王 濤，李建立，朱小鋒

(1 北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2 北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054)

石化、制藥、能源、建材、冶煉、市政等領(lǐng)域廣泛使用承壓設(shè)備及管道。這些承壓設(shè)備及管道盛裝介質(zhì)及工作條件差異很大，在安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)和檢維修時，作業(yè)環(huán)境必須安全，且有完備的應(yīng)急預(yù)案?？扇?xì)鈾z測與通風(fēng)換氣耦合裝置適用于作業(yè)環(huán)境快速檢測及通風(fēng)換氣，為使用承壓設(shè)備和管道的各種生產(chǎn)過程及場合提供安全保障?，F(xiàn)有檢測可燃?xì)怏w泄漏的方法有直接巡視法、空氣檢測法、泄漏電纜檢測法、流量判斷法、壓力點(diǎn)分析法、聲波檢測法等[1]，這些方法存在成本較高、誤差較大、費(fèi)時費(fèi)力等弊端。本文根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一種固定式可燃?xì)鈾z測及通風(fēng)換氣耦合裝置，用于某化工企業(yè)加氫裂化裝置的分餾塔裙座內(nèi)部空間的可燃?xì)鈾z測報(bào)警及快速檢維修作業(yè)環(huán)境保障。

1 可燃?xì)鈾z測模塊設(shè)計(jì)

1.1 傳感器選型

目前有兩種主要的可燃?xì)鉂舛葯z測技術(shù)，即催化燃燒式[2-3]和紅外光學(xué)式[2,4]。前者無論對有機(jī)氣體還是無機(jī)氣體，對烷烴類還是非烷烴類均有較好的響應(yīng)，應(yīng)用最普遍。后者則局限于烷烴類可燃?xì)怏w的檢測。加氫裂化裝置中可能出現(xiàn)的可燃?xì)怏w有干氣、氣態(tài)烴、氫氣、液化石油氣等，種類復(fù)雜，故選擇催化燃燒式傳感器。據(jù)測算，某化工企業(yè)加氫裂化裝置分餾塔裙座內(nèi)混合氣體爆炸極限為3.426%。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，固定式可燃?xì)怏w檢測報(bào)警裝置的一級報(bào)警高限設(shè)定值≤25% LEL，二級報(bào)警高限設(shè)定值≤50% LEL。故此處要求傳感器的一級報(bào)警高限設(shè)定值≤0.8565%(即25% LEL)，二級報(bào)警高限設(shè)定值≤1.713%(即50% LEL)。

表1列舉了三種常用催化燃燒式傳感器的特點(diǎn)和適用場合。本文選用MJC4 2.5J型傳感器。該傳感器探頭可現(xiàn)場更換，具有性能穩(wěn)定，檢測可燃?xì)怏w種類多，維護(hù)成本低，受溫度、風(fēng)、粉塵及環(huán)境濕度影響小等特點(diǎn)。圖1是MJC4 2.5J型傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及實(shí)物。

表1 三種常用催化燃燒式傳感器的特點(diǎn)和適用場合

圖1 MJC4 2.5J傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)(左)及實(shí)物(右)

1.2 傳感器隔爆外殼設(shè)計(jì)

催化燃燒式傳感器工作時表面溫度達(dá)200～300 ℃，需將傳感器的護(hù)套做成隔爆型。根據(jù)文獻(xiàn)[6]并參照市面使用較多的隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的隔爆外殼如圖2所示。

圖2 可燃?xì)怏w檢測模塊組成

在圖2中，檢測模塊左側(cè)為預(yù)留采樣孔，利用絲堵和O型圈密封，右側(cè)用梯形四氟墊(圖3a)，對有機(jī)氣體幾乎無吸附性。梯形四氟墊與不銹鋼轉(zhuǎn)接口配合，將可燃性氣體阻擋在殼體外部，實(shí)現(xiàn)電路板與外界可燃?xì)怏w隔絕以防爆的目的。根據(jù)MJC4 2.5J傳感器的形狀，設(shè)計(jì)了一個四氟底座(圖3b)，當(dāng)轉(zhuǎn)接口和連接口配合后，亦可起到一定的密封和絕緣作用，同時還可限制傳感器元件的周向運(yùn)動。傳感器前端設(shè)有金屬粉末冶金濾網(wǎng)(圖3c)，厚度3.2 mm，空氣可通過滲透作用進(jìn)入傳感器室。殼體內(nèi)部為安裝電路板設(shè)置了三個M4的螺紋孔，側(cè)面設(shè)置了M3的螺紋孔來滿足接地要求。

圖3 梯形四氟墊、傳感器固定件和金屬粉末冶金濾網(wǎng)

2 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

用單片機(jī)(圖4)采集傳感器信號，并對聲光報(bào)警和通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和控制。采用德州儀器公司生產(chǎn)的工業(yè)級16位芯片MSP430作為主芯片，3.4 V供電，功耗低。單片機(jī)有信號采集、復(fù)位、時鐘、聲光報(bào)警控制和通風(fēng)機(jī)控制等五個外圍電路。存儲系統(tǒng)采用EEPROM芯片24CL64，存儲傳感器標(biāo)定的值、報(bào)警限和異常濃度值及發(fā)生的時間等信息。

圖4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器信號采集

圖5 利用單片機(jī)檢測可燃?xì)怏w濃度

將傳感器輸出信號放大后進(jìn)行AD采集，圖5是具體的采集電路。采用TPS73625芯片將3.4 V直流電源轉(zhuǎn)換為2.5 V穩(wěn)壓直流電，再通過MAX660芯片將2.5 V直流電反相。得到±2.5 V雙電源為LM324芯片供電。在圖5中，對傳感器和對照橋臂輸出信號分別用一級放大器進(jìn)行了電壓跟隨，增大了下一級放大電路的輸入阻抗，使電路更加穩(wěn)定。對電路進(jìn)行分析，整體放大倍數(shù)見式1。

A=2R/RA+2

(1)

輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系見式(2)。

Vout=A·(V+-V-)

(2)

在新鮮空氣中可通過調(diào)節(jié)變阻器W1進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)零。當(dāng)傳感器檢測到可燃?xì)鈺r，輸出V+增大，最終輸出Vout隨之成倍增大。選用的傳感器采用2.5 V穩(wěn)壓源供電，在新鮮空氣中輸出基本電壓1.25 V，根據(jù)式(2)零點(diǎn)電壓V-一般也需調(diào)至1.25 V。當(dāng)可燃?xì)鉂舛葟?～100% LEL遞增時，傳感器輸出變化的絕對幅值約為100 mV。AD采集的上限為2500 mV。取定R=100 k，RA=10 k，則放大倍數(shù)A=22。此時輸入單片機(jī)的最大電壓見式(3)。

Voutmax=A·(V+-V-)=22×100=2200 mV

(3)

該值滿足AD采集使用要求。對于10位的AD，整體分辨率如式(4)所示。

(4)

這說明可燃?xì)?LEL每變化1，單片機(jī)采集的數(shù)值變化9，完全滿足檢測的精度要求。

2.2 聲光報(bào)警和通風(fēng)機(jī)耦合控制

聲光報(bào)警器選購兼容性強(qiáng)、易于安裝更換且使用壽命長的成熟產(chǎn)品。分餾塔裙座內(nèi)部空間約50 m3，選用功率為800 W的旋渦式風(fēng)機(jī)，流量約1000 L/min，可在1 h內(nèi)將氣體置換一遍。通過以下定義實(shí)現(xiàn)當(dāng)濃度到達(dá)設(shè)定值時啟動聲光報(bào)警或使報(bào)警器與通風(fēng)換氣設(shè)備聯(lián)動：

(1)超限值25%時工作流程(圖6)：t0時刻開機(jī)，t1時刻濃度超限值25%，聲光報(bào)警啟動，t2時刻濃度低于限值25%，聲光報(bào)警關(guān)閉。

圖6 超限值25%時工作流程

圖7 超限值50%時工作流程

(2)超限值50%時工作流程(圖7)：t0時刻開機(jī)，t1時刻濃度超限值25%，聲光報(bào)警啟動，t3時刻濃度超限值50%，聲光報(bào)警繼續(xù)工作同時開啟通風(fēng)換氣設(shè)備，t4時刻濃度低于限值25%，聲光報(bào)警關(guān)閉，通風(fēng)換氣設(shè)備延時30 min后關(guān)閉。

圖8 可燃?xì)怏w報(bào)警器正常工作流程

(3)正常工作流程(圖8)：t1時刻，濃度檢測達(dá)到25% LEL，啟動聲光報(bào)警；t2時刻，濃度檢測低于25% LEL，關(guān)閉聲光報(bào)警；t3時刻，濃度檢測達(dá)到25% LEL，啟動聲光報(bào)警；t4時刻，濃度檢測達(dá)到50% LEL，聲光報(bào)警，啟動通風(fēng)換氣設(shè)備。

3 控制箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制箱頂部開有直徑22 mm的孔用來固定聲光報(bào)警器。聲光報(bào)警器由單片機(jī)I/O口驅(qū)動，報(bào)警能力較弱，在控制箱底部還預(yù)留了遠(yuǎn)程聲光報(bào)警系統(tǒng)的接線端子，以適配滿足報(bào)警要求的聲光報(bào)警系統(tǒng)?？刂葡涞撞块_有連接通風(fēng)機(jī)的接口，該接口亦可連接電磁閥將壓縮空氣通入受限空間完成氣體置換。因催化燃燒式傳感器需定期維護(hù)(一般為90～180天)，在控制箱頂部預(yù)留了DB9串口，以方便檢定校準(zhǔn)工作的進(jìn)行以及報(bào)警記錄的導(dǎo)出。控制箱兩側(cè)開設(shè)百葉窗孔以實(shí)現(xiàn)機(jī)箱內(nèi)部的散熱。在控制箱箱門距底邊100 mm、右邊25 mm的位置開有Φ25 mm的通孔來裝轉(zhuǎn)舌鎖。中間距底邊70 mm位置開Φ22 mm的通孔，用來設(shè)置消音按鍵。在控制箱箱門的中間靠上部分設(shè)有LCD屏，方便工作人員讀取當(dāng)前環(huán)境中可燃?xì)鉂舛燃把b置當(dāng)前的狀態(tài)。顯示屏下方設(shè)有5個薄膜按鈕，用于人機(jī)交互。

圖9 控制箱箱體(a)和前蓋(b)

控制箱整體尺寸為寬200 mm×高280 mm×厚70 mm，采用1.2 mm厚Q235鈑金和整體黑噴塑，底部用防水接頭分別連接電源線、傳感器連接線、通風(fēng)機(jī)連接線和報(bào)警器連接線。背部點(diǎn)焊有兩個鈑金連接件方便控制箱的安裝。

圖10 控制箱整體結(jié)構(gòu)

4 耦合裝置性能測定

4.1 初始化

初始化的內(nèi)容主要是零點(diǎn)標(biāo)定和量程標(biāo)定。從標(biāo)準(zhǔn)氣瓶內(nèi)將氣體充入5 L的儲氣袋，再用流量為500 mL/min的微型氣泵將儲氣袋內(nèi)的氣體泵送至可燃?xì)鈭?bào)警器中，通氣30 s后打開可燃?xì)鈭?bào)警器，通過面板上的按鈕將顯示屏上的數(shù)值調(diào)為0% LEL。重復(fù)操作3次完成零點(diǎn)標(biāo)定。利用動態(tài)配氣法配置濃度為1%、2%、4%、5%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣，再將標(biāo)準(zhǔn)氣用上述方式引導(dǎo)至傳感器處，通入氣體30 s后打開報(bào)警器，通過面板上的按鈕將顯示屏上的數(shù)值分別調(diào)整為20% LEL、40% LEL和80% LEL，即可完成量程標(biāo)定。

4.2 性能測試

根據(jù)文獻(xiàn)[7]對可燃?xì)鈾z測報(bào)警及通風(fēng)換氣耦合裝置的基本功能進(jìn)行了測試，對報(bào)警動作值、示值誤差、響應(yīng)時間、零點(diǎn)和量程漂移進(jìn)行了檢定。

4.2.1 基本功能測試

如圖11所示，將體積濃度5%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣置于通風(fēng)櫥內(nèi)，用硅膠管將標(biāo)準(zhǔn)氣引至檢測器入口。給裝置上電，打開氣瓶閥門，關(guān)上通風(fēng)櫥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下：①當(dāng)濃度達(dá)到25% LEL時，聲光報(bào)警器啟動；②當(dāng)濃度繼續(xù)升高至50% LEL時，聲光報(bào)警器繼續(xù)工作，同時通風(fēng)機(jī)啟動；③當(dāng)濃度低于50% LEL時，通風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作；④當(dāng)濃度低于25% LEL時，聲光報(bào)警器關(guān)閉，通風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作一定時間后關(guān)閉。裝置基本功能符合設(shè)計(jì)要求。

圖11 基本功能測試

4.2.2 儀器參數(shù)檢定

對聲光報(bào)警器和通風(fēng)機(jī)動作值的檢定：將濃度為4%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣用硅膠管引至傳感器探頭處，使報(bào)警器出現(xiàn)報(bào)警動作，觀察其是否正常工作，并記錄報(bào)警時顯示屏上的示值。撤去標(biāo)準(zhǔn)氣，待顯示屏上示值為0時，向傳感器繼續(xù)通2%甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣，觀察通風(fēng)機(jī)是否工作正常，并記錄報(bào)警時顯示屏上示值，重復(fù)操作3次，取算術(shù)平均值為動作值。

對示值誤差的檢定：報(bào)警器先通電預(yù)熱至系統(tǒng)穩(wěn)定后，用500 mL/min微型氣泵分別將濃度為10% LEL、40% LEL、60% LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣泵送到傳感器內(nèi)，待報(bào)警器顯示屏上示值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。每個濃度測3次。按式(5)計(jì)算每點(diǎn)的ΔC取絕對值最大者為示值誤差。

(5)

C0——通入報(bào)警器內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度值

R——報(bào)警器的滿量程(即100% LEL)

對響應(yīng)時間檢定：先將報(bào)警器初始化，再通入濃度為40% LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣，讀取報(bào)警器上的穩(wěn)定示值，停止通氣，待報(bào)警器顯示屏上的數(shù)值回到零點(diǎn)。再通入上述標(biāo)準(zhǔn)氣，同時啟動秒表，待示值升至上述穩(wěn)定值的90%時，停秒表，記下秒表顯示的時間。按上述方法重復(fù)測3次，取算術(shù)平均值為報(bào)警器響應(yīng)時間。

對零點(diǎn)漂移和量程漂移的檢定：通入零點(diǎn)氣至報(bào)警器顯示屏上的示值穩(wěn)定后，記錄LCD屏顯示值Z0，然后通入濃度約為60% LEL的標(biāo)準(zhǔn)氣，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄LCD屏示值S0，撤去標(biāo)準(zhǔn)氣。每隔10 min重復(fù)上述步驟一次，做3組實(shí)驗(yàn)并計(jì)算每組零點(diǎn)漂移和量程漂移，取絕對值最大者為儀器的零點(diǎn)和量程漂移。

表2 報(bào)警動作值、示值誤差、響應(yīng)時間、零點(diǎn)漂移和量程漂移的檢定結(jié)果

表2匯總了報(bào)警動作值、示值誤差、響應(yīng)時間、零點(diǎn)漂移和量程漂移的檢定結(jié)果。由表2可知：①聲光報(bào)警器和通風(fēng)機(jī)的動作值滿足要求，4.2.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)也表明了這一點(diǎn)；②當(dāng)環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，檢測報(bào)警裝置可在25.3 s內(nèi)做出響應(yīng)，滿足文獻(xiàn)[7]中對擴(kuò)散式傳感器響應(yīng)時間≤60 s的要求；③對環(huán)境中可燃?xì)鉂舛葯z測的誤差，無論是高濃度還是低濃度都不超過1%，精度滿足文獻(xiàn)[7]中≤±5%的要求。

5 結(jié) 論

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一種固定式可燃?xì)鈾z測報(bào)警及通風(fēng)換氣耦合裝置，用于某化工企業(yè)加氫裂化裝置的分餾塔裙座內(nèi)部空間的可燃?xì)鈾z測報(bào)警及快速檢維修作業(yè)環(huán)境保障。采用MJC4 2.5J型傳感器檢測可燃?xì)怏w，傳感器輸出信號通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給單片機(jī)；主控單元選擇MSP430型單片機(jī)；通風(fēng)機(jī)選擇旋渦式風(fēng)機(jī)，氣量約1000 L/min。傳感器、單片機(jī)、風(fēng)機(jī)等硬件集成于專門設(shè)計(jì)的控制箱中。性能測試表明：聲光報(bào)警器和通風(fēng)機(jī)的動作值滿足要求；當(dāng)環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，檢測報(bào)警裝置可在25.3 s內(nèi)做出響應(yīng)，可燃?xì)鉂舛葯z測誤差不超過1%。