可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)的合理應(yīng)用

王以懿

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

在石化、化工及醫(yī)藥生產(chǎn)裝置中，常用的可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測器多為點(diǎn)式氣體檢測器。檢測器連續(xù)地檢測生產(chǎn)裝置或作業(yè)環(huán)境中可燃?xì)怏w和（或）有毒氣體的泄漏情況，及時發(fā)出報警，通知有關(guān)人員采取有效措施，并可根據(jù)安全要求，啟動相關(guān)設(shè)施（如排風(fēng)機(jī)、汽幕等）， 防止爆炸、火災(zāi)或人身中毒事件發(fā)生，保障生產(chǎn)和人身安全。

可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)是否能夠合理應(yīng)用，關(guān)鍵看三個方面：一是檢測方法的正確選用；二是報警系統(tǒng)的正確配置；三是檢（探）測器的合理布置和正確安裝。

1 可燃?xì)怏w檢測

1.1 檢測原理

這里的可燃?xì)怏w特指火災(zāi)危險性分類為甲類的可燃?xì)怏w,或甲、乙A 類可燃液體氣化后形成的可燃?xì)怏w。目前常用的可燃?xì)怏w檢測方法主要有催化燃燒式、熱導(dǎo)型和紅外線式三種。而催化燃燒式檢測器是目前使用最多的檢測器[1]。它的測量結(jié)果是以爆炸下限（LEL）體積百分?jǐn)?shù)表示，工作原理也相對簡單：當(dāng)可燃?xì)怏w通過惠斯頓平衡電橋回路的兩個經(jīng)過耐久處理，含有催化劑的檢測元件和補(bǔ)償元件時，兩元件中的鉑絲會加熱到同一溫度。并且在檢測元件內(nèi)催化劑的作用下，可燃?xì)怏w會在較低的濃度（爆炸下限以下）和較低的加熱溫度下也能產(chǎn)生催化燃燒反應(yīng)，使檢測元件的溫度升高，相應(yīng)的，電阻的阻值會增大，電壓上升，造成電橋不平衡，產(chǎn)生電位差，在電流表上形成弱電流。同時，經(jīng)過補(bǔ)償元件的可燃?xì)怏w經(jīng)過時，與其活性催化劑發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，使其電阻升高，以補(bǔ)償因檢測環(huán)境中溫度、濕度等的改變而引起的變化，從而保持電橋平衡，使檢測元件能保持同一特性以保證輸出電流的穩(wěn)定?？扇?xì)怏w的濃度就可以從電流表上顯示出來了，而且可燃?xì)怏w的濃度與輸出電流之間還呈線性關(guān)系[2]。

1.2 標(biāo)定原理

大部分可燃?xì)獾臐舛扰c該可燃?xì)獾娜紵裏嶂g存在相應(yīng)關(guān)系，這些可燃?xì)獾谋ㄏ孪逎舛萀EL 與其燃燒熱Q 的乘積近似等于同一常量，從表1 可以清楚看到，不同氣體在爆炸下限濃度時完全燃燒所產(chǎn)生的熱量比較接近（介于9～12 kcal 之間）。既然不同氣體的燃燒熱基本相同，那么選擇某一種由代表性的氣體作為校正其他，將待測氣體的燃燒熱與標(biāo)定氣體的燃燒熱作比較，就可以近似得出待測氣體的濃度值，因此，理論上說，用一塊表可以粗略測量多種待測氣體的濃度值[3]。但表中也可見,對于少數(shù)的幾種可燃?xì)怏w，比如：氫氣、二硫化碳、乙炔等，它們在爆炸下限濃度時完全燃燒產(chǎn)生的燃燒熱量值與9 kcal 差較遠(yuǎn)。

部分常見可燃?xì)怏w的爆炸下限濃度和燃燒熱的比較可見表1。

根據(jù)《可燃?xì)怏w檢測報警器檢定規(guī)程（JJG 693-2011）》規(guī)定，標(biāo)定氣體可采用與儀器所測氣體種類相同的氣體，若儀器未注明所測氣體種類，可以采用異丁烷或丙烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。不同氣體達(dá)到了相同的燃燒熱，即代表達(dá)到該氣體LEL 濃度，故催化燃燒式氣體檢（探）測器又被稱為LEL 檢（探）測器。因此除氫氣、二硫化碳、乙炔外，都可選用同一種可燃?xì)鈾z（探）測器。若檢測混合氣體，則按靈敏度最低的氣體設(shè)定報警值。

表1 爆炸下限濃度和燃燒熱的關(guān)系

1.3 實(shí)際應(yīng)用

以某苯乙烯裝置為例，可燃?xì)怏w組分有苯、乙烯、乙苯、甲烷、苯乙烯、甲苯和氫氣時，選用了通用的LEL 檢（探）測器，除氫氣外的氣體都可以用丙烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定，這是因?yàn)槭褂么呋紵绞綔y量的這些氣體爆炸下限濃度完全燃燒產(chǎn)生的燃燒熱量值都近似等于丙烷的燃燒熱值。而測氫氣的檢測器就只能選用專用氫氣標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)標(biāo)定。

2 有毒氣體檢測

2.1 檢測原理及標(biāo)定方法

這里的有毒氣體指在職業(yè)活動過程中通過機(jī)體接觸可引起急性或慢性有害健康的氣體，常見的有二氧化碳、硫化氫、苯、氨、氯氣、一氧化碳、氯乙烯等[4]。詳見表2。

目前常用的有毒氣體檢測方法主要有電化學(xué)式、半導(dǎo)體式和紅外線式三種，其中最為普遍、技術(shù)相對成熟、綜合指標(biāo)最好的方法就是電化學(xué)式。電化學(xué)的傳感器的構(gòu)成是：將兩個反應(yīng)電極（分別是工作電極和對電極）以及一個參比電極放在特定電解液中，然后在反應(yīng)電極之間加入足夠的電壓，使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測氣體進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，再通過儀器中的電路系統(tǒng)測量氣體電解時產(chǎn)生的電流，然后由其中的微處理器計算出氣體的濃度。

表2 常見毒物的PC-TWA、PC-STEL、MAC（mg/m3）

由于傳感器是借助于氣體本身的物理或化學(xué)性質(zhì)，通過技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為可被傳輸?shù)碾娦盘枺虼俗鳛橄鄬z測技術(shù)，檢（探）測器必須用標(biāo)準(zhǔn)濃度的氣體進(jìn)行標(biāo)定。一般采用檢（探）測器全量程的50～70%濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣（不含被測氣體或其它干擾氣的清潔空氣或氮?dú)饣旌媳粶y氣體的混合氣，其濃度和不確定度均為已知）做為標(biāo)定氣。

2.2 參數(shù)定義及關(guān)聯(lián)

表2 中，有三個參數(shù)要注意,分別是[4]：

PC-STEL：短時間接觸容許濃度(Permissible concentration-Short Term Exposure Limit，PC-STEL)，指一個工作日內(nèi)，任何一次接觸不得超過的15 min 時間加權(quán)平均的容許接觸水平。

PC-TWA：時間加權(quán)平均容許濃度（Permissible concentration-Time Weighted Average，PC-TWA），指以時間為權(quán)數(shù)規(guī)定的8 h 工作日的平均容許接觸水平。

MAC： 最 高 允 許 濃 度（Maximum Allowable Concentration，MAC），指工作地點(diǎn)在一個工作日內(nèi)任何時間均不應(yīng)超過的有毒化學(xué)物質(zhì)濃度。

對大多數(shù)物質(zhì)而言，僅有PC-TWA 或同時有PCTWA 和PC-STEL，而有些物質(zhì)只有MAC。許多有PC-TWA 的物質(zhì)尚未制定PC-STEL。然而，即使8 h TWA 未超過PC-TWA，也應(yīng)控制大于PC-TWA 的漂移上限。漂移上限適用于那些有PC-TWA，但沒有PCSTEL 的物質(zhì)。勞動者接觸水平的漂移上限在一個工作日中可以超過PC-TWA 的3 倍，總接觸時間不超過30 min。如果日TWA 濃度超過PC-TWA，PC-STEL 并不一定能保護(hù)勞動者免遭損害。PC-STEL 不是一個獨(dú)立的接觸指南，而是PC-TWA 的補(bǔ)充，補(bǔ)充那些已知的以慢性毒作用為主的物質(zhì)的急性毒害作用。

可能某些毒物要求使用MAC 而不是PC-TWA 漂移上限或PC-STEL。MAC 確定了不容許超過的接觸濃度界限，而PC-TWA 要求高于PC-TWA 的可接受的漂移上限。適用于MAC 的短時間一次采樣并不適于PCTWA；需要用足夠的樣本量來測定一項(xiàng)完整的操作周期或整個工作班的TWA。

2.3 測量范圍

根據(jù)《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范（GB50493-2009）》規(guī)定，有毒氣體的測量范圍宜為0～300%最高容許濃度或0～300%短時間接觸容許濃度，即為3 倍的MAC 或3 倍的PC-STEL。

2.4 報警值設(shè)定

根據(jù)《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范（GB50493-2009）》規(guī)定，有毒氣體的報警值宜小于或等于100%最高容許濃度/短時間接觸容許濃度，當(dāng)試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)氣調(diào)制困難時，報警設(shè)定值可為200%最高容許濃度/短時間接觸濃度以下。實(shí)際方法是當(dāng)該被測有毒氣體同時有PC-TWA 和PC-STEL 參數(shù)時，一級報警設(shè)定值可設(shè)定為該有毒氣體的PC-TWA 值，二級報警值為PC-STEL 值；當(dāng)被測氣體僅有PC-TWA 參數(shù)時，一級報警設(shè)定值可等于PC-TWA，二級報警設(shè)定值等于PC-TWA 乘以2 的值；如該氣體僅有MAC 參數(shù)，則MAC 數(shù)值即為氣體的一級報警設(shè)定值。

2.5 實(shí)際應(yīng)用

以上述苯乙烯裝置為例，該裝置的待測有毒氣體為苯，由表2 查得苯的分子量是78.11，苯的PC-TWA值和PC-STEL 值（分別為6 mg/m3和10 mg/m3）。據(jù)2.3 節(jié)所述，該檢（探）測器的測量范圍是3 倍的PCSTEL，即為10×3=30 mg/m3，所以量程選為0～39 mg/m3。而據(jù)2.4 節(jié)所述，若一級報警設(shè)定值設(shè)定為苯的PC-TWA 值，二級報警值為PC-STEL 值，則該檢（探）測器的一級報警值應(yīng)設(shè)定為6 mg/m3，二級報警值應(yīng)設(shè)定為10 mg/m3。但是在生產(chǎn)過程中，這個報警值設(shè)定得過低，容易發(fā)生誤報警，因此可按200%短時間接觸濃度（PC-STEL）來設(shè)定，即一級報警值設(shè)定為10 mg/m3，二級報警值設(shè)定為20 mg/m3。當(dāng)苯濃度達(dá)到10 mg/m3時，有毒氣體檢（探）測器便應(yīng)報警。

3 檢測方法

3.1 擴(kuò)散式

氣體的檢測方法將直接影響檢（探）測器的響應(yīng)時間。大多數(shù)情況下，可燃?xì)怏w和有毒氣體的檢測方式都是自然擴(kuò)散式，即這些氣體的檢測是采用擴(kuò)散式檢（探）測器。擴(kuò)散式是利用氣體自然向四處傳播的特性，它的優(yōu)點(diǎn)是將被測氣體直接引入，不需做物理和化學(xué)變換。但是相對的，由于擴(kuò)散過程漸趨減慢，所以要求擴(kuò)散式檢（探）測器的位置接近測量點(diǎn)。而當(dāng)受某些條件制約不適宜使用擴(kuò)散式檢（探）測器時，比如氣流和流速經(jīng)常變化；因少量泄露有可能引起嚴(yán)重后果等的情況下，可采用吸入式檢（探）測器來檢測可燃、有毒氣體。

3.2 吸入式

吸入式檢（探）測器的原理，就是在檢（探）測器中內(nèi)置泵或者外部連接一個泵，將氣體吸入到檢（探）測器中，進(jìn)行檢測，因此泵吸式采樣方式就是吸入式的一種叫法。將測量點(diǎn)的被測氣體樣本引到檢（探）測器可能經(jīng)過一段距離，距離長短的要求主要根據(jù)各家生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)。以某廠家的產(chǎn)品為例，該廠家的樣本上，某種型號的手持式多氣體檢（探）測器是內(nèi)置泵采樣，最長采樣距離10 m，就表示該檢（探）測器是吸入式的采樣方式，而檢（探）測器距離可能的泄漏點(diǎn)的位置最多不能遠(yuǎn)于10 m。

4 報警系統(tǒng)的配置

石油化工企業(yè)可燃?xì)怏w和有毒氣體的檢測，除了極個別的對象有特殊的聯(lián)動要求外，大量的應(yīng)用于報警。

可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測報警系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)裝置的規(guī)模、業(yè)主的安全管理要求、生產(chǎn)裝置的檢測點(diǎn)數(shù)量和檢測報警系統(tǒng)的技術(shù)要求，綜合考慮指示報警設(shè)備的設(shè)計方案。當(dāng)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（包括DCS 等）合并設(shè)計時，應(yīng)考慮相應(yīng)的安全措施，保證裝置生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或停用時，可燃?xì)怏w及有毒氣體檢測報警系統(tǒng)仍能保持正常工作狀態(tài)[4]?？扇?xì)怏w和有毒氣體的檢測報警系統(tǒng)的檢測與發(fā)出報警信號的功能，不應(yīng)受對應(yīng)裝置生產(chǎn)控制儀表系統(tǒng)故障的影響。指示報警設(shè)備發(fā)出報警后，只有經(jīng)過確認(rèn)并采取措施后，才能停止報警。

工藝裝置和儲運(yùn)設(shè)施現(xiàn)場固定安裝的可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)，宜采用不間斷電源（UPS）供電。

5 檢（探）測器的布置和安裝

布置檢(探)測器的檢(探)測點(diǎn)，要結(jié)合氣體的性質(zhì)、釋放源的特性、生產(chǎn)場地布置、地理?xiàng)l件等來綜合考慮,并要選擇氣體易于積累和便于采樣之處。一般在有毒氣體壓縮機(jī)和液體泵的密封處，液、氣體采樣口，催化劑儲存設(shè)備周圍以及換熱器處布置可燃、有毒氣體的檢（探）測器[4]。設(shè)在爆炸危險區(qū)域2 區(qū)范圍內(nèi)的在線分析儀表間，應(yīng)設(shè)可燃?xì)怏w檢（探）測器；控制室、機(jī)柜間、變配電所的空調(diào)引風(fēng)口、電纜溝和電纜橋架進(jìn)入建筑物的洞口處，且可燃?xì)怏w和有毒氣體有可能進(jìn)入時，宜設(shè)置檢（探）測器。仍以上述苯乙烯裝置為例，該裝置在儀表機(jī)柜間的新風(fēng)進(jìn)口處和分析小屋均設(shè)有可燃?xì)怏w和有毒氣體的檢測點(diǎn)，在氣體壓縮機(jī)和液體泵密封處也是如此。

5.1 檢（探）測器的布置原則

在工藝裝置中，當(dāng)釋放源處于封閉、通風(fēng)不良的廠房里，可每隔15 m 設(shè)一臺檢（探）測器，且可燃?xì)怏w和有毒氣體的檢（探）測器到其所覆蓋的任一釋放源的距離分別不宜大于7.5 m 和1 m。此時如果被測氣體比空氣輕（將空氣的密度0.97 kg/m3作為參比，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下相對氣體密度大于0.97 kg/m3的即認(rèn)為比空氣重,反之則是比空氣輕），則除了應(yīng)在釋放源上方設(shè)置檢（探）測器外，還應(yīng)在廠房內(nèi)最高點(diǎn)，氣體易于聚集處設(shè)置檢（探）測器。

而當(dāng)釋放源處于露天或敞開式廠房布置的區(qū)域內(nèi)，則要根據(jù)檢（探）測點(diǎn)與釋放源的相對位置來區(qū)別布置：

（1）當(dāng)檢（探）測點(diǎn)位于釋放源的上風(fēng)側(cè)時，可燃?xì)怏w和有毒氣體檢（探）測點(diǎn)與釋放源的距離分別不宜大于15 m 和2 m；

（2）當(dāng)檢（探）測點(diǎn)位于釋放源的下風(fēng)側(cè)時，可燃?xì)怏w和有毒檢（探）測點(diǎn)與釋放源的距離分別不宜大于5 m 和1 m[4]。

5.2 固定式檢（探）測器的安裝

檢測比空氣重的可燃?xì)怏w或有毒氣體時檢測器的安裝高度應(yīng)高出地坪或樓板0.3～0.6 m[5]。檢測比空氣輕的可燃?xì)怏w或有毒氣體時，檢測器可以安裝在高于釋放源1～2 m 處，或安裝于上部易積聚可燃?xì)怏w或有毒氣體處。當(dāng)檢測與空氣分子量接近且極易與空氣混合的有毒氣體時，檢（探）測器的安裝高度應(yīng)與現(xiàn)場操作人員的呼吸高度相近，距地面1.5 m 左右[5]。

6 結(jié)束語

綜上所述，唯有根據(jù)被測氣體的特性選擇檢測方法和確定檢測器的安裝位置，合理布置以及嚴(yán)格保證可燃?xì)怏w和有毒氣體系統(tǒng)報警的有效性，才能稱得上是合理應(yīng)用了可燃?xì)怏w和有毒氣體的檢測報警系統(tǒng)，以達(dá)到保證人員和裝置安全的目的。

[1] 陸國平.催化燃燒與紅外吸收原理可燃?xì)怏w探測器探討[J].化工與醫(yī)藥工程, 2014, 35(3):61-64.

[2] 馮偉.簡述使用異丁烷校正一般可燃?xì)怏w檢測儀.http://wenku.baidu.com

[3] 潘路，李選民，歐陽曉東.可燃?xì)怏w檢測儀的校正系數(shù)及其應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保, 2005, 31(3).

[4] GB50493-2009 石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 中石化上海工程有限公司.工程自動化設(shè)計應(yīng)用手冊[M].上海：國際科教出版社, 2004, 583-588.