，實(shí)驗(yàn)表明： 盡管各類可燃?xì)獾谋ㄏ孪摅w積分?jǐn)?shù)(LEL)不同，但大多數(shù)可燃?xì)怏w在下限體積分?jǐn)?shù)時(shí)催化燃燒釋放的熱量基本等同[2]。利用該特性，可選擇一種代表性的氣體，通常用丙烷標(biāo)定檢測(cè)器后，可將該檢測(cè)器用于其他多種可燃?xì)怏w的測(cè)量。當(dāng)可燃?xì)鉃榛旌蠚怏w時(shí)，可將混合氣作為1個(gè)總體，將它的燃燒熱與標(biāo)定氣體做比較，雖然不能有選擇性地得出每種組分的體積分?jǐn)?shù)，但可求得混合氣的體積分?jǐn)?shù)約占爆炸下限體積分?jǐn)?shù)的比例，這滿足了可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的要求。

2) 紅外線吸收型檢測(cè)器。采用雙光束檢測(cè)原理，1束紅外光通過被測(cè)氣體，另1束用作參比光線，經(jīng)檢測(cè)器測(cè)得2束光的光強(qiáng)度差值，從而得到可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)。紅外傳感器與待測(cè)氣體是非接觸的，可用于缺少氧氣和含高腐蝕介質(zhì)等嚴(yán)苛工況場(chǎng)所的檢測(cè)。在測(cè)量混合氣時(shí)，若已知混合氣的組成，標(biāo)定完成后可有選擇性地測(cè)量出各個(gè)組分的體積分?jǐn)?shù)，但與催化燃燒型檢測(cè)器相比，紅外吸收型的價(jià)格更昂貴。

在催化重整裝置的實(shí)際生產(chǎn)中很難給出烴類可燃?xì)獾木唧w組成，一般都是選用催化燃燒型檢測(cè)器用于可燃?xì)怏w的報(bào)警檢測(cè)。若檢測(cè)點(diǎn)所在位置的空氣中含有硫、硅、磷、鹵化物或鉛等物質(zhì)時(shí)，還應(yīng)特別注明傳感器元件應(yīng)具有抗毒性能。

1.2 氫氣檢測(cè)器

氫氣為單一組分的可燃?xì)?，催化燃燒型、電化學(xué)型、半導(dǎo)體型或熱傳導(dǎo)型檢測(cè)器都可選用，不可選用紅外吸收型檢測(cè)器。出于綜合性價(jià)比考慮，催化重整裝置中一般選用催化燃燒型檢測(cè)器，標(biāo)定時(shí)必須采用氫氣作為樣氣，還需注意一般的催化燃燒型傳感器對(duì)氫氣有引爆作用，必須選用特殊的催化燃燒式氫氣檢測(cè)器。

1.3 硫化氫檢測(cè)器

硫化氫屬于急性中毒氣體，對(duì)人身安全危害極大，可選用半導(dǎo)體型或電化學(xué)型檢測(cè)器。

1) 半導(dǎo)體型檢測(cè)器。當(dāng)半導(dǎo)體材料上有被測(cè)氣體吸附后，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率將發(fā)生變化，從而流過半導(dǎo)體的電流會(huì)隨之改變，通過建立電流與氣體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，達(dá)到測(cè)量的目的；但這種關(guān)系是非線性的，而且實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體受環(huán)境溫度和濕度的影響大，很容易中毒，誤報(bào)率較高。

2) 電化學(xué)型檢測(cè)器。主要包括定電位電解法、隔膜電極法、凝膠化電解法等[3]，硫化氫的測(cè)量?jī)?yōu)先選用定電位電解法，其主要原理： 被測(cè)有毒氣體與電極接觸后，在陽(yáng)極上被氧化，在陰極上被還原，從而引起電極之間電流的產(chǎn)生，電流大小與有毒氣體的體積分?jǐn)?shù)呈線性比例關(guān)系，從而達(dá)到測(cè)量體積分?jǐn)?shù)的目的。該測(cè)量方法精度高、選擇性好，能實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)無機(jī)有毒氣體的定量測(cè)量；缺點(diǎn)是傳感器使用壽命短，需定期更換探頭，一般為1～2 a。

考慮到測(cè)量的可靠性，催化重整裝置中普遍采用電化學(xué)型檢測(cè)器檢測(cè)硫化氫，在工程實(shí)踐中也取得了良好的效果。

1.4 苯氣體檢測(cè)器

苯在常溫下為液體有機(jī)物，且屬于易揮發(fā)性有機(jī)物[4]，具有毒性。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中規(guī)范已明確將苯作為有毒氣體檢測(cè)，苯氣體的測(cè)量可選用半導(dǎo)體型或光致電離型檢測(cè)器。

光致電離型檢測(cè)器的基本原理： 利用惰性氣體真空放電現(xiàn)象所產(chǎn)生的真空紫外線，激發(fā)而使被測(cè)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)分子電離，產(chǎn)生負(fù)離子和正離子，這些離子在電極間形成電流，經(jīng)檢測(cè)器放大和處理后輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，最終檢測(cè)到10-6級(jí)的氣體。判斷光致電離型檢測(cè)器能否測(cè)量某種氣體，主要看光致電離燈的電離能是否高于待測(cè)氣體的電離電位，苯的電離電位是9.24 eV[7]，市場(chǎng)上常見的光致電離燈有8.4，10.2，10.6，11.7 eV，檢測(cè)苯氣體一般選用10.6 eV的氪燈，同時(shí)為提高測(cè)量精度，應(yīng)采用異丁烯作為標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定檢測(cè)器。

由于半導(dǎo)體型檢測(cè)器誤報(bào)率高，近年來新建的重整裝置基本上都是采用光致電離型檢測(cè)器測(cè)量苯氣體體積分?jǐn)?shù)。為提高測(cè)量的可靠性，還需從以下幾方面對(duì)檢測(cè)器的規(guī)格做出規(guī)定：

1) 應(yīng)采取措施避免核心部件光致電離燈受外界溫、濕度的影響，保證光致電離燈的使用壽命不小于1.5 a。

2) 由于苯氣體在常溫下為霧狀的汽液混合物蒸汽，很難自由擴(kuò)散到傳感器內(nèi)，故應(yīng)采用內(nèi)置氣泵吸入式檢測(cè)器，提高響應(yīng)速度，減少恢復(fù)時(shí)間，避免氣體在傳感器內(nèi)循環(huán)電離，產(chǎn)生誤報(bào)。

3) 帶在線清洗功能和自動(dòng)調(diào)零功能，提高檢測(cè)器抗惡劣環(huán)境的能力，便于在線維護(hù)使用。

4) 內(nèi)置溫度和濕度傳感器，實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度、濕度補(bǔ)償，便于在濕度高和溫度變化大的環(huán)境中使用。

1.5 測(cè)量范圍和報(bào)警值

烴類可燃?xì)夂蜌錃鈾z測(cè)器的測(cè)量范圍應(yīng)為0～100%LEL，一級(jí)報(bào)警設(shè)定值不大于25%LEL，二級(jí)報(bào)警設(shè)定值不大于50%LEL；文獻(xiàn)[5]提及有毒氣體的測(cè)量范圍宜為0～300%最高容許體積分?jǐn)?shù)或0～300%的短時(shí)間接觸容許體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)檢測(cè)器的測(cè)量范圍不能滿足上述要求時(shí)，可設(shè)為0～30%直接致害體積分?jǐn)?shù)，報(bào)警設(shè)定值不大于100%最高容許體積分?jǐn)?shù)或短時(shí)間接觸容許體積分?jǐn)?shù)，二級(jí)報(bào)警設(shè)定值不得超過10%直接致害體積分?jǐn)?shù)值。文獻(xiàn)[6]中并未提及直接致害體積分?jǐn)?shù)值，只規(guī)定預(yù)報(bào)值為最高容許體積分?jǐn)?shù)或短時(shí)間接觸容許體積分?jǐn)?shù)的50%，警報(bào)值為最高容許體積分?jǐn)?shù)或短時(shí)間接觸容許體積分?jǐn)?shù)。

綜合文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]的規(guī)定，結(jié)合被測(cè)氣體的相關(guān)特性，經(jīng)過轉(zhuǎn)換在催化重整裝置中，硫化氫和苯氣體檢測(cè)器的質(zhì)量濃度測(cè)量范圍均設(shè)置為0～30 mg/m3，一級(jí)報(bào)警設(shè)定值不大于5 mg/m3，二級(jí)報(bào)警設(shè)定值不大于10 mg/m3。

1.6 其他選型要求

工程應(yīng)用中，檢測(cè)器的最低技術(shù)參數(shù)要求： 響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于30 s，測(cè)量精度為±2%，防護(hù)等級(jí)為IP65，防爆等級(jí)需滿足EX d IIC T6，供電電源為直流24 V，輸出信號(hào)為三線制直流4～20 mA，配備現(xiàn)場(chǎng)安裝附件和現(xiàn)場(chǎng)一體化聲光報(bào)警器。

2 氣體檢測(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置

生產(chǎn)裝置中的相關(guān)氣體釋放點(diǎn)應(yīng)設(shè)置固定式可燃或有毒氣體檢測(cè)器，氣體釋放源的確定和檢測(cè)器的安裝位置應(yīng)遵循一定的原則。

2.1 釋放源的確定

按相關(guān)規(guī)范要求，在催化重整裝置中一般將以下位置定為主要的氣體釋放源： 設(shè)備與管道的法蘭連接處；管道上的閥門組或法蘭連接處；壓縮機(jī)、泵、鼓風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)的密封處；工藝的采樣口、放空口及排凝口。

2.2 檢測(cè)器安裝位置

應(yīng)根據(jù)釋放源的方位，同時(shí)考慮便于檢測(cè)器的使用、校驗(yàn)和維護(hù)，來確定檢測(cè)器的安裝位置。結(jié)合相關(guān)規(guī)范，催化重整裝置中的可燃及有毒氣體檢測(cè)器的安裝應(yīng)遵循以下原則：

1) 烴類可燃?xì)怏w檢測(cè)器應(yīng)盡量靠近氣體釋放源安裝，與釋放源的安裝距離應(yīng)不超過5 m。由于烴類可燃?xì)獗瓤諝庵兀瑱z測(cè)器安裝高度應(yīng)距地面或平臺(tái)0.3 m。除在工藝過程的氣體釋放源附近設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)外，還需在有人值守的現(xiàn)場(chǎng)控制室或機(jī)柜室的空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、電纜進(jìn)線口設(shè)置檢測(cè)器；在處于爆炸危險(xiǎn)區(qū)2區(qū)以內(nèi)的分析小屋外設(shè)置檢測(cè)器；在操作人員的外部主要巡檢路線上一般每隔15 m設(shè)置1臺(tái)烴類可燃?xì)怏w檢測(cè)器。

2) 氫氣的密度比空氣小很多，在露天環(huán)境很難聚積，一般只在封閉或局部通風(fēng)不暢的半敞開壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)設(shè)置氫氣檢測(cè)器，靠近釋放源安裝，高度應(yīng)比釋放源高出0.5 m，同時(shí)在廠房?jī)?nèi)最高點(diǎn)氫氣易于聚積處也應(yīng)設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，一般將檢測(cè)器吊裝在頂棚上。

3) 硫化氫和苯蒸氣都屬于有毒氣體，都比空氣重，檢測(cè)器需靠近釋放源安裝，與釋放源的安裝距離應(yīng)不超過1 m，安裝高度應(yīng)距地面或平臺(tái)0.3 m。

4) 根據(jù)裝置的具體位置，要求所有檢測(cè)器應(yīng)盡量安裝在釋放源常年最大頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。

2.3 其他要求

現(xiàn)場(chǎng)施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)人員提供的可燃?xì)怏w及有毒氣體檢測(cè)報(bào)警器平面布置圖和儀表安裝圖來設(shè)置及安裝檢測(cè)器，避免因施工失誤導(dǎo)致的漏報(bào)、誤報(bào)事故。除固定式氣體檢測(cè)器外，現(xiàn)場(chǎng)還應(yīng)配備1臺(tái)便攜式可燃?xì)怏w及有毒氣體檢測(cè)器，便于操作人員在裝置內(nèi)巡檢時(shí)隨身攜帶使用，檢測(cè)器可采用烴類可燃?xì)怏w、氫氣、苯類、硫化氫“四合一”的模式。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置

1套完整的可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)不僅需要配置現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)器，還需配置能接收現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)的監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在控制室的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警。

1) 國(guó)外比較流行的做法是將可燃?xì)怏w、有毒氣體、火災(zāi)及消防等集成到1套獨(dú)立的專用安全控制系統(tǒng)中，稱為火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測(cè)系統(tǒng)(FGS)[8]，該做法將FGS獨(dú)立于工藝過程控制之外，提升了對(duì)可燃及有毒氣體的監(jiān)控級(jí)別，能更有效地實(shí)現(xiàn)安全管理，但投資成本較大。

2) 國(guó)內(nèi)并無強(qiáng)制性規(guī)范要求設(shè)置FGS，目前的做法主要有兩種：

a) 在控制室設(shè)置獨(dú)立的報(bào)警監(jiān)控盤，可指示可燃及有毒氣體濃度并報(bào)警，當(dāng)其他系統(tǒng)因故停運(yùn)或檢修時(shí)，仍能監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況，保證現(xiàn)場(chǎng)人員安全。

b) 直接將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器的4～20 mA模擬信號(hào)輸入到DCS中，但對(duì)應(yīng)的AI卡件獨(dú)立設(shè)置，在DCS上組態(tài)實(shí)現(xiàn)指示和報(bào)警功能。

國(guó)內(nèi)新建的催化重整裝置多采用第二種配置，易于實(shí)現(xiàn)，投資較小。但在2014年國(guó)家安監(jiān)總局發(fā)布的《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》(安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào))中明確指出： 可燃?xì)怏w及火災(zāi)檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)屬于化工安全儀表系統(tǒng)，應(yīng)獨(dú)立于DCS等過程控制系統(tǒng)設(shè)置。相信隨著國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)重視程度的不斷提高，在新修訂的相關(guān)規(guī)范中會(huì)將FGS的設(shè)置作為強(qiáng)制性條文，石化裝置中獨(dú)立設(shè)置FGS會(huì)成為未來的趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是保障石化裝置安全生產(chǎn)的有力措施，是企業(yè)HSE質(zhì)量體系建設(shè)的重要組成部分，正確完善地設(shè)置該系統(tǒng)，才能通過政府有關(guān)部門的消防安全及職業(yè)衛(wèi)生審查驗(yàn)收。本文中針對(duì)催化重整裝置中可燃?xì)怏w及有毒氣體檢測(cè)器及其監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型原則，可有效地保證系統(tǒng)的功能，在實(shí)踐中也取得了良好的效果。

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Discussion on Design of Combustible and Toxic Gas Detection Alarm System

Wu Bin

(East China Design Branch, China Petroleum Engineering Construction Company， Beijing， 100101, China)

The detection principle of several kinds of commonly used gas detector, including catalytic combustion, infrared absorption, electrochemistry, semiconductor and photo-ionization, is discussed. The selection of catalytic combustion type detector and electrochemical detector for hydrocarbon combustible gas and hydrogen gas and hydrogen sulfide individually are expounded in detail. Photo-ionization detector chosen for benzene gas are stressed. Measuring range, alarm value and other relative technical parameter requirements are of all kinds of detector are provided. Local setting for detector is introduced, including confirmation of the releasing source, and installation location of the detector, etc. Several configuration schemes for monitoring system in control room is discussed.

catalytic combustion; lower explosive limit; volatile organic compounds; photo-ionization; fire alarm and gas detection system

吳斌(1983—)，男，現(xiàn)就職于中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，從事自動(dòng)控制設(shè)計(jì)工作，任工程師。

TE951

B

1007-7324(2017)03-0018-03

稿件收到日期： 2016-12-15，修改稿收到日期： 2017-03-06。