采用智能傳感技術(shù)的下一代氣體檢測(cè)儀表ULTIMA X5000

施曉東，馬云鸝

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459；2.梅思安（中國）安全設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

一直以來，工程師們致力于使用多樣化的氣體檢測(cè)技術(shù)確保油氣生產(chǎn)、煉制、儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)中的安全等級(jí)，最大限度保護(hù)人員、設(shè)備和設(shè)施的安全，如果氣體檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障，其結(jié)果可能是災(zāi)難性的。設(shè)計(jì)和使用安全、高性能的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，能確保較長使用周期內(nèi)可靠運(yùn)行，并準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，從而最大限度地避免誤報(bào)警、誤停車等事件的頻繁發(fā)生。

圖1 濕度變化對(duì)硫化氫氣體傳感器的性能影響Fig.1 H2S detection performance impact from humidity fluctuation

1 傳統(tǒng)氣體檢測(cè)技術(shù)存在的問題和潛在風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)技術(shù)包括催化燃燒原理和電化學(xué)原理，也是目前使用數(shù)量占比最大的兩種氣體檢測(cè)技術(shù)。基于這兩種檢測(cè)技術(shù)的傳感器，由于技術(shù)成熟、制作工藝簡單、成本低，因而被廣泛應(yīng)用。在石油化工天然氣這類高危行業(yè)，一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故，其后果將非常嚴(yán)重，有必要對(duì)這類行業(yè)中的傳感器技術(shù)進(jìn)行深入研究，力求將各種不利因素的影響降至最低。

誤報(bào)警是目前石油化工天然氣行業(yè)氣體檢測(cè)儀表遇到的比較多的問題，給使用單位帶來很多困擾。誤報(bào)警可能會(huì)導(dǎo)致部分裝置停車，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致工廠減產(chǎn)停產(chǎn)，并消耗大量的時(shí)間和人力進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)與處置，對(duì)安全生產(chǎn)的影響非常大。誤報(bào)警的誘發(fā)原因比較多，部分來自儀表本身的器件性能和質(zhì)量，以及設(shè)計(jì)方面的因素[1]。從功能安全范疇來說，誤報(bào)警屬于安全失效，其表達(dá)式為λS，一般可通過FEMDA 分析得到。檢測(cè)儀表所用器件質(zhì)量越高，整體設(shè)計(jì)和檢測(cè)功能越完善，λS越小，儀表就不太容易發(fā)生誤報(bào)警[2]。

除了儀表本身的器件質(zhì)量與設(shè)計(jì)因素，外界環(huán)境因素不可忽視。氣體傳感器的核心器件，特別是采用電化學(xué)原理的傳感器，內(nèi)部采用不同成分的電解液，非常容易受到諸如溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。其中，濕度對(duì)于電化學(xué)傳感器的性能參數(shù)影響較大，在不同等級(jí)的濕度環(huán)境中，或濕度呈周期性變化的作業(yè)環(huán)境中，有毒氣體的濃度檢測(cè)示值表現(xiàn)出明顯差異[3]。部分海上作業(yè)平臺(tái)，其環(huán)境濕度較大（＞90%），且持續(xù)時(shí)間長，容易引發(fā)誤報(bào)警，甚至觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作，造成不必要的損失。圖1 顯示了硫化氫（H2S）氣體檢測(cè)性能如何受到環(huán)境因素的影響，實(shí)驗(yàn)周期為630天，應(yīng)用濃度值為60ppm，樣本數(shù)量為64 臺(tái)，顯示結(jié)果為該樣本均值。

圖2 自動(dòng)脈沖檢測(cè)技術(shù)工作原理Fig.2 Pulse check technology demonstration

如圖1 所示，隨著環(huán)境濕度在10%～90%之間周期性變化，H2S 濃度示值亦呈現(xiàn)周期性變化，而且與濕度有比較明顯的正相關(guān)性。典型地，當(dāng)環(huán)境濕度為90%時(shí)，H2S濃度測(cè)量最大偏差為23.3%。

標(biāo)定周期也是廣大最終用戶普遍關(guān)心的問題。對(duì)于氣體檢測(cè)儀表來說，標(biāo)定周期是指兩次必要的標(biāo)定活動(dòng)之間的最長間隔。在不考慮國家相關(guān)法律法規(guī)要求時(shí)，目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)品牌的傳感器，其最大允許的標(biāo)定周期在6 ～12 個(gè)月之間。標(biāo)定周期越短，意味著整體運(yùn)行維護(hù)成本會(huì)大大增加，包括但不限于標(biāo)定活動(dòng)需要的標(biāo)定工具、氣瓶等備件的采購，存放和報(bào)廢處置成本，以及相關(guān)的資質(zhì)要求、人員安排等。

即使按照3 ～6 個(gè)月的標(biāo)定周期，如何確保在兩次標(biāo)定之間的時(shí)間段內(nèi)，傳感器仍處于有效工作狀態(tài)，也是長期以來困擾很多用戶的問題。目前，國家權(quán)威部門已經(jīng)取消了運(yùn)行維護(hù)階段的關(guān)于強(qiáng)制檢定的規(guī)定。對(duì)于用戶來說，如何確保氣體檢測(cè)儀表在兩次標(biāo)定周期間隔里安全、可靠地運(yùn)行，以及在性能指標(biāo)合規(guī)的前提下，是否能夠延長儀表的標(biāo)定周期，是同時(shí)關(guān)乎到經(jīng)濟(jì)利益和安全性的問題。

2 創(chuàng)新技術(shù)助力氣體檢測(cè)儀表具備更高等級(jí)安全性

智能傳感（TruCal）是MSA 公司最新研發(fā)的氣體傳感技術(shù)[4]，該創(chuàng)新技術(shù)經(jīng)過數(shù)年研發(fā)和性能驗(yàn)證，能夠有效減除誤報(bào)警，并較好地解決標(biāo)定周期中如何平衡運(yùn)維成本和安全性的問題。

1）自動(dòng)脈沖檢測(cè)

自動(dòng)脈沖檢測(cè)是智能傳感技術(shù)的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)其他更多特性的基礎(chǔ)，其工作原理如下：

圖3 環(huán)境自動(dòng)補(bǔ)償優(yōu)化Fig.3 Automatic environment compensation

◇ 傳感器內(nèi)部定時(shí)觸發(fā)電流脈沖，用于模擬一次真實(shí)氣體的標(biāo)定。

◇ 傳感器對(duì)模擬電流脈沖實(shí)時(shí)響應(yīng)。

◇ 內(nèi)置算法邏輯捕獲此響應(yīng)行為，與上一次正確標(biāo)定的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

◇ 根據(jù)比對(duì)結(jié)果，決定是否應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)充和優(yōu)化。

◇ 該過程持續(xù)1s，每天執(zhí)行4 次。

◇ 模擬信號(hào)的輸出，不受此過程的影響。

假設(shè)用戶標(biāo)定其氣體檢測(cè)儀表的周期為90 天，在這段時(shí)間內(nèi)，用戶無法得知傳感器是否處于“呆死”或“沉睡”狀態(tài)，除非等到下一次標(biāo)定失敗。自動(dòng)脈沖檢測(cè)最重要的價(jià)值在于該技術(shù)可以確保在標(biāo)定周期內(nèi)，用戶所使用的檢測(cè)儀表或傳感元件的檢測(cè)功能始終正常。

2）環(huán)境自動(dòng)補(bǔ)償優(yōu)化

借助自動(dòng)脈沖檢測(cè)技術(shù)，電化學(xué)傳感器（一般用于檢測(cè)毒性氣體）還可以自行補(bǔ)償由于環(huán)境因素帶來的不利影響。如果儀表需要標(biāo)定，則及時(shí)通知用戶，此時(shí)綠色LED燈將會(huì)緩慢閃爍，還可以通過藍(lán)牙無線通訊遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)告知用戶；如果檢測(cè)到傳感器存在嚴(yán)重問題，無法繼續(xù)檢測(cè)或壽命即將終結(jié)，儀表將自行進(jìn)入故障模式，并實(shí)時(shí)給用戶發(fā)出警告。

還是以硫化氫（H2S）氣體檢測(cè)的環(huán)境因素影響實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)周期為630 天，應(yīng)用濃度值為60ppm，樣本數(shù)量為64 臺(tái)，顯示結(jié)果為該樣本均值。不同的是，新的64 臺(tái)氣體探測(cè)器樣本均具備環(huán)境自動(dòng)補(bǔ)償優(yōu)化功能，能夠根據(jù)環(huán)境濕度的周期性變化進(jìn)行性能補(bǔ)償，最終呈現(xiàn)出來的檢測(cè)示值與真實(shí)濃度非常接近。

如圖3 所示，這批具有自動(dòng)補(bǔ)償優(yōu)化功能的氣體探測(cè)器，在不進(jìn)行真實(shí)氣體標(biāo)定的前提下，即使連續(xù)工作于不利工況環(huán)境18 個(gè)月左右，H2S 濃度測(cè)量最大偏差僅為8.3%。

圖4 智能通路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Fig.4 Smart diffusion monitoring

3）智能通路監(jiān)測(cè)

智能通路監(jiān)測(cè)技術(shù)，用于確保氣體檢測(cè)儀表的氣體擴(kuò)散通路一直處于暢通狀態(tài)。如果氣體擴(kuò)散通路被阻塞，傳感器的檢測(cè)性能將不同程度地受到影響，阻塞嚴(yán)重時(shí)，即使傳感器的性能指標(biāo)非常優(yōu)秀，氣體檢測(cè)儀表也將無法檢測(cè)到氣體泄漏。原因很簡單，檢測(cè)儀表本身并不知道其氣體擴(kuò)散通路是否被阻塞。智能通路監(jiān)測(cè)的工作原理如圖4所示。

目前，諸如膠帶、冰、樹葉、鹽、保鮮膜、糖汁、灰塵、泥垢、沙、石膏、顏料等超過20 種物質(zhì)已經(jīng)過模擬性能驗(yàn)證，效果良好。

3 MSA下一代智能氣體探測(cè)器ULTIMA X5000

ULTIMA X5000 系列氣體探測(cè)器是MSA 公司最新推出的智能型固定式氣體探測(cè)器，用于在線檢測(cè)可燃性氣體、有毒氣體及氧氣（O2）的濃度。該產(chǎn)品采用智能檢測(cè)技術(shù)，確保卓越的檢測(cè)性能和長期穩(wěn)定性，適用于SIL2 安全完整性等級(jí)應(yīng)用。雙傳感器設(shè)計(jì)、藍(lán)牙無線技術(shù)和極具人性化的人機(jī)交互界面，賦予了該產(chǎn)品最大程度的應(yīng)用靈活性，操作維護(hù)也更加便捷。ULTIMA X5000 與現(xiàn)有UltimaX 系列產(chǎn)品具有完全相同的安裝設(shè)計(jì)參數(shù)，極大地方便了安裝利舊和產(chǎn)品升級(jí)換代。

ULTIMA X5000 主要技術(shù)特點(diǎn)[4]：

1）統(tǒng)一平臺(tái)，集成電化學(xué)/催化燃燒/紅外吸收/金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）等多種檢測(cè)技術(shù)。

2）創(chuàng)新雙探頭設(shè)計(jì)，靈活組合應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用需要，更低的總體部署和維護(hù)成本。

3）智能檢測(cè)技術(shù)，確保儀表時(shí)刻處于有效狀態(tài)；探頭性能持續(xù)優(yōu)化，長期運(yùn)行穩(wěn)定無漂移。

4）更長的有效壽命：催化燃燒傳感器大于60 個(gè)月，電化學(xué)/MOS/紅外傳感器大于48 個(gè)月。

圖5 ULTIMA X5000產(chǎn)品示意圖Fig.5 ULTIMA X5000 Product

圖6 可燃及有毒氣體探測(cè)器安裝平面圖Fig.6 Gas detector installation layout

5）標(biāo)定周期最長可達(dá)18 個(gè)月（H2S 和CO 傳感器），幫助用戶優(yōu)化維護(hù)成本。

6）更加人性化的操作界面，包括觸摸屏設(shè)計(jì)、高亮OLED 顯示，以及省電模式。

4 ULTIMA X5000在海上作業(yè)平臺(tái)中的應(yīng)用

MSA ULTIMA X5000 智能氣體探測(cè)器已應(yīng)用于某海上作業(yè)平臺(tái)（鉆機(jī)模塊），該作業(yè)平臺(tái)位于渤海遼東灣海域，冬季有海冰覆蓋，作業(yè)環(huán)境所處區(qū)域常年濕度偏高，且鹽度高。

鉆機(jī)模塊的FGS/ESD 系統(tǒng)采用小型可編程控制器（PLC）產(chǎn)品，PLC 具有較高的安全性與應(yīng)用能力。上位機(jī)使用盤裝PC 來實(shí)現(xiàn)程序編制、系統(tǒng)配置、報(bào)警監(jiān)視、操作及文檔管理等工作。除此以外，還包括火氣系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控盤（位于司鉆房，由鉆工監(jiān)視火氣狀態(tài)和確認(rèn)報(bào)警），以及位于現(xiàn)場(chǎng)的火氣探測(cè)設(shè)備。

表1 平臺(tái)作業(yè)區(qū)域溫濕度及鹽度情況Table 1 Temperature, humidity and salinity condition

圖7 ULTIMA X5000現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.7 ULTIMA X5000 Installation in field

火氣探測(cè)設(shè)備是海上平臺(tái)火氣監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，是保護(hù)人身安全和保證油氣生產(chǎn)及國家能源免受嚴(yán)重?fù)p失的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)場(chǎng)探頭安裝在可能發(fā)生火災(zāi)或可燃性氣體及有毒氣體等危險(xiǎn)氣體泄漏的位置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)及氣體泄漏事故。

振動(dòng)篩是鉆井液凈化系統(tǒng)之一，作用是將鉆井液中比較大的巖屑分離出來。由于鉆井液全部在振動(dòng)篩凈化，因而地層中的可燃性氣體及H2S 會(huì)隨著鉆井液在此處釋放和擴(kuò)散，所以對(duì)振動(dòng)篩區(qū)域的氣體探測(cè)變得尤為重要。此區(qū)域最初設(shè)計(jì)的GM 公司H2S 檢測(cè)儀表S4000TH 以及可燃?xì)怏w探測(cè)器IR2100，由于已過服役年限，升級(jí)成MSA ULTIMA X5000 硫化氫可燃?xì)舛弦惶綔y(cè)器，安裝位置在振動(dòng)篩正上方，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該區(qū)域可能出現(xiàn)的H2S 以及可燃性氣體。

ULTIMA X5000 硫化氫可燃?xì)舛弦惶綔y(cè)器通過按照三線制方式進(jìn)行電氣連接，被檢測(cè)氣體濃度值會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)探頭LCD 屏進(jìn)行就地顯示，并通過硬接線將4mA ～20mA 電流信號(hào)傳送至控制柜的PLC 系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)通過人機(jī)接口傳送至控制柜HMI 對(duì)濃度值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)集成的盤裝人機(jī)界面（HMI）可以方便地對(duì)整個(gè)鉆機(jī)模塊上的火氣系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和操作，操作畫面包括：總貌畫面、探頭平面布置畫面（包括報(bào)警）、可尋址探頭回路圖、報(bào)警記錄畫面、歷史報(bào)警畫面、探頭BYPASS 畫面、火區(qū)BYPASS狀態(tài)畫面、消防系統(tǒng)狀態(tài)畫面、CO2系統(tǒng)狀態(tài)畫面、綜合報(bào)警畫面等。

當(dāng)探頭探測(cè)區(qū)域濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)柜會(huì)產(chǎn)生聲光報(bào)警，并向CEP 平臺(tái)中控傳送報(bào)警信號(hào)，同時(shí)平臺(tái)狀態(tài)燈會(huì)顯示黃色即可燃?xì)庑孤﹫?bào)警狀態(tài)，提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員有害氣體濃度情況，達(dá)到提前預(yù)警的目的，具有較好的實(shí)用性。MSA ULTIMA X5000 硫化氫可燃?xì)舛弦惶筋^在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試后，已穩(wěn)定運(yùn)行半年以上，經(jīng)綜合評(píng)估，使用效果良好，滿足平臺(tái)火氣系統(tǒng)的功能和性能要求。

5 結(jié)束語

智能傳感技術(shù)能夠最大限度地抑制外界環(huán)境不利因素對(duì)氣體傳感器的性能影響，對(duì)于減除誤報(bào)警具有非常重要的作用，并能夠在確保安全的前提下，延長標(biāo)定周期，幫助客戶破解經(jīng)濟(jì)效益與事故風(fēng)險(xiǎn)之間的難題；同時(shí)，對(duì)于保護(hù)人員、設(shè)備和設(shè)施安全起到真正可靠的安全防護(hù)作用。