王云

(山東濟(jì)煉石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

石油化工企業(yè)生產(chǎn)中，介質(zhì)輸送、反應(yīng)、儲(chǔ)存等過程常涉及可燃介質(zhì)和有毒介質(zhì)。為保障石油化工企業(yè)的生產(chǎn)安全和員工人身安全，合規(guī)、合理及有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)過程及儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施中泄漏的可燃?xì)怏w和有毒氣體并及時(shí)報(bào)警，預(yù)防人身傷害以及火災(zāi)與爆炸事故的發(fā)生至關(guān)重要。

本文基于GB/T 50493—2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]，從實(shí)際工程角度出發(fā)淺談可燃?xì)怏w和有毒氣體探測的工程應(yīng)用。

1 關(guān)于有毒氣體

GB/T 50493—2019中有毒氣體的定義為通過呼吸或皮膚接觸可導(dǎo)致永久性健康傷害或死亡的氣體或蒸氣，其條文說明中指出： 有毒氣體關(guān)注范圍是根據(jù)原國家衛(wèi)生部發(fā)布的《高毒物品目錄》(衛(wèi)法監(jiān)發(fā)[2003]142號)[2]中規(guī)定的氣體、GB 30000.18—2013《化學(xué)品分類和標(biāo)簽規(guī)范 第18部分： 急性毒性》[3]中急性毒性危害類別為1類及2類的氣體、GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限制 第1部分： 化學(xué)有害因素》[4]中規(guī)定的氣體。

石油化工企業(yè)中很多物質(zhì)都有毒，但不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和文件因劃分準(zhǔn)則不同，會(huì)出現(xiàn)不同的分類。工程應(yīng)用中應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，并結(jié)合項(xiàng)目情況合理運(yùn)用。基于文獻(xiàn)[1]、安監(jiān)局相關(guān)文件和其他標(biāo)準(zhǔn)要求，建議確定有毒氣體的范圍原則如下：

1)文獻(xiàn)[1]附錄B列出的氣體或蒸氣。

2)文獻(xiàn)[2]中規(guī)定的氣體或蒸氣。

3)文獻(xiàn)[4]中表1列出的介質(zhì)，且符合文獻(xiàn)[3]中急性毒性-吸入-類別1類及2類的氣體或蒸氣。

4)《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄(2015 版)》中的介質(zhì)，且符合文獻(xiàn)[3]中急性毒性-吸入-類別1類及2類的氣體或蒸氣。

5)根據(jù)原國家安監(jiān)總局發(fā)布的《首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》(安監(jiān)總管三〔2011〕95號)和《第二批重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》(安監(jiān)總管三〔2013〕12號)文中，其對應(yīng)的安全措施和事故應(yīng)急處置原則中要求設(shè)置有毒氣體泄漏檢測報(bào)警儀的介質(zhì)。

6)具體工程項(xiàng)目的要求。

2 儀表設(shè)備性能特點(diǎn)及要求

2.1 固定式探測器

工程應(yīng)用中，通常有以下類型探測器：

1)催化燃燒型。常用于檢測可燃?xì)怏w濃度，正常工作時(shí)，所檢測氣體中氧體積分?jǐn)?shù)需大于10%。該類型探測器只能用于探測低于爆炸下限(LEL)體積分?jǐn)?shù)，探測器響應(yīng)時(shí)間取決于探測氣體，傳感器易受硅、鉛、硫化物、鹵代化學(xué)物、磷化物影響，造成傳感器催化劑中毒使探測器失效。比如石化企業(yè)中硫化氫、鉛含量較高的汽油場合中，就不宜選用催化燃燒型，當(dāng)使用抗中毒型傳感器，探測器響應(yīng)時(shí)間可能會(huì)延長，靈敏度可能會(huì)降低。使用壽命通常為3 a。

2)熱傳導(dǎo)型。用于檢測可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)，工作時(shí)無需氧氣參與，通常可探測體積分?jǐn)?shù)為爆炸下限至100%的氣體，響應(yīng)時(shí)間中等。一般適用于相對空氣熱導(dǎo)率較高或較低的氣體，且背景氣波動(dòng)不大的工況。

3)紅外吸收型。常用于檢測可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)，工作時(shí)無需氧氣參與，可探測體積分?jǐn)?shù)為0～100%的氣體，響應(yīng)時(shí)間較快。當(dāng)使用場所的空氣中含有能使催化燃燒型檢測元件中毒的硫、磷、硅、鉛、鹵素化合物等介質(zhì)時(shí)，可選用紅外氣體探測器。對于無極性的雙原子氣體(如： 氫氣)不吸收紅外能量，因此不能用于探測氫氣。使用壽命通常不小于2 a。

4)半導(dǎo)體型?？捎糜跈z測可燃?xì)怏w和有毒氣體，如氫氣、硫化氫、氯氣、氨氣、丙烯睛氣體、一氧化碳?xì)怏w等，工作時(shí)需微量氧氣參與。易受背景氣等干擾，穩(wěn)定性較差，線性度一般。使用壽命通常為3～4 a。

5)電化學(xué)型。不能用于探測大多數(shù)的碳?xì)浠衔?，常用于探測有毒氣體、氧氣、氫氣、醇類等，探測靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間中等。由于該類探測器的電解質(zhì)可能受低溫凍結(jié)，應(yīng)注意使用環(huán)境溫度和產(chǎn)品適用條件。使用壽命通常為1～3 a。

6)光致電離型。常用于探測苯、氯乙烯、二硫化碳?xì)怏w，探測靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間較快。使用壽命通常為1～3 a。

7)激光型。開路式激光型可用于探測開闊區(qū)域和裝置邊界區(qū)域的碳?xì)浠衔?，響?yīng)時(shí)間較快，靈敏度高，也適用于雨、雪、霧天氣條件。線型激光探測器可用于檢測烴類可燃?xì)怏w、甲烷、乙烯、氨、二氧化碳、硫化氫、氯化氫、氟化氫等氣體。

目前市場上常用的固定點(diǎn)式探測器輸出信號為4～20 mA或4～20 mA加一路接點(diǎn)信號，也有總線型。按其采樣方式分為自然擴(kuò)散式和吸入式。

2.2 可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)

可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)(GDS)應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，應(yīng)獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、火災(zāi)及消防系統(tǒng)等。GDS可用DCS，PLC，氣體報(bào)警控制器等實(shí)現(xiàn)，GDS的可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警信號應(yīng)輸送至有人值守且便于做出響應(yīng)的地方，如現(xiàn)場控制室、中心控制室?？扇?xì)怏w二級報(bào)警信號、GDS報(bào)警控制單元的故障信號應(yīng)送至消防控制室。

根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局、國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)2018年第11號公告，可燃?xì)怏w報(bào)警產(chǎn)品不再實(shí)施強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證管理(CCCF)；GDS不用于執(zhí)行安全儀表功能時(shí)，GDS也無SIL認(rèn)證強(qiáng)制要求。

2.3 警報(bào)器

警報(bào)器可分為現(xiàn)場警報(bào)器(也稱區(qū)域警報(bào)器)和室內(nèi)警報(bào)器，警報(bào)器應(yīng)具有聲、光報(bào)警功能。

現(xiàn)場警報(bào)器用于提示現(xiàn)場工作人員，設(shè)備前方1 m處聲壓級110～120 dB(A)。室內(nèi)警報(bào)器用于提示控制室內(nèi)操作人員，設(shè)備前方1 m處聲壓不小于75 dBA?，F(xiàn)場警報(bào)器和室內(nèi)警報(bào)器的光報(bào)警功能閃爍頻率宜為60～120次/min，聲光形式宜根據(jù)工程項(xiàng)目統(tǒng)一規(guī)定?，F(xiàn)場警報(bào)器和室內(nèi)警報(bào)器觸發(fā)條件均為現(xiàn)場氣體探測器第二級報(bào)警值信號。

3 典型工程應(yīng)用

3.1 在裝置區(qū)的應(yīng)用

以某裝置部分區(qū)域可燃及有毒氣體探測器布置為例，如圖1所示。該案例中原料油為乙A類，工況涉及硫化氫，硫化氫屬于文獻(xiàn)[1]附錄B常見有毒氣體，也屬于安監(jiān)總管三〔2011〕95號文的《首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品安全措施和應(yīng)急處置原則》中要求設(shè)置有毒氣體泄漏檢測報(bào)警儀的介質(zhì)，也屬于GB 30000.18—2013分類中的急性毒性-吸入-類別2列出的介質(zhì)。

圖1 某裝置部分區(qū)域可燃及有毒氣體探測器布置示意

釋放源為泵、采樣器、排污口及閥組密集處。其中，硫化氫釋放源為泵P-107A/B，GT-101為電化學(xué)式有毒氣體(硫化氫)探測器；GT-201～203為催化燃燒式(抗硫化氫)可燃?xì)怏w探測器，探測目標(biāo)氣體為原料油蒸氣。加熱爐熱源為天然氣，主要成分是甲烷，為甲類氣體，釋放源為天然氣閥組密集處，考慮到開停爐過程安全需要，探測器也兼顧考慮加熱爐作為覆蓋范圍。其中，GT-301為催化燃燒式(抗硫化氫)可燃?xì)怏w探測器，探測目標(biāo)氣體為甲烷。

上述探測器安裝原則： 可燃?xì)怏w探測器以其半徑10 m內(nèi)作為釋放源可覆蓋范圍，有毒氣體探測器以其半徑4 m內(nèi)作為釋放源可覆蓋范圍。探測器安裝高度根據(jù)探測目標(biāo)氣體相對分子質(zhì)量與空氣相對分子質(zhì)量比值作為依據(jù)。其主要技術(shù)參數(shù)為探測器防護(hù)等級IP65，防爆等級Ex dⅡCT4，信號類型為三線制4～20 mA，配有現(xiàn)場一體化聲光報(bào)警器。

GL-101為區(qū)域警報(bào)器，主要用于提示區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場人員，安裝高度為2.5 m，處于區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場人員易視聽的位置。當(dāng)設(shè)置區(qū)域可燃?xì)怏w探測器和有毒氣體探測器時(shí)，建議分別設(shè)置，且聲光應(yīng)有區(qū)別。當(dāng)對應(yīng)區(qū)域內(nèi)任一臺(tái)可燃?xì)怏w探測器觸發(fā)二級報(bào)警時(shí)，區(qū)域可燃警報(bào)器發(fā)出聲光警報(bào)，若裝置區(qū)面積較小，任一臺(tái)可燃?xì)怏w探測器觸發(fā)二級報(bào)警時(shí)，也可所有區(qū)域可燃警報(bào)器發(fā)出聲光警報(bào)。

3.2 在新風(fēng)入口處的應(yīng)用

在可燃?xì)怏w和有毒氣體有可能通過新風(fēng)入口進(jìn)入控制室及機(jī)柜間的場合，應(yīng)在新風(fēng)入口處設(shè)置目標(biāo)氣體的探測器。

當(dāng)探測器的可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)不小于25%LEL或有毒氣體體積分?jǐn)?shù)不小于100%OEL時(shí)，應(yīng)聯(lián)鎖關(guān)停新風(fēng)機(jī)及密閉閥，可采用以下兩種方案實(shí)現(xiàn)：

1)探測器4～20 mA信號引入文獻(xiàn)[5]建議的SIS，經(jīng)SIS邏輯運(yùn)算后發(fā)出信號至新風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，由新風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)鎖關(guān)停新風(fēng)機(jī)及密閉閥。

2)探測器4～20 mA信號引入GDS，經(jīng)GDS邏輯運(yùn)算后發(fā)出信號至新風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，由新風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)鎖關(guān)停新風(fēng)機(jī)及密閉閥。

3.3 分析小屋的應(yīng)用

分析小屋內(nèi)的可燃?xì)怏w、有毒氣體、氧濃度探測器設(shè)計(jì)除了符合文獻(xiàn)[1]要求外，還應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的要求，如GB/T 29814—2013(IEC/TR 61831： 1999，IDT)《在線分析器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝指南》[6]、GB 29812—2013(IEC 61285： 2004，IDT)《工業(yè)過程控制 分析小屋的安全》[7]、SH/T 3174—2013《石油化工在線分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]。

當(dāng)分析小屋內(nèi)的分析樣氣中含有可燃、有毒介質(zhì)時(shí)，或分析小屋安裝位置有可能使小屋內(nèi)聚積可燃、有毒氣體時(shí)(如分析小屋設(shè)在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域2區(qū))，應(yīng)在分析小屋內(nèi)設(shè)置對應(yīng)目標(biāo)氣體的探測器，分析小屋通常屬于受限空間，應(yīng)設(shè)置氧濃度探測器。當(dāng)小屋內(nèi)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)不小于20%LEL或有毒氣體體積分?jǐn)?shù)不小于100%OEL時(shí)應(yīng)能觸發(fā)報(bào)警，如探測器的聲光報(bào)警及小屋外入口處的報(bào)警燈屏，切斷分析樣氣采樣，并能自動(dòng)啟動(dòng)小屋排風(fēng)機(jī)。當(dāng)小屋內(nèi)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)不小于50%LEL時(shí)，除了報(bào)警還應(yīng)及時(shí)聯(lián)鎖自動(dòng)切斷小屋內(nèi)非防爆電氣設(shè)備的電源。相關(guān)報(bào)警設(shè)定及聯(lián)鎖功能宜根據(jù)工程具體情況，結(jié)合供貨商產(chǎn)品及建議做相應(yīng)設(shè)置。

當(dāng)探測器檢測信號用于參與分析小屋內(nèi)一系列報(bào)警和聯(lián)鎖功能時(shí)，如門外報(bào)警、通風(fēng)、不同聯(lián)鎖值關(guān)斷相應(yīng)電氣設(shè)備、時(shí)間判斷程序等復(fù)雜功能，探測器4～20 mA信號可引至小屋內(nèi)集成的PLC，由PLC通過通信方式或“點(diǎn)對點(diǎn)”輸出4～20 mA至GDS。若探測器在小屋的PLC內(nèi)無復(fù)雜聯(lián)鎖功能，探測器4～20 mA信號宜直接接入GDS，探測器的接點(diǎn)信號至小屋的PLC，但應(yīng)滿足使用要求為原則。

3.4 其他工況及解決方案

對于實(shí)際工況中其他情況，觀點(diǎn)如下：

1)對于密閉設(shè)備和封閉管道內(nèi)的乙B和丙A類液體介質(zhì)，當(dāng)操作溫度大于其閃點(diǎn)時(shí)，其危險(xiǎn)性將分別提升到甲B和乙A類。

業(yè)內(nèi)部分觀點(diǎn)認(rèn)為： 不需要設(shè)置可燃?xì)怏w探測器。理由是若出現(xiàn)泄漏，當(dāng)介質(zhì)溫度大于燃點(diǎn)時(shí)，加之環(huán)境氧氣充足，將可能持續(xù)燃燒，宜考慮設(shè)置火焰探測設(shè)備；當(dāng)介質(zhì)溫度小于燃點(diǎn)或氧氣不足以燃燒，介質(zhì)將持續(xù)泄漏，但由于周圍環(huán)境溫度使之降溫，其揮發(fā)速度和蒸氣范圍將減小，危險(xiǎn)性減小。

另一類觀點(diǎn)認(rèn)為： 需要設(shè)置可燃?xì)怏w探測器。一方面，工況下高溫液體泄漏揮發(fā)性大，在低濃度下介質(zhì)不會(huì)快速收斂，除非接近飽和態(tài)，環(huán)境溫度使之降溫并不能得出擴(kuò)散性和危險(xiǎn)性降低的結(jié)論，它不是簡單線性對應(yīng)關(guān)系。落實(shí)到工程中，建議設(shè)置可燃?xì)怏w探測器。另一方面，需判斷可燃液體泄漏后液體溫度是否還高于閃點(diǎn)，若液體溫度比閃點(diǎn)僅高幾攝氏度，泄漏后因環(huán)境溫度較低，液體溫度很快就低于閃點(diǎn)，就不需設(shè)置探測器，否則就應(yīng)按甲B或乙A類考慮，設(shè)置可燃?xì)怏w探測器。

筆者的觀點(diǎn)： 目前工程中難以判斷擴(kuò)散范圍及揮發(fā)狀態(tài)，一方面除了操作溫度，還與介質(zhì)壓力、釋放源周圍空間環(huán)境、氣象條件、釋放口尺寸等有關(guān)；另一方面，工況下可燃?xì)怏w探測器的最重要目的是檢測可燃?xì)怏w濃度，提前預(yù)警從而避免發(fā)生火災(zāi)及爆炸事故。GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中規(guī)定：“操作溫度高于可燃液體閃點(diǎn)的，當(dāng)可燃液體有可能泄漏時(shí)，可燃液體的蒸氣或薄霧與空氣混合形成爆炸性氣體混合物應(yīng)按爆炸性氣體環(huán)境設(shè)計(jì)”，即該區(qū)域被劃為爆炸性氣體區(qū)域。因此，筆者認(rèn)為應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w探測器，但需注意爆炸性氣體區(qū)域范圍可能會(huì)大于文獻(xiàn)[1]關(guān)注的范圍。

2)文獻(xiàn)[1]2019版相較2009版雖然刪除了風(fēng)向因素，但探測器易受風(fēng)向風(fēng)速影響，然而一年中風(fēng)向風(fēng)速是不同的，且受裝置內(nèi)設(shè)備和管線等影響，實(shí)際上難以考慮風(fēng)向風(fēng)速影響。若再考慮釋放源泄漏位置、泄漏壓力、泄漏口大小、探測器響應(yīng)時(shí)間等，情況會(huì)更復(fù)雜。需要時(shí)，可以考慮風(fēng)向的影響，比如GB/T 39173—2020《智能工廠 安全監(jiān)測有效性評估方法》[10]提到的方法中有些涉及到了風(fēng)向因素。目前可通過三維模型和專業(yè)軟件進(jìn)行模擬，可進(jìn)一步優(yōu)化探測器的設(shè)置，實(shí)際上就是提高探測器的有效覆蓋率。

3)在空間較高的封閉廠房內(nèi)，若探測器安裝在廠房內(nèi)的最高點(diǎn)，在工程實(shí)施階段應(yīng)考慮設(shè)置探測器維護(hù)平臺(tái)和爬梯，便于后期維護(hù)且避免涉及特殊作業(yè)中的高處作業(yè)。

4)不建議采用總線型探測器，主要原因?yàn)閺恼w安全性和可用性考慮，一條總線上掛接探測器若干臺(tái)，數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間可能較長。當(dāng)需要維護(hù)總線上某臺(tái)探測器，或總線上需要增加探測器，會(huì)影響總線上其他探測器的正常使用。

5)甲醇的爆炸下限為6%，若按可燃?xì)怏w探測器設(shè)置要求，一級報(bào)警值為25%LEL，二級報(bào)警值為50%LEL。甲醇的IDLH為2.5%，可見25%LEL(即60%IDLH)時(shí)危險(xiǎn)性已經(jīng)很大，50%LEL更是達(dá)到120%IDLH。

IDLH的定義為在工作地點(diǎn)，環(huán)境中空氣污染物濃度達(dá)到某種危險(xiǎn)水平，如可致命或永久損害健康，或使人立即喪失逃生能力。因此，建議甲醇按可燃?xì)怏w探測器覆蓋釋放源要求設(shè)定安裝位置，但應(yīng)按有毒氣體探測器的測量范圍和報(bào)警值要求設(shè)定，即一級報(bào)警值為5%IDLH，二級報(bào)警值為10%IDLH。關(guān)鍵位置也可以按照有毒氣體探測器要求設(shè)置，報(bào)警值按照一級報(bào)警值為100%OEL，二級報(bào)警值為200%OEL。

6)有毒物質(zhì)的職業(yè)接觸限值OEL值是以8 h/d的工作時(shí)間制定的，然而企業(yè)部分人員工作時(shí)間可能長期大于8 h/d。由于每個(gè)人的身體差異和不同時(shí)間段內(nèi)的身體差異，可能在低于OEL值時(shí)，也可能引起勞動(dòng)者健康損害，因此不能絕對認(rèn)為低于OEL值就是“安全的”。實(shí)際工程中，目前通常沒有考慮上述的時(shí)間因素及人體差異因素。

7)某種工況下可能同時(shí)存在兩種或多種有毒物質(zhì)泄漏的可能，若共同作用于同一器官或人體部位，具有相似或增強(qiáng)的毒性機(jī)制，那么在這種工況下多類有毒物質(zhì)的OEL值可能需要合理評估后做適當(dāng)折減。實(shí)際工程中，目前通常沒有考慮上述的毒性因素的影響。

8)不能忽視便攜式探測器的使用，由于固定式探測器所能檢測覆蓋的范圍、效果、響應(yīng)時(shí)間已定，而巡檢人員是移動(dòng)的，合理使用便攜式探測器能有效彌補(bǔ)固定式探測器某些方面的缺陷。

9)探測器正常使用過程中，室內(nèi)值守人員應(yīng)熟悉裝置平面及探測器位置，建議在人機(jī)界面上顯示裝置平面及探測器布點(diǎn)位置。當(dāng)探測器發(fā)出報(bào)警后，應(yīng)迅速判斷報(bào)警位置并執(zhí)行預(yù)定的響應(yīng)程序，核查報(bào)警原因，在沒有核查原因和消除隱患前，不應(yīng)屏蔽及消音報(bào)警狀態(tài)。

對于需要修改探測器報(bào)警值、調(diào)整安裝位置的，應(yīng)按企業(yè)管理規(guī)定及時(shí)修改相關(guān)資料并記錄。

4 結(jié)束語

有毒氣體的判定、可燃?xì)怏w探測器和GDS的認(rèn)證是業(yè)內(nèi)探討的熱點(diǎn)，本文對這些問題做了闡述，且通過舉例說明常見工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則。氣體探測器相較其他常規(guī)儀表具有特殊性，通常檢測的是周圍環(huán)境的可燃及有毒氣體，提高探測器性能是目前重中之重，若附以計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬，將能提高探測器的有效覆蓋率和可信度。

隨著安全要求的逐步提高，設(shè)備制造及技術(shù)水平的不斷發(fā)展，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文件的更新要求，工程人員應(yīng)適時(shí)了解掌握技術(shù)動(dòng)態(tài)并提高相關(guān)技能水平，合理運(yùn)用于工程實(shí)踐中。