危險氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設計探討

劉存玉

（淄博職業(yè)學院制藥與生物工程系，山東淄博，255314）

在許多化工、制藥等生產(chǎn)或經(jīng)營企業(yè)，存在有毒有害，或易燃易爆的危險氣體。在這些場所，危險氣體的泄漏是客觀存在的潛在安全隱患。因此，有必要在有關裝置安裝危險氣體泄漏檢測系統(tǒng)。對給定的工藝裝置，需要安裝的檢測器數(shù)量和位置決定于許多因素，設計時一般要從以下幾個方面進行。

1 確定需要檢測的氣體

國家和地方有關法規(guī)、消防和建筑規(guī)范，以及工業(yè)安全標準等都對在某些類型的裝置和設施安裝氣體檢測器有具體要求［1］。但這些法規(guī)和規(guī)范僅覆蓋一少部分應檢測氣體，大多數(shù)情況還必須使用其他指標來確定哪些氣體和設備的哪些部位需要監(jiān)測。其中需考慮的最重要因素是氣體的實際危害，即毒性或爆炸性危險。

對有毒氣體，應當以LC50（半數(shù)致死濃度）、STEL（短期暴露濃度限值）、最高容許濃度，以及IDLH（立即危害生命健康濃度）為基礎進行危險性評價，氣態(tài)物質(zhì)的生理性警示性質(zhì)（如嗅覺閾值）也應考慮。特別是允許暴露濃度限值低于其嗅覺閾值的物質(zhì)（如砷化氫）危險性更大，因為人們無法在其泄露達到危害濃度之前感知其存在。注意，無論暴露限值還是警示濃度都只是實驗測定的平均值，對不同人群會有差異，因此基于這些數(shù)據(jù)設計檢測系統(tǒng)時，必須留出較大裕量［2］。

易燃或可燃氣體的主要危害是其泄漏或濺出所導致的爆炸危險，氣體的閃點或爆炸下限越低，越應對其進行檢測。對閃點低于室溫的易燃可燃物質(zhì)，都應安裝泄漏檢測裝置，因為其泄漏后能立刻氣化，并可與空氣形成爆炸性混合物。注意有些可燃氣體同時也是有毒氣體，其允許暴露濃度低于爆炸下限，例如甲醇的短期暴露濃度限值約為250ppm，遠低于其6%（即6000ppm）的爆炸下限。在有人員出現(xiàn)的可能泄漏區(qū)域，一般應把它們主要作為毒害性物質(zhì)，而不是爆炸性物質(zhì)進行評價。

在有些情形，對不燃性或無毒氣體（如氮氣）甚至也要進行檢測，特別是當這些氣體有可能泄漏進入封閉性區(qū)域時，因為這類泄漏能增加缺氧危險，可造成現(xiàn)場人員窒息。

2 識別潛在危險點

潛在危險點可分為兩大類：

（1）泄漏點，就是危險氣體能泄漏出的位置。

（2）受體點，即危險氣體能對人員、財產(chǎn)或設備造成威脅的位置。

盡管大多數(shù)裝置具有眾多泄漏點和受體點，但這兩大類危險點并不總是處于同一場所。例如，潛在泄漏點可能位于臨近的工廠。

對泄漏點的識別，需查閱所有危險區(qū)域分類圖、工藝安全管理和風險管理平面圖等資料。利用這些資料，設計者應仔細評價工廠的氣體存放和貯存區(qū)，以及氣體分配、加工、通風和廢氣處理系統(tǒng)。對通過汽車、火車槽罐或鋼瓶等承運的氣體和高蒸氣壓液體的所有運輸路線也應包括在評價范圍內(nèi)。

一般來說，氣體檢測器的安裝位置應靠近潛在泄漏點。常見泄漏點有泵和壓縮機密封和法蘭、膨脹節(jié)、墊片、壓縮固件、焊接不良點、裝卸區(qū)、液體和氣體存放區(qū)、取樣點、徑流區(qū)（如污水井、含油廢水處理區(qū)）、管路分配岐管（如閥門岐管箱）等。

在對人員造成損害或傷害可能性大的位置，即使附近無具體泄漏點，也應進行檢測。這些位置包括氣體可能蓄積的區(qū)域（如地下電纜室），以及任何貯存、處理、運輸或加工高毒或高度易燃可燃氣體的區(qū)域。

受體點的識別應當從審閱裝置布局圖或平面布置圖開始，對人員流動或定期聚集可能性大的區(qū)域（包括疏散和出口路線）要加以注意。

用于檢測受體點的氣體檢測器應安裝在泄漏點和受體點之間。常見受體點包括分析儀器遮護亭、有工作人員的設施、開關裝置保護箱、內(nèi)燃機遮護亭、封閉空間、附近社區(qū)和設施等。

3 建立設計目標

工藝裝置的潛在危險點識別之后，下一步必須確定檢測系統(tǒng)應當具有怎樣的響應程度。通常，氣體檢測系統(tǒng)的啟動響應按嚴重程度分如下等級：

（1）告知或通知；

（2）啟動排風控制；

（3）工藝停車；

（4）疏散和緊急響應。

檢測器安裝數(shù)量一般根據(jù)響應等級確定，而響應等級決定于潛在泄漏的危險性，以及人所能夠達到或想要達到的干預程度。

對有毒氣體，短期暴露濃度限值、最高容許濃度等毒性指標是決定氣體泄漏危險性的關鍵因素。然而，還要考慮其他物質(zhì)以及任何可能的副反應產(chǎn)物的存在。例如，在足夠濕度下，三氟化硼水合生成氟化氫，后者危害性比前者稍小。而在有些情況，副反應產(chǎn)物反而比泄漏氣體毒性更高。

在安裝有貴重設備或裝置的場所，還應考慮泄漏氣體的化學性質(zhì)。高度反應性氣體（如氟和氟化氫）不但能造成人身傷害，還會造成財產(chǎn)的嚴重損失，因為它們能迅速與其接觸的任何表面發(fā)生反應。一般要使這些氣體的檢測點盡可能靠近泄漏點。

有時對要檢測的某些氣體的特性不理解或了解甚少（例如在半導體工業(yè)常常有新的工藝氣體出現(xiàn)），則設計時應盡可能保守一些。

易燃可燃氣體泄漏危害一般來自其引起的火災或爆炸，而不是泄漏本身。泄漏氣體的濃度達到LEL，并且有點火源存在，就可能引起著火或爆炸。即時點火一般能引起著火，而延遲點火由于能使燃料－空氣混合氣團生成，往往能引起所謂的蒸氣云爆炸。

由于蒸氣云爆炸比著火造成的破壞范圍更廣，因此爆炸的潛在損失就是衡量易燃－可燃氣體泄漏危險性的一個重要指標。以下四個因素決定蒸氣云爆炸的潛在破壞性：

（1）封閉程度。一般來說，在封閉區(qū)的爆炸比非封閉區(qū)的爆炸產(chǎn)生更高的過壓，因此破壞性更大。

（2）加速距離?；鹧媲把丶铀倬嚯x或面積越大，引起的破壞性越大。實驗證明，要達到破壞性速度，火焰前沿需要的加速距離約為5.5m。這也為在危險區(qū)域安裝檢測器的間距和位置提供了額外參考依據(jù)。

（3）擁擠程度或障礙物數(shù)量。小的障礙物如管子、鋼件、結構鋼、工藝設備等能促進燃燒蒸氣云內(nèi)的湍流，從而使爆炸引起的過壓增加，也因之使破壞力增加。注意，爆炸還能將這樣的障礙物轉變?yōu)轭愃朴诹聆睆椘惋w彈的拋射體，進一步對人員和設備造成威脅。

（4）燃料數(shù)量和混合程度。燃料越多、與空氣混合的越好，火焰前沿造成的破壞力越大。

設計時應考慮報警系統(tǒng)響應不及時的可能后果、誤報警成本，以及有無操作人員監(jiān)視儀表。在快速響應很關鍵但誤報警成本高的場合，許多采用在“圈定區(qū)域”安裝多個監(jiān)測器的布局，并預先設定一組監(jiān)測器必須全部響應；或者采用“表決”布局，其中一組監(jiān)測器中的三分之二必須有響應。在人為干預不能企及的遠距離裝置中，常通過安裝多重監(jiān)測器來獲得充分冗余。

4 確定氣體監(jiān)測器的安裝位置和數(shù)目

上述幾個步驟為如何大體確定監(jiān)測器的安裝數(shù)量和位置提供了方向，再通過對被監(jiān)測物質(zhì)物理特性的評價就可對初步設計加以細化。

蒸氣密度是確定氣體傳感器安裝位置的關鍵指標。比空氣重的氣體，包括高蒸氣壓液體的蒸氣，趨于下沉并沿地面流動，并常在坑和溝槽這樣的低洼處聚集而不易擴散。所以與輕于空氣的氣體相比，應將更多的感應器安裝在非封閉區(qū)域來檢測這些物質(zhì)。

用于檢測比空氣重的氣體的感應器，應安裝在近地面位置，一般在地面以上0.5－0.7m，或安裝在氣體可能聚集的低洼處。相反，用于比空氣輕的氣體的感應器通常應安裝在危險點上方。

在封閉裝置中，一般將用于低密度氣體的感應器安在頂部或天花板上。對和空氣同密度的氣體，通常將感應器安裝在處于或接近于人呼吸的高度。

當檢測缺氧情況時，應考慮能對空氣產(chǎn)生置換的氣體的密度。例如，在氦氣鋼瓶貯藏室，安裝在接近天花板位置的氧感應器會首先檢測到泄漏的發(fā)生（氦氣上升把天花板附近的氧氣“擠出”）。

當評價蒸氣密度時，不應忽略泄漏溫度。液化的比空氣輕的氣體，如液化天然氣，在剛剛濺出時的表現(xiàn)通常類似于比空氣重的氣體，但很快隨著蒸氣的被稀釋和溫度的升高而開始上升。與此類似，有些被加熱了的比空氣重的氣體，如硫化氫，剛泄漏時將上升，但當冷卻下來密度變得比空氣大時就開始下沉。

通風和空氣流的存在也會影響檢測器的安裝位置，對密度和空氣類似的氣體尤其如此。例如，如果在廠房內(nèi)有強的空氣流，那么對比空氣輕的氣體的檢測，將感應器放在排氣管出口位置比放在天花板位置更好。貯存和泄漏方式也會影響按蒸氣密度確定的檢測器布局。

液化氣體和高蒸氣壓液體一般以溢出或噴瀉的方式泄漏，隨后開始蒸發(fā)。蒸發(fā)速率與積液的表面積、液體的沸點或蒸氣壓，以及從地面和環(huán)境傳遞的熱量成正比。

一般情況下，蒸發(fā)速率越慢或蒸氣越濃，就越應將感應器安裝在靠近液體蓄積位置。同時，蒸發(fā)速率增加越快，就越要考慮主導空氣或通風氣流的影響。

加壓貯存或運輸?shù)臍怏w是以氣體（或氣－液兩相）噴射的形式泄漏的。如果泄漏點或方向可以預測，則通常將檢測器放置在射流路徑上。否則，就應把檢測器要么置于危險點周圍多個地點，要么置于氣體泄漏出來后很可能經(jīng)過或沉積/降的區(qū)域（而且還要考慮主導氣流或通風氣流的影響）。

應當注意，比空氣輕的氣體剛剛泄漏出來常常是下沉的，原因在于噴射氣流中有氣溶膠存在，而且氣體在壓力下降時溫度也降低。多數(shù)噴射出的氣體會和周圍空氣發(fā)生相當程度的混合，并在開放空間距泄漏點不遠處就能擴散到危險濃度以下。然而，長時間泄漏或在封閉、半封閉區(qū)域的泄漏仍會對安全造成嚴重威脅。

盡管室內(nèi)泄漏常比室外泄漏更危險，但其行為卻更易預測。研究表明，在無排風房間，氣體能很快在泄漏點上方（或下方）達到均勻濃度。對室內(nèi)泄漏，檢測器的安裝位置可主要依據(jù)蒸氣密度和泄漏方式確定。注意，當在天花板附近有溫度很高的空氣時，就有可能出現(xiàn)一定程度的熱分層現(xiàn)象。溫暖、低密度的空氣可降低氣體向頂部的移動速度。

考慮機械通風的影響也很重要。在通風速率相當快的地方，例如等級100以上的潔凈房間，安裝在風筒上的傳感器常能提供廠房、機房或操作間內(nèi)空氣的最真實狀況。

有些情況必須將傳感器安裝在數(shù)個通風管中，因為通風系統(tǒng)設計規(guī)范要求考慮氣體密度，例如在存在輕重氣體混合物的地方，要求通風系統(tǒng)必須能將處于高低位置的氣體都能捕集到。

在通風速率較低的情況，應進行煙霧研究以便明確傳感器確實能“看見”氣體的泄漏，方法是將一股煙霧或其他易于看見的氣體噴出，然后觀察其在空氣主流中的表現(xiàn)。

若通風管相互連接，且潛在泄漏點處于“上游”，或者空氣是從外面靠近可能的泄漏點位置抽進來的，則有必要在空氣進口管或其附近安裝一個傳感器。有些情況，如處理高毒氣體時，為增加安全保障，還應檢測呼吸區(qū)（在處于人呼吸高度的位置安裝檢測器）。

檢測室外泄漏要復雜的多，因為在室外影響氣體行為的變量比在室內(nèi)多得多。有眾多擴散模型可幫助設計者預測泄漏氣體卷流的大小、形狀和濃度［3］。在空氣擴散模型中，除包括氣體性質(zhì)和泄漏動力學外，一般還包括表面粗糙度等數(shù)據(jù)。氣體在水面、覆蓋面和草地上方的傳播速度比在城市、森林和工業(yè)聯(lián)合體內(nèi)的傳播速度要快。氣象因素也有影響，因為在風和日麗的下午氣體擴散最快，而在天晴風輕的夜晚氣體擴散最慢。

對室外氣體傳感器的安裝，一般應保證在所有正常泄漏情形，總有大于檢測極限的泄漏氣體經(jīng)過檢測器。檢測器的檢測極限一般是信噪比的三倍。

還應注意，由建筑物、工藝容器、管道陣列等產(chǎn)生的地形特征會顯著改變泄漏氣體的預測行為，因為大多數(shù)擴散模型是假定具有平坦表面。例如，“峽谷”（即兩個大構筑物之間的區(qū)域）就趨于使氣體卷流的濃度增加。相反，泄漏點下游的障礙物則趨向于通過增加湍流使氣體卷流被稀釋。

5 結語

氣體檢測系統(tǒng)能為危險氣體的泄漏提供早期報警，因此是保證安全的第一個屏障，正確的設計和布局是系統(tǒng)發(fā)揮效能的關鍵所在。氣體檢測系統(tǒng)設計不但要解決感應器安裝數(shù)量和位置問題，還要解決如何用其提供的真實時效數(shù)據(jù)來改善工廠總體安全狀況問題。只有這樣，才能使監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮最大效用。

［1］馮肇瑞，楊有啟.化工安全技術手冊.［M］：北京：化學工業(yè)出版社，1993：5－12.

［2］Shelley，S A：Policing air toxics［J］.Chemical Engineering，1991.11：30～32.

［3］Guidelines for Use of Vapor Cloud Dispersion Models，Center for Chemical Process Safety，New York，N.Y.，1996：2－6.