方旭鋒

(嘉科工程(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215021)

根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》[1]的要求，為預(yù)防人身傷害以及火災(zāi)與爆炸事故的發(fā)生，保障石油化工企業(yè)的安全，石油化工企業(yè)新建、擴(kuò)建及改建工程中存在釋放源的位置應(yīng)進(jìn)行可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警的設(shè)計。以下僅對催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測報警器進(jìn)行論述。

1 催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測報警器原理

催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測報警器的工作原理[2]如圖l所示，它是利用加熱后電阻的變化來推算出可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)。

圖1 催化燃燒型可燃?xì)怏w報警器的原理示意

報警器的傳感器是由1對催化燃燒型檢測元件(A和B)和另1對電阻(R1和R2)組成，4個元件構(gòu)成了惠斯通電橋。當(dāng)可燃?xì)怏w接觸到檢測元件時，受催化劑的影響，會有無焰燃燒現(xiàn)象產(chǎn)生，導(dǎo)致鉑絲表面發(fā)生了氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高，從而使其電阻阻值發(fā)生變化。圖1 中，C處惠斯通電橋兩臂分別連接參比補(bǔ)償元件和涂有催化劑的熱敏檢測元件，另外2個橋臂接2只電阻值固定。鉑絲變化的阻值造成了電橋的失衡，產(chǎn)生了1個毫伏級的電信號，通過該信號便能計算出環(huán)境中的可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)。在各種氣體檢測報警器中常使用的報警器的類型就是催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測報警器。

2 可燃?xì)怏w探頭標(biāo)定氣體的選擇

可燃?xì)怏w探頭輸出的氣體體積分?jǐn)?shù)值實質(zhì)是對催化燃燒在橋臂上生成熱的反映。假設(shè)該反映是線性的，即熱量的多少反映為橋臂溫度的高低，即對應(yīng)輸出的電阻值的線性變化。當(dāng)釋放源有且僅有1種氣體時，可燃?xì)怏w探頭出廠標(biāo)定即可按該種氣體進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)現(xiàn)場存有多種氣體時，需要提出氣體的成分；實際應(yīng)用中，尤其是精細(xì)化工場合，工藝專業(yè)人員往往會提出幾種甚至十幾種的可燃?xì)怏w成分，使得儀表專業(yè)人員選擇標(biāo)定氣體提供給廠商時產(chǎn)生了難題。經(jīng)驗做法是按照爆炸下限(LEL)最低的可燃?xì)怏w作為廠商的出廠標(biāo)定氣體，此處對該做法進(jìn)行論證。

2.1 可燃?xì)怏w實際濃度與探頭指示值的轉(zhuǎn)化

單位體積的摩爾濃度和摩爾焓(Hm)的乘積所得熱值，決定了電阻值的變化，可換算得到可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)值。文獻(xiàn)[1]中規(guī)定可燃?xì)怏w的測量范圍為0～100%LEL，可燃?xì)怏w的一級報警設(shè)定值不大于25%LEL，可燃?xì)怏w的二級報警設(shè)定值不大于50%LEL。文獻(xiàn)[1]中附錄A 常用可燃?xì)怏w、蒸汽特性表列出了常用可燃?xì)怏w、蒸汽的LEL值，通過LEL值換算可計算每種氣體在傳感器上獲得的熱量。

單位體積甲烷氣體達(dá)到LEL時產(chǎn)生的Hm為

(1)

因此，標(biāo)定用于測量甲烷氣體的可燃?xì)馓筋^，測得甲烷氣體100%LEL時的鉑絲電阻值對應(yīng)的鉑絲溫度所需的熱量值為1 989.04 kJ/m3。假設(shè)電阻值隨熱量的變化為線性，標(biāo)定25%LEL和50%LEL指示值即對應(yīng)于探頭檢測到0.25×1 989.04=497.3 kJ/m3和0.5×1 989.04=994.5 kJ/m3熱量所對應(yīng)的鉑絲電阻值。

以下對環(huán)境中存在多種氣體的情況進(jìn)行討論。文獻(xiàn)[1]中2.0.1定義可燃?xì)怏w是指甲類可燃?xì)怏w或甲、乙A類可燃液體氣化后形成的可燃?xì)怏w。從文獻(xiàn)[1]中選取29種典型氣體分別進(jìn)行熱值計算，計算結(jié)果見表1所列。為了便于觀察，對100%LEL時生成的熱量進(jìn)行由小到大排序。

2.2 選取爆炸下限濃度最低的氣體作為標(biāo)定氣體的缺陷

多種可燃?xì)怏w共存時，經(jīng)驗選取LEL最低的氣體作為探頭的標(biāo)定氣體，從原理上而言并不準(zhǔn)確。為了解釋該觀點，以理論上氫氣和乙炔密度均為比空氣小的氣體進(jìn)行演算： 當(dāng)2種氣體同時存在時，乙炔的爆炸體積分?jǐn)?shù)下限為2.5%，氫氣的爆炸體積分?jǐn)?shù)下限為4%，則只設(shè)置乙炔標(biāo)定的可燃?xì)怏w探頭。

表1 29種典型可燃?xì)怏w熱值計算結(jié)果

25%LEL時的熱量362.6 kJ/m3，測得乙炔的體積百分比為0.625%，即25%LEL，可燃?xì)怏w探頭因測到25%LEL量程發(fā)生報警。假設(shè)實際情況是此時泄漏的全為氫氣，乙炔氣體并未發(fā)生泄漏。對應(yīng)產(chǎn)生熱量362.6 kJ/m3時氫氣的體積分?jǐn)?shù)以LEL的形式表示為

(2)

當(dāng)可燃?xì)怏w探頭發(fā)生二級報警時，即檢測到50%LEL，電阻值對應(yīng)檢測到的熱量為725.2 kJ/m3，而此時氫氣的體積分?jǐn)?shù)以LEL的形式表示為

(3)

此時的環(huán)境已經(jīng)處于氫氣的爆炸范圍，隨時可能發(fā)生爆炸危險，但可燃?xì)怏w報警此時才發(fā)出二級報警。因此，該經(jīng)驗并不適用于氫氣和乙炔氣體都可能泄漏的場合。筆者會對比空氣密度小的幾種氣體都單獨考慮。實際上根據(jù)文獻(xiàn)[1]6.1.1條條文說明，乙炔屬于比空氣密度大的氣體，而GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》[4]中 2.0.25,2.0.26條款定義乙炔密度不大于空氣，亦不小于空氣，應(yīng)酌情考慮。由于規(guī)范更新滯后的問題，文獻(xiàn)[1]中6.1.1 條條文解釋標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下相對氣體密度大于0.97 kg/m3，認(rèn)為比空氣重，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下相對氣體密度小于0.97 kg/m3，比空氣輕。相對空氣密度為0.97/1.29=0.752，與文獻(xiàn)[4]規(guī)定相對密度小于0.8比空氣輕，相對密度大于1.2比空氣重有矛盾。

2.3 選取爆炸下限濃度最低的氣體作為標(biāo)定氣體的注意事項

工程實踐中,在多種密度大于空氣的可燃?xì)怏w同時存在的場合，可以采用選取LEL最低的氣體的經(jīng)驗方法選取可燃?xì)怏w探頭的標(biāo)定氣體。觀察表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，烴類氣體的相對分子質(zhì)量越大，Hm越大；分子中碳?xì)湓雍吭蕉?，Hm越大。而可燃?xì)怏w報警器測得的氣體濃度由傳感器所吸收的熱值決定，即單位體積內(nèi)某種可燃?xì)怏w在某濃度值下所含的摩爾數(shù)與該物質(zhì)Hm的乘積決定。因此，多種氣體存在時可燃?xì)怏w探頭標(biāo)定氣體的選擇實質(zhì)是按25%LEL時所需的熱值最小值選取，該值在文獻(xiàn)[1]中并沒有給出，而實際工程經(jīng)驗是多種可燃?xì)怏w同時存在時選擇LEL最小的氣體作為標(biāo)定氣體，兩者的選取有差異存在。對29種典型氣體在被可燃?xì)怏w探頭測得25%LEL時所需的熱值進(jìn)行排序，詳見表1所列。對比空氣密度大的氣體選取最不利情況進(jìn)行計算： 由表1可以看出，丁醇和辛烷同時存在是最不利情況。因為辛烷LEL為1%，丁醇LEL為1.4%，工程實踐中會選取辛烷為可燃?xì)怏w的探頭的標(biāo)定氣體。

當(dāng)可燃?xì)怏w探頭測到25%LEL量程報警時，探頭測得熱量為615.4 kJ/m3，而此時假設(shè)全部泄漏氣體為丁醇，計算丁醇在探頭附近的體積分?jǐn)?shù)值以LEL的形式表示為

(4)

當(dāng)可燃?xì)怏w探頭測到50%LEL量程報警時，探頭測得熱量為1 230.8 kJ/m3，而此時假設(shè)全部泄漏氣體為丁醇，計算丁醇在探頭附近的體積分?jǐn)?shù)值以LEL的形式表示為

(5)

由上述計算結(jié)果可以看出，在所有樣氣中最不利的情況下，即丁醇和辛烷同時存在的場合，選用辛烷可燃?xì)怏w探頭卻只探測到丁醇泄漏的情況，當(dāng)探測到25%LEL量程報警時，丁醇在探頭所處環(huán)境的實際體積分?jǐn)?shù)為36.8%LEL，并未發(fā)生危險；當(dāng)發(fā)生50%LEL聯(lián)鎖時，丁醇在探頭所處環(huán)境的體積分?jǐn)?shù)為73.7%LEL，未達(dá)到LEL，現(xiàn)場環(huán)境仍處于可控狀態(tài)。

3 催化燃燒型可燃?xì)怏w探頭選用的注意事項

依據(jù)文獻(xiàn)[1]中的規(guī)定，可燃?xì)怏w檢測報警器應(yīng)取得防爆性能認(rèn)證[5]和消防認(rèn)證[6]。催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測報警器必須滿足氧氣體積分?jǐn)?shù)大于10%的環(huán)境才能工作?？扇?xì)怏w的檢測常用催化燃燒方式的檢測報警器，若檢測器安裝場所的環(huán)境中含有對可燃?xì)怏w檢測報警器有影響的有害組分時，可選用普通型或抗毒性檢測器。鹵化物(氟、氯、溴、碘)、硫化物、硅烷及含硅化合物、四乙基鉛等物質(zhì)能使檢測器元件中毒。含有毒性物質(zhì)，會降低檢測器的使用壽命；毒性物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)過高、會使檢測器無法工作。一般檢測可燃?xì)怏w的催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測報警器對氫氣有引爆性，對氫氣的檢測應(yīng)選用專用的催化燃燒型氫氣檢測器,為了保證現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)計選型時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境條件提出對產(chǎn)品的技術(shù)性能要求。檢測器的選用，應(yīng)考慮使用環(huán)境溫度以及被檢測的氣體同安裝環(huán)境中可能存在的其他氣體的交叉影響選取最不利情況，并結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境特征，考慮檢測器的防水、防腐、防潮、防塵、防爆和抗防電磁干擾等要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，在工程實踐中，當(dāng)多種比空氣密度大的氣體同時存在的情況，按照LEL小的氣體進(jìn)行選擇標(biāo)定氣體是一個有效的方法，但氫氣、乙炔氣體應(yīng)單獨考慮。由于可燃?xì)怏w探頭的檢測有時間滯后，以及量程零點漂移等由其他軟硬件或電子元器件及環(huán)境因素造成影響，定期檢驗可燃?xì)怏w探頭是有必要的。定期檢驗校準(zhǔn)可以保證可燃?xì)怏w探頭的準(zhǔn)確性，確保探頭可以及時報警，盡量減少危險情況的發(fā)生。

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