李海芹

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

石油化工生產中可燃氣體泄漏的危害很大，不僅危及生產操作安全、環(huán)境安全，嚴重時還會導致工廠發(fā)生火災、爆炸、人員中毒及傷亡事件。為了保證企業(yè)的生產和人員安全，設置可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)(GDS)，實時監(jiān)測生產過程中的可燃氣泄漏狀況，以便于及時傳播警報信息并采取應對方案，防止惡性事故發(fā)生[1-2]。

1 可燃氣體檢測報警系統(tǒng)

1.1 設置原則

根據原國家安監(jiān)總局發(fā)布的《國家安全監(jiān)管總局關于加強化工安全議表系統(tǒng)管理的指導意見》(安監(jiān)總管三[2014]116號)的規(guī)定，可燃氣體檢測報警系統(tǒng)應獨立設置[3]。GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》[4]同樣規(guī)定其應獨立設置，且現(xiàn)場氣體探測器信號不能直接接入火災報警控制器的輸入回路。

當現(xiàn)場可燃氣體探測器發(fā)出報警時，說明釋放源處有可燃性氣體泄漏，不管后續(xù)的處理方式為人為確認還是廣播疏散，或者啟動噴淋設施等，都屬于減輕事故后果的應急保護措施，并非提前預防[5]。GDS屬于工廠或裝置的典型多保護層結構中的過程報警及操作員干預層；基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)監(jiān)控工廠的正常運行；安全儀表系統(tǒng)(SIS)是在發(fā)生事故時能夠自動、及時地安全停車。故從功能安全上講，GDS應自成系統(tǒng)，獨立設置。

1.2 系統(tǒng)組成

GDS包括： 現(xiàn)場探測器、現(xiàn)場區(qū)域警報器、現(xiàn)場機柜室的邏輯控制器、控制室的顯示報警單元等，GDS的結構如圖1所示。當保護區(qū)域有可燃氣體泄漏時，報警信號上傳至現(xiàn)場機柜室的邏輯控制器，邏輯控制器經數據處理、報警確認，將現(xiàn)場探測器信號上傳至中心控制室或消防控制室進行顯示報警。

圖1 可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)結構示意

可燃氣體探測器僅作報警用途時，探測器信號接入單獨的GDS機柜，并經交換機上傳至中心控制室，報警控制單元發(fā)出二級報警信號時，觸發(fā)安裝在現(xiàn)場相應報警分區(qū)及控制室的聲光警報器，警示現(xiàn)場及室內人員采取應急措施。

可燃氣體探測器參與消防聯(lián)動時，根據文獻[4]相關規(guī)定，現(xiàn)場氣體探測器信號送至專用的可燃氣體報警控制器，再上傳至消防控制室的火災報警控制器?；馂膱缶刂破饕部山邮芸扇細怏w探測器的第二級報警信號或GDS報警控制單元的故障信號，但與火災報警信號應有明顯區(qū)別。消防控制室的GDS操作站可對上述報警信號及故障信號進行圖形顯示和報警，并采取聯(lián)動措施。

可燃氣體探測器參與安全聯(lián)鎖時，其信號上傳至SIS，安全聯(lián)鎖報警信號在SIS操作站或通信至BPCS操作站進行顯示報警，觸發(fā)聯(lián)鎖條件時，SIS執(zhí)行相應的聯(lián)鎖。

1.3 設置方式

三種不同模式下GDS設置對比見表1所列。探測器信號用于警示報警時，GDS報警控制單元采用獨立設置的以微處理器為基礎的電子產品即可，既不需要取得SIL認證，也不需要取得消防型式檢測報告；探測器信號用于消防聯(lián)動時，應采用專用可燃氣體報警控制器；探測器信號用于安全聯(lián)鎖時，探測器的硬件配置應滿足文獻[6]有關規(guī)定?？扇細怏w探測器參與消防聯(lián)動或安全聯(lián)鎖時，因誤報率較高，為了避免誤報率引起相應的消防及聯(lián)鎖動作，單個泄漏點至少設置2臺探測器，并采用“2ooN”的邏輯表決方式。

2 可燃氣體探測器

2.1 分類及應用

可燃氣體探測器作為GDS的現(xiàn)場檢測元件，獲取現(xiàn)場實時數據，其選型的正確性和可靠性至關重要，根據檢測原理的不同，可分為催化燃燒式、紅外式及激光式等。

表1 三種不同模式下GDS設置對比

催化燃燒式氣體探測器利用可燃性氣體與檢測元件發(fā)生催化燃燒反應，測量電路產生電壓差，進而換算出可燃氣的濃度。催化燃燒式可燃氣體探測器必須在有氧環(huán)境中使用。

紅外式與激光式氣體探測器都是根據比爾-朗伯定律，被測氣體濃度與探測光吸收強度有對應關系，實現(xiàn)對氣體濃度的檢測[7]。目前比較流行的紅外式氣體探測器多采用雙波段測量技術，并采用雙光源，在單波段基礎上增加一路參比光路，消除環(huán)境溫度、氣流等因素的影響。紅外式氣體探測器一般只能測碳氫化合物的濃度，當待測氣體含水蒸氣和CO2時，對測量結果有一定的影響。

激光式氣體探測器由發(fā)射端和接收端兩部分組成，發(fā)射端內置目標樣氣，只對目標氣體有反應，實現(xiàn)了零交叉干擾，且其維修費用低，壽命長。其鏡片帶自加熱功能，有效防積雪、凝霧和結冰，在90%遮光下能夠正常工作，抗風沙、抗震動能力強，可實現(xiàn)對碳氫化合物、有毒氣體等多種可燃有毒氣體的測量。

2.2 對比分析

催化燃燒式屬于點式氣體探測器，激光式屬于線型氣體探測器，而紅外式既有點式也有線型。點式氣體探測器的覆蓋范圍按文獻[8]的要求，是以其為中心、半徑為5 m或10 m的圓形。線型氣體探測器宜安裝于開放的大空間環(huán)境，其檢測區(qū)域長度不宜大于100 m。

點式氣體探測器的濃度一般采用爆炸下限(LEL)來表示。由于泄漏的可燃氣團的擴散，在時間和空間上都是不斷變化且分布不均的。因氣團對光的吸收量與氣團的厚度和體積分數成正比，為了表達擴散云團的體積分數值，線型氣體探測器的測量單位一般采用可燃氣體的體積分數與氣團厚度的乘積來表示，如1×10-4·m是指在1 m厚度的氣團上分布體積分數為1×10-4的可燃氣體。一個厚度為5 m，可燃氣體體積分數為2×10-5的可燃氣團的測量值為1×10-4·m，同樣的，檢測線上一個厚度0.5 m，可燃氣體體積分數為2×10-4的可燃氣團的測量值也為1×10-4·m?？梢钥闯觯粋€濃度很高但厚度低的氣團與一個濃度低但厚度高的氣團的檢測值可能是相同的，這就避免了因為氣團擴散不能正常報警的情況[9]。

催化燃燒式、紅外式、激光式三種氣體探測器的參數性能對比見表2所列，由表2可以看出，每種氣體探測器都有其特定優(yōu)勢。在選型時，應根據標準規(guī)范要求、應用環(huán)境、業(yè)主需求等選用不同類型或多種類型的氣體探測器，以達到最佳的檢測效果。

表2 催化燃燒式、紅外式、激光式氣體探測器參數性能對比

3 應用實例

以某注采站工程的壓縮機廠房內氣體探測器的設置情況為例，分析說明現(xiàn)場探測器及系統(tǒng)的設計及應用，圖2為探測器選用點式的應用方案。壓縮機廠房尺寸為36 m×18 m，共設3臺壓縮機。廠房管道內介質為甲烷，無有毒氣體，故只需設置可燃氣體探測器。

圖2 點式氣體探測器應用方案示意

圖2采用點式氣體探測器，分布于管線閥門等易泄漏處及甲烷易聚集處。該設計方案中壓縮機廠房共設置9臺可燃氣體探測器，其中探測器1～探測器6安裝于壓縮機廠房地面，因甲烷密度比空氣密度低，探測器位置高出地面1.8 m，探測器7～探測器9安裝于壓縮機廠房甲烷易聚集的頂棚位置。采用線型氣體探測器時，控測器1位于壓縮機上方，探測器2位于工藝管線上方，發(fā)射器和接收器中間不能有遮擋，在實際安裝中要保持其在同一水平線。點式氣體探測器價格便宜，但是安裝數量多，相應控制點數、電纜數量多，施工工程量大。線型氣體探測器價格相對昂貴，但安裝數量少，覆蓋范圍更廣，控制點數少，但需選擇合適的檢測路徑，對現(xiàn)場安裝精度要求較高。綜合點式和線型氣體探測器的檢測精度、覆蓋范圍、安裝數量及施工情況，該注采站工程的壓縮機廠房內選用開路激光對射式甲烷檢測報警器。

開路激光對射式甲烷檢測報警器量程選用0～5 LEL·m，高報警值為0.5 LEL·m，高高報警為1 LEL·m。激光從發(fā)射端激光器發(fā)出，被接收端的探測器接收并經信號處理，接收端輸出4～20 mA模擬量信號。另外，該開路激光對射式的甲烷檢測報警器帶現(xiàn)場數顯表及現(xiàn)場聲光報警功能，并具備故障狀態(tài)顯示功能。

壓縮機廠房外空冷器、閥門附近等也設有4臺可燃氣體探測器，沒有相對獨立開放的安裝空間，采用紅外式點式氣體探測器。量程為0～100%LEL，高報警值為20%LEL，高高報警為50%LEL。因其在室外安裝，采用不銹鋼管做支撐，并配防雨罩。

根據該注采站HAZOP評估報告，壓縮機廠房內可燃氣體探測器參與安全聯(lián)鎖，當有可燃氣泄漏且數值達到1 LEL·m時，聯(lián)鎖啟動壓縮機廠房內風機設備，故線型氣體探測器信號引入SIS且儀表本身應取得相應SIL認證，聯(lián)鎖邏輯采用“2ooN”的邏輯表決方式。壓縮機廠房外可燃氣體探測器不參與安全聯(lián)鎖，其信號引入專用的8通道氣體報警控制器。輸入信號為4～20 mA，輸出一組公共通信信號Modbus RS-485及故障報警觸點信號。該工程氣體探測器信號不參與消防聯(lián)動。

4 結束語

現(xiàn)場氣體探測器及GDS需根據工程場景實際情況，分門別類進行設計，其正確性、可靠性、合理性尤為關鍵。GDS是工程設計中不可或缺的一部分，對設計安全、生產安全、環(huán)境安全、人員安全都起著至關重要的作用，應按照“預防為主、防控結合”的原則[10]，避免火災事故的發(fā)生。