吳斌

(中國石油工程建設公司 華東設計分公司，北京 100101)

可燃有毒氣體檢測報警系統(tǒng)設計探討

吳斌

(中國石油工程建設公司 華東設計分公司，北京 100101)

分析了催化燃燒、紅外線吸收、電化學、半導體及光致電離等幾種常用的氣體檢測器檢測原理；詳細論述了烴類可燃氣體、氫氣應選用催化燃燒型檢測器，硫化氫氣體應選用電化學型檢測器；重點論述了針對苯氣體檢測的光致電離型檢測器，給出了各種檢測器的測量范圍、報警值以及其他相關技術參數(shù)要求。介紹了檢測器的現(xiàn)場設置，包括釋放源的確定及檢測器的安裝位置等事項；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)性有機物 光致電離 火災報警和氣體檢測系統(tǒng)

催化重整以石腦油為原料，產品主要為高辛烷值的汽油、芳烴，并副產氫氣，主要由石腦油預處理、重整反應、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運行過程中，會不可避免地有可燃氣體和有毒氣體生成，主要有： 烴類可燃氣、氫氣、硫化氫和苯，這些物質一旦發(fā)生泄漏將可能引起火災、爆炸或人員中毒等危害。為盡可能減少潛在風險，保障安全生產和人員健康，按照石化行業(yè)和國家的相關規(guī)范要求，需在催化重整裝置中設置可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場的氣體檢測器和控制室的監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。

1 氣體檢測器的選型

性能可靠、測量精準的檢測器是保障氣體檢測報警系統(tǒng)能穩(wěn)定工作的關鍵，檢測器由傳感器和轉換器兩部分組成，由于測量原理的不同，傳感器的類型是多種多樣的。只有根據(jù)被測氣體的物理、化學性質及生產環(huán)境的特點，選擇相應的傳感器，才能有效地保證檢測器測量的有效性。

1.1 烴類可燃氣體檢測器

烴類可燃氣為小分子碳氫化合物的混合氣體，一般選用催化燃燒型或紅外線吸收型檢測器。

1) 催化燃燒型檢測器。利用惠斯通電橋原理： 傳感器由檢測器件、補償器件和2個恒定電阻組成橋路。可燃氣體進入傳感器后，會在檢測器件上進行催化燃燒反應，產生的熱量使檢測件溫度升高、電阻增大，使電橋失去平衡，輸出1個電壓信號。該信號送到轉換器后，可轉化為4～20 mA標準信號輸出到上位機系統(tǒng)。分析可知，電橋輸出的信號大小，由可燃氣體的燃燒熱量決定，而燃燒熱與可燃氣的體積分數(shù)成正比，由此可建立檢測信號與體積分數(shù)的線性關系。另一方面，實驗表明： 盡管各類可燃氣的爆炸下限體積分數(shù)(LEL)不同，但大多數(shù)可燃氣體在下限體積分數(shù)時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，通常用丙烷標定檢測器后，可將該檢測器用于其他多種可燃氣體的測量。當可燃氣為混合氣體時，可將混合氣作為1個總體，將它的燃燒熱與標定氣體做比較，雖然不能有選擇性地得出每種組分的體積分數(shù)，但可求得混合氣的體積分數(shù)約占爆炸下限體積分數(shù)的比例，這滿足了可燃氣體檢測報警系統(tǒng)的要求。

2) 紅外線吸收型檢測器。采用雙光束檢測原理，1束紅外光通過被測氣體，另1束用作參比光線，經(jīng)檢測器測得2束光的光強度差值，從而得到可燃氣體的體積分數(shù)。紅外傳感器與待測氣體是非接觸的，可用于缺少氧氣和含高腐蝕介質等嚴苛工況場所的檢測。在測量混合氣時，若已知混合氣的組成，標定完成后可有選擇性地測量出各個組分的體積分數(shù)，但與催化燃燒型檢測器相比，紅外吸收型的價格更昂貴。

在催化重整裝置的實際生產中很難給出烴類可燃氣的具體組成，一般都是選用催化燃燒型檢測器用于可燃氣體的報警檢測。若檢測點所在位置的空氣中含有硫、硅、磷、鹵化物或鉛等物質時，還應特別注明傳感器元件應具有抗毒性能。

1.2 氫氣檢測器

氫氣為單一組分的可燃氣，催化燃燒型、電化學型、半導體型或熱傳導型檢測器都可選用，不可選用紅外吸收型檢測器。出于綜合性價比考慮，催化重整裝置中一般選用催化燃燒型檢測器，標定時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氫氣有引爆作用，必須選用特殊的催化燃燒式氫氣檢測器。

1.3 硫化氫檢測器

硫化氫屬于急性中毒氣體，對人身安全危害極大，可選用半導體型或電化學型檢測器。

1) 半導體型檢測器。當半導體材料上有被測氣體吸附后，半導體的電導率將發(fā)生變化，從而流過半導體的電流會隨之改變，通過建立電流與氣體體積分數(shù)的關系，達到測量的目的；但這種關系是非線性的，而且實際應用中，半導體受環(huán)境溫度和濕度的影響大，很容易中毒，誤報率較高。

2) 電化學型檢測器。主要包括定電位電解法、隔膜電極法、凝膠化電解法等[3]，硫化氫的測量優(yōu)先選用定電位電解法，其主要原理： 被測有毒氣體與電極接觸后，在陽極上被氧化，在陰極上被還原，從而引起電極之間電流的產生，電流大小與有毒氣體的體積分數(shù)呈線性比例關系，從而達到測量體積分數(shù)的目的。該測量方法精度高、選擇性好，能實現(xiàn)對大多數(shù)無機有毒氣體的定量測量；缺點是傳感器使用壽命短，需定期更換探頭，一般為1～2 a。

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

1.4 苯氣體檢測器

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

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

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

1) 應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，很難自由擴散到傳感器內，故應采用內置氣泵吸入式檢測器，提高響應速度，減少恢復時間，避免氣體在傳感器內循環(huán)電離，產生誤報。

3) 帶在線清洗功能和自動調零功能，提高檢測器抗惡劣環(huán)境的能力，便于在線維護使用。

4) 內置溫度和濕度傳感器，實時進行溫度、濕度補償，便于在濕度高和溫度變化大的環(huán)境中使用。

1.5 測量范圍和報警值

烴類可燃氣和氫氣檢測器的測量范圍應為0～100%LEL，一級報警設定值不大于25%LEL，二級報警設定值不大于50%LEL；文獻[5]提及有毒氣體的測量范圍宜為0～300%最高容許體積分數(shù)或0～300%的短時間接觸容許體積分數(shù)，當檢測器的測量范圍不能滿足上述要求時，可設為0～30%直接致害體積分數(shù)，報警設定值不大于100%最高容許體積分數(shù)或短時間接觸容許體積分數(shù)，二級報警設定值不得超過10%直接致害體積分數(shù)值。文獻[6]中并未提及直接致害體積分數(shù)值，只規(guī)定預報值為最高容許體積分數(shù)或短時間接觸容許體積分數(shù)的50%，警報值為最高容許體積分數(shù)或短時間接觸容許體積分數(shù)。

綜合文獻[5]和文獻[6]的規(guī)定，結合被測氣體的相關特性，經(jīng)過轉換在催化重整裝置中，硫化氫和苯氣體檢測器的質量濃度測量范圍均設置為0～30 mg/m3，一級報警設定值不大于5 mg/m3，二級報警設定值不大于10 mg/m3。

1.6 其他選型要求

工程應用中，檢測器的最低技術參數(shù)要求： 響應時間應小于30 s，測量精度為±2%，防護等級為IP65，防爆等級需滿足EX d IIC T6，供電電源為直流24 V，輸出信號為三線制直流4～20 mA，配備現(xiàn)場安裝附件和現(xiàn)場一體化聲光報警器。

2 氣體檢測器的現(xiàn)場設置

生產裝置中的相關氣體釋放點應設置固定式可燃或有毒氣體檢測器，氣體釋放源的確定和檢測器的安裝位置應遵循一定的原則。

2.1 釋放源的確定

按相關規(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、泵、鼓風機及引風機的密封處；工藝的采樣口、放空口及排凝口。

2.2 檢測器安裝位置

應根據(jù)釋放源的方位，同時考慮便于檢測器的使用、校驗和維護，來確定檢測器的安裝位置。結合相關規(guī)范，催化重整裝置中的可燃及有毒氣體檢測器的安裝應遵循以下原則：

1) 烴類可燃氣體檢測器應盡量靠近氣體釋放源安裝，與釋放源的安裝距離應不超過5 m。由于烴類可燃氣比空氣重，檢測器安裝高度應距地面或平臺0.3 m。除在工藝過程的氣體釋放源附近設置檢測點外，還需在有人值守的現(xiàn)場控制室或機柜室的空調進風口、電纜進線口設置檢測器；在處于爆炸危險區(qū)2區(qū)以內的分析小屋外設置檢測器；在操作人員的外部主要巡檢路線上一般每隔15 m設置1臺烴類可燃氣體檢測器。

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不暢的半敞開壓縮機廠房內設置氫氣檢測器，靠近釋放源安裝，高度應比釋放源高出0.5 m，同時在廠房內最高點氫氣易于聚積處也應設置檢測點，一般將檢測器吊裝在頂棚上。

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

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

2.3 其他要求

現(xiàn)場施工人員應嚴格按照設計人員提供的可燃氣體及有毒氣體檢測報警器平面布置圖和儀表安裝圖來設置及安裝檢測器，避免因施工失誤導致的漏報、誤報事故。除固定式氣體檢測器外，現(xiàn)場還應配備1臺便攜式可燃氣體及有毒氣體檢測器，便于操作人員在裝置內巡檢時隨身攜帶使用，檢測器可采用烴類可燃氣體、氫氣、苯類、硫化氫“四合一”的模式。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的設置

1套完整的可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)不僅需要配置現(xiàn)場的檢測器，還需配置能接收現(xiàn)場儀表信號的監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)在控制室的實時顯示、報警。

1) 國外比較流行的做法是將可燃氣體、有毒氣體、火災及消防等集成到1套獨立的專用安全控制系統(tǒng)中，稱為火災報警和氣體檢測系統(tǒng)(FGS)[8]，該做法將FGS獨立于工藝過程控制之外，提升了對可燃及有毒氣體的監(jiān)控級別，能更有效地實現(xiàn)安全管理，但投資成本較大。

2) 國內并無強制性規(guī)范要求設置FGS，目前的做法主要有兩種：

a) 在控制室設置獨立的報警監(jiān)控盤，可指示可燃及有毒氣體濃度并報警，當其他系統(tǒng)因故停運或檢修時，仍能監(jiān)測現(xiàn)場情況，保證現(xiàn)場人員安全。

b) 直接將現(xiàn)場檢測器的4～20 mA模擬信號輸入到DCS中，但對應的AI卡件獨立設置，在DCS上組態(tài)實現(xiàn)指示和報警功能。

國內新建的催化重整裝置多采用第二種配置，易于實現(xiàn)，投資較小。但在2014年國家安監(jiān)總局發(fā)布的《國家安全監(jiān)管總局關于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》(安監(jiān)總管三〔2014〕116號)中明確指出： 可燃氣體及火災檢測保護系統(tǒng)屬于化工安全儀表系統(tǒng)，應獨立于DCS等過程控制系統(tǒng)設置。相信隨著國家對安全生產重視程度的不斷提高，在新修訂的相關規(guī)范中會將FGS的設置作為強制性條文，石化裝置中獨立設置FGS會成為未來的趨勢。

4 結束語

可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)是保障石化裝置安全生產的有力措施，是企業(yè)HSE質量體系建設的重要組成部分，正確完善地設置該系統(tǒng)，才能通過政府有關部門的消防安全及職業(yè)衛(wèi)生審查驗收。本文中針對催化重整裝置中可燃氣體及有毒氣體檢測器及其監(jiān)控系統(tǒng)的設計選型原則，可有效地保證系統(tǒng)的功能，在實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)就職于中國石油工程建設公司華東設計分公司，從事自動控制設計工作，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。