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張其方

（中國(guó)天辰工程有限公司）

摘要：可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)（GDS）是保障石油化工裝置和人員安全的重要組成部分。介紹了氣體探測(cè)器的類型及使用場(chǎng)合，并總結(jié)了典型氣體的測(cè)量范圍和報(bào)警值。石油化工裝置中，混合的可燃有毒氣體工況是常態(tài)，具體包括：混合可燃?xì)怏w、混合有毒氣體、包含可燃?xì)怏w和有毒氣體的混合氣體，詳細(xì)闡述了不同工況下的混合氣體探測(cè)器設(shè)置，對(duì)工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)  探測(cè)器  工程設(shè)計(jì)

生產(chǎn)或使用可燃有毒氣體的工藝裝置和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施內(nèi)，有可能發(fā)生可燃有毒氣體的泄漏，為了保障裝置安全運(yùn)行和人員安全，應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)（GDS）。GDS的工程設(shè)計(jì)應(yīng)執(zhí)行國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以確保順利通過相關(guān)部門的驗(yàn)收。

1可燃有毒氣體探測(cè)器的分類

1.1按檢測(cè)方式分類

可燃有毒氣體探測(cè)器按照檢測(cè)方式可分為：擴(kuò)散式、吸入式、點(diǎn)式、開路式、便攜式。

1） 擴(kuò)散式。擴(kuò)散式探測(cè)器是將探頭置于裝置環(huán)境中，用于檢測(cè)限定范圍內(nèi)的氣體泄漏。

2） 吸入式。吸入式探測(cè)器主要用于工藝閥井、地坑及排污溝等容易積聚可燃有毒氣體的場(chǎng)所；也可用于擴(kuò)散式氣體探測(cè)器安裝及維護(hù)不方便，同一被檢測(cè)工藝設(shè)備泄漏點(diǎn)較多、有輕微泄漏但毒性較大、易對(duì)人員造成傷害的場(chǎng)合。通常采用取樣管線將泄漏點(diǎn)區(qū)域氣體引至探測(cè)器檢測(cè)，相對(duì)于擴(kuò)散式探測(cè)器由于增加了機(jī)械吸入裝置，有更強(qiáng)的定向、定點(diǎn)能力，但覆蓋面積較小。

3） 點(diǎn)式。點(diǎn)式氣體探測(cè)器在生產(chǎn)裝置中也經(jīng)常使用，但只能檢測(cè)一定半徑球體范圍內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)。

4） 開路式。對(duì)于特定場(chǎng)合可以選用開路式氣體探測(cè)器，用于測(cè)量一定距離內(nèi)氣體的體積分?jǐn)?shù)。常用的開路式氣體探測(cè)器為紅外式，利用紅外輻射波段特性，即氣體只對(duì)應(yīng)吸收某種波段處的紅外光能量。由于發(fā)射的光源是恒定的，當(dāng)氣體擴(kuò)散至探測(cè)器范圍內(nèi)時(shí)，特定波段紅外光的光通量會(huì)被氣體吸收而減弱，且吸收的強(qiáng)度與氣體的體積分?jǐn)?shù)成正比。開路式氣體探測(cè)器發(fā)射端與接收端之間應(yīng)無(wú)遮擋，并且要注意發(fā)射端和接收端要對(duì)準(zhǔn)。

5） 便攜式。便攜式探測(cè)器是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)固定式氣體探測(cè)器的補(bǔ)充，可用于檢測(cè)多種氣體，且將來(lái)可與現(xiàn)場(chǎng)固定式氣體探測(cè)器實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

1.2按檢測(cè)原理分類

按照檢測(cè)原理氣體探測(cè)器可以分為催化燃燒氣體探測(cè)器，紅外氣體探測(cè)器，電化學(xué)氣體探測(cè)器，半導(dǎo)體氣體探測(cè)器，光致電離（PID）氣體探測(cè)器等。

1） 催化燃燒氣體探測(cè)器主要用于烴類可燃?xì)怏w檢測(cè)，但需注意如果氣體中含有硫、磷、硅、鉛、鹵素化合物等介質(zhì)時(shí)，應(yīng)選用抗毒性催化燃燒探測(cè)器；氫氣的檢測(cè)應(yīng)選用氫氣專用催化燃燒探測(cè)器。

2） 紅外氣體探測(cè)器可適用于缺氧或高腐蝕的場(chǎng)所。

3） 電化學(xué)或半導(dǎo)體型氣體探測(cè)器適用于硫化氫、氯氣、氨氣、丙烯腈、一氧化碳等的檢測(cè)。

4） 光致電離氣體探測(cè)器適用于苯、溴和碘、硫化氫、氨、氮氧化物、砷化氫、磷化氫等半導(dǎo)體氣體的檢測(cè)。

2可燃有毒氣體探測(cè)器的設(shè)置原則

2.1釋放源的確定

2.1.1依據(jù)規(guī)范確定的第二級(jí)釋放源位置

根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］規(guī)定，可能泄漏可燃?xì)怏w、有毒氣體的主要釋放源應(yīng)布置檢測(cè)點(diǎn)，常規(guī)的主要釋放源位置包括：氣體壓縮機(jī)和液體泵的密封處、液體采樣口和氣體采樣口、液體排液（水）口和放空口、設(shè)備和管道的法蘭和閥門組。

而且，可燃有毒氣體探測(cè)器所檢測(cè)的釋放源不是連續(xù)釋放源或第一級(jí)釋放源，通常是第二級(jí)釋放源，即正常情況下不會(huì)釋放，即使釋放也僅是偶爾短時(shí)釋放。

2.1.2依據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦的的第二級(jí)典型釋放源位置

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，滿足條件的第二級(jí)釋放源位置較多，可實(shí)施性不強(qiáng)。筆者根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)推薦如下的典型釋放源位置：

1） 動(dòng)設(shè)備，如氣體壓縮機(jī)的動(dòng)密封、泵的動(dòng)密封、裝卸棧臺(tái)等。

2） 操作頻繁的設(shè)施，如采樣口、人工排液（水）口、放空口等。

3） 工藝變工況設(shè)施，如變壓力、變溫度的管道連接處等。

4） 露天場(chǎng)所被測(cè)氣體相對(duì)分子質(zhì)量比空氣大，需在地溝、坑等低洼處設(shè)置氣體探測(cè)器，廠房?jī)?nèi)被測(cè)氣體相對(duì)分子質(zhì)量比空氣小，需在廠房頂部設(shè)置氣體探測(cè)器。

5） 根據(jù)介質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，如管道或設(shè)備內(nèi)被測(cè)介質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高，一旦泄漏會(huì)迅速達(dá)到報(bào)警設(shè)定值。

6） 其他，如爆炸危險(xiǎn)2區(qū)的分析小屋內(nèi)，控制室、機(jī)柜間、變電所的空調(diào)引風(fēng)口、電纜溝和電纜橋架進(jìn)入建筑物的入口處。

2.2氣體探測(cè)器的安裝位置

要確定氣體探測(cè)器的安裝位置，除了按2.1節(jié)確定釋放源位置，同時(shí)還應(yīng)判斷被測(cè)氣體相對(duì)分子質(zhì)量比空氣大還是小。

1） 當(dāng)被測(cè)氣體的相對(duì)分子質(zhì)量與空氣的相對(duì)分子質(zhì)量之比a<0.8，則認(rèn)為被測(cè)氣體相對(duì)分子質(zhì)量比空氣小，氣體探測(cè)器應(yīng)安裝在高出釋放源0.5～2.0m的位置上。

2） 若a＞1.2，則認(rèn)為被測(cè)氣體相對(duì)分子質(zhì)量比空氣大，氣體探測(cè)器應(yīng)安裝在高出所在地坪或樓板層面0.3～0.6m的位置上。

3） 若0.8≤a≤1.2，則認(rèn)為被測(cè)氣體相對(duì)分子質(zhì)量跟空氣接近，應(yīng)在釋放源上下1m范圍內(nèi)分別安裝氣體探測(cè)器。

2.3典型氣體的測(cè)量范圍及報(bào)警值

可燃?xì)怏w的測(cè)量范圍為0～100%爆炸下限體積分?jǐn)?shù)φLEL；有毒氣體的測(cè)量范圍為0～300%最高容許質(zhì)量濃度ρMAC或0～300%短時(shí)間接觸容許質(zhì)量濃度ρPCSTEL，當(dāng)探測(cè)器性能不滿足測(cè)量要求時(shí)，測(cè)量范圍可為0～30%直接致害質(zhì)量濃度ρIDLH。

1） 可燃?xì)怏w的一級(jí)報(bào)警值為25% φLEL，二級(jí)報(bào)警值為50% φLEL。

2） 有毒氣體的一級(jí)報(bào)警值在規(guī)范中沒有做要求，可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要設(shè)定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可設(shè)為二級(jí)報(bào)警的50%，二級(jí)報(bào)警值為100% ρMAC或100% ρPCSTEL；當(dāng)有毒氣體探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)氣調(diào)制有困難時(shí)，報(bào)警設(shè)定值可設(shè)定為不大于200% ρMAC或不大于200% ρPCSTEL；當(dāng)有毒氣體探測(cè)器的性能無(wú)法滿足測(cè)量要求時(shí)，報(bào)警設(shè)定值也可設(shè)定為10% ρIDLH值。

筆者根據(jù)文獻(xiàn)［1］、GBZ 2.1—2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值化學(xué)有害因素》［2］及文獻(xiàn)［3］中的數(shù)據(jù)歸納出常見有毒氣體的測(cè)量范圍及報(bào)警值。由于規(guī)范及手冊(cè)中的質(zhì)量濃度單位為mg/m³，而工程設(shè)計(jì)及探測(cè)器產(chǎn)品中用到的單位為μL/L，因而需要注意單位之間的換算。單位換算成體積分?jǐn)?shù)的常見有毒氣體的測(cè)量范圍及報(bào)警值見表1所列。

2.4混合氣體中探測(cè)器的設(shè)置

在石油化工裝置中，混合的可燃有毒氣體工況環(huán)境是常態(tài)，對(duì)于混合氣體的檢測(cè)，文中分三種情況進(jìn)行討論。

2.4.1兩種及兩種以上的混合可燃?xì)怏w

兩種及兩種以上的混合可燃?xì)怏w的檢測(cè)如下：

1） 由于石油化工裝置中的可燃?xì)怏w大部分為烴類，因而對(duì)于包含兩種及兩種以上的混合可燃?xì)怏w，可用催化燃燒型氣體探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)混合氣中每種可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)和爆炸下限，依據(jù)理查特利定律計(jì)算出混合氣體的爆炸下限。假設(shè)某含有2種可燃?xì)怏w的混合氣中，A氣體：φA=28%，φLELA=1.8%；B氣體：φB=72%，φLELB=2.5%，則混合氣的爆炸下限計(jì)算如下：

φLEL混合氣=1φAφLELA+φBφLELB=2.25%（1）

由于式（1）為理論計(jì)算值，氣體探測(cè)器不可能通過理論值來(lái)進(jìn)行標(biāo)定，因而實(shí)際應(yīng)用中，需計(jì)算分析混合可燃?xì)怏w，針對(duì)首先達(dá)到爆炸下限的氣體設(shè)置探測(cè)器即可。

2） 對(duì)于含有氫氣的混合可燃?xì)怏w，必須設(shè)置氫氣專用催化燃燒型氣體探測(cè)器，否則容易造成氫氣引爆。

2.4.2兩種及兩種以上的混合有毒氣體

對(duì)于包含兩種及兩種以上的混合有毒氣體，需要根據(jù)每種有毒氣體的體積分?jǐn)?shù)φi，相對(duì)分子質(zhì)量Mi，計(jì)算出其相應(yīng)的質(zhì)量濃度ρi，即：

ρi=φiMi22.4×106（2）

1）若混合氣體中只有一種氣體的質(zhì)量濃度大于最高容許質(zhì)量濃度，則只針對(duì)該氣體設(shè)置有毒氣體探測(cè)器。

2） 若兩種及兩種以上的混合有毒氣體中，每種有毒氣體的質(zhì)量濃度均大于其相應(yīng)的最高容許質(zhì)量濃度，則需要計(jì)算哪種有毒氣體先達(dá)到其相應(yīng)的最高容許質(zhì)量濃度。假設(shè)經(jīng)過式（2）計(jì)算某混合有毒氣體中有C和D兩種有毒氣體的質(zhì)量濃度分別超過了其相應(yīng)的最高容許質(zhì)量濃度，C和D兩種有毒氣體對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)分別為φC和φD。最高容許質(zhì)量濃度下有毒氣體的體積分?jǐn)?shù)為

φiMAC：φiMAC=ρiMACMi22.4×10⁶（3）

通過式（3）得出C和D氣體的最高容許質(zhì)量濃度下的氣體體積分?jǐn)?shù)φCMAC和φDMAC，則：

a) 若φCφD>φCMACφDMAC，則氣體C會(huì)先到達(dá)最高容許質(zhì)量濃度，需設(shè)置有毒氣體C探測(cè)器。

b) 若φCφD<φCMACφDMAC，則氣體D會(huì)先到達(dá)最高容許質(zhì)量濃度，需設(shè)置有毒氣體D探測(cè)器。

c) 若φCφD=φCMACφDMAC，則氣體C和D會(huì)同時(shí)到達(dá)最高容許質(zhì)量濃度，需分別設(shè)置有毒氣體C和D探測(cè)器。

2.4.3包含可燃?xì)怏w和有毒氣體的混合氣體

對(duì)于包含可燃?xì)怏w和有毒氣體的混合氣體，需要根據(jù)式（2）計(jì)算有毒氣體的質(zhì)量濃度是否可達(dá)到最高容許質(zhì)量濃度，并且判斷混合氣體中可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)是否達(dá)到了25% φLEL。結(jié)合表2設(shè)置可燃和有毒氣體探測(cè)器。

3可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置

根據(jù)文獻(xiàn)［1］和安監(jiān)總管三［2014］116號(hào)文，安全儀表系統(tǒng)（SIS）設(shè)計(jì)中，應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的GDS。

獨(dú)立的GDS是指獨(dú)立設(shè)置的可編程序控制器（PLC）、專用氣體報(bào)警控制器或以微處理器為基礎(chǔ)的其他電子產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)，其他系統(tǒng)如DCS，SIS，火災(zāi)及消防監(jiān)控系統(tǒng)等的故障不會(huì)影響GDS的運(yùn)行，GDS需按照一級(jí)負(fù)荷中的重要負(fù)荷供電。對(duì)于獨(dú)立的GDS，應(yīng)具備如下基本功能：

1） 為可燃、有毒氣體探測(cè)器供電。

2） 接收氣體探測(cè)器的輸出信號(hào)，并在系統(tǒng)中顯示報(bào)警。

3） 向消防系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)和GDS故障信號(hào)。

4） 具有獨(dú)立互不影響的報(bào)警功能，可以區(qū)分和識(shí)別報(bào)警場(chǎng)所、報(bào)警探測(cè)器位號(hào)。

5） GDS與探測(cè)器之間短路或斷路、氣體探測(cè)器故障、GDS故障的情況下，可以發(fā)出不同于可燃有毒氣體質(zhì)量濃度超限報(bào)警信號(hào)的聲光報(bào)警。

6） 具有記錄、存儲(chǔ)、顯示和歷史事件記錄功能。

4結(jié)束語(yǔ)

基于典型氣體的測(cè)量范圍和報(bào)警值的設(shè)定，探討了可燃與有毒氣體探測(cè)器的設(shè)置方式，總結(jié)了GDS的配置方案，為工程設(shè)計(jì)和企業(yè)應(yīng)用提供有力參考。