可燃氣體探頭報警值的影響因素與正確設置研究

員文權

(上海翊員科技有限公司，上海 201600)

1 可燃氣體探頭相關事故案例

1.1 事故描述

國外一家原料藥工廠的工藝尾氣與局部引風系統(tǒng)尾氣混合后經過一級酸洗滌塔與兩級堿洗滌塔進入蓄熱式焚燒爐(RTO)處理后排放，其尾氣處理工藝示意圖如圖1所示。

圖1 尾氣處理工藝示意圖

2006年，在工廠的尾氣處理系統(tǒng)RTO上游聚丙烯管道(防靜電型)發(fā)生爆炸。事故導致上游一級酸洗塔及二級堿洗塔嚴重受損，而且車間局部引風系統(tǒng)與尾氣總管連接處局部受損。

1.2 事故原因分析

工廠通過事故調查發(fā)現(xiàn)以下三個關鍵原因：

1）尾氣管道上的可燃氣體探頭(氫火焰離子化檢測器-FID)未檢測到異常工況，也并未報警。

2）通過調查生產計劃發(fā)現(xiàn)當時進行合成反應的副產物為氫氣。反應物累積導致產生的氫氣濃度比正常生產過程高。局部引風系統(tǒng)中引入尾氣系統(tǒng)中的空氣無法滿足稀釋氫氣濃度至安全濃度以下。

3）氫火焰離子化檢測器-FID無法檢測氫氣（檢測工作原理）。

1.3 事故案例的啟發(fā)

可燃氣體探頭設定合理報警值的前提是選擇合適的可燃氣體探頭，如果氣體探頭類型選擇錯誤，即使報警設定值正確也無法檢測到被檢測物質，例如紅外式可燃氣體探頭并不適用于氫氣和乙炔。

2020年，美國海岸防衛(wèi)隊(USCG)在其安全警示2020-02期中也指出：港口監(jiān)管部門在波士頓3個不同的液化天然氣(LNG)運輸公司檢查時發(fā)現(xiàn)多個固定式可燃氣體探測系統(tǒng)問題，包括未按照廠家要求的校準氣體進行校準，從而導致超出探頭允許的檢測范圍[1]。

可燃氣體探頭報警值到底該如何設置才能讓其發(fā)揮應有作用？本文通過國內標準要求、可燃氣體探頭種類、常用校準氣體、校準因子等方面進行闡述。

2 可燃氣體探頭報警值設定與爆炸下限（LEL）的關系

2.1 報警值設定值參考依據

我國可燃氣體探頭設置主要參考GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》，其中規(guī)定如下[2]：

1）可燃氣體和有毒氣體的檢測報警應采用兩級報警(第3.0.2條)

2）報警值設定應符合下列規(guī)定(第5.5.2條)：

a.可燃氣體的一級報警設定值應小于或等于25%LEL（Lower Explosion Limited，爆炸下限）。

b.可燃氣體的二級報警設定值應小于或等于50% LEL。

英 國HSE（ Health and Safety Executive） 發(fā)布的易燃氣體探頭的選擇和使用指南中建議如下：如果可燃氣體探頭用于泄漏檢測目的(非工藝監(jiān)測目的)，一級報警值宜盡可能低，建議設置為被檢測物質LEL的10%，二級報警不宜超過檢測物質LEL的25%[3]。

可燃氣體探頭廠家可能會建議不同的報警設定值，例如：

1）IGD（ International Gas Detectors）建 議氣體檢測系統(tǒng)通常一級報警值設定為10%～20%的LEL，二級報警值設定為20%～40%的LEL[4]。

2)Blackline Safety建議氣體檢測系統(tǒng)通常一級報警值設定為10%的LEL，二級報警值設定為20%的LEL[5]。

2.2 報警值設定的影響因素

那么可燃氣體探頭報警值應該如何設定LEL呢？首先，可燃氣體探頭能夠在易燃物質濃度盡可能低的情況下報警，以及時啟動應急響應從而確保人員健康和安全，但是又不能太低以防止誤報警。報警值的設定需要考慮以下關鍵因素：

1)易燃物質的爆炸下限LEL；

2)易燃液體的閃點；

3)泄漏速率及達到危險濃度所需要的時間(或者需要控制到的濃度，如25%)；

4)報警后所需要的人員響應時間。

舉例來說：

1)氫氣的爆炸下限為4%,如果一級報警值設定為25% LEL，則為1%。如果某加氫車間的氫氣管道泄漏很快達到1%的濃度，則意味著人員可能沒有足夠的時間響應。

2)正丁醇的閃點為34% ℃，其爆炸下限為1.4%。假設一個幾百平方米的常溫原料倉庫的一桶正丁醇發(fā)生泄漏，如果一級報警設定值為25% LEL(0.35%)，由于其閃點較高揮發(fā)產生的氣體可能不會達到25%LEL，可燃氣體探頭不會產生報警。

因此，需要綜合以上4個關鍵因素并結合所檢測物質的不同特性、人員響應時間等進行報警值的設定以確保人員有足夠的時間進行響應。

3 可燃氣體探頭報警值設定與校準氣和校準因子的關系

由于可燃氣體探頭本身并不能判斷檢測的是哪種物質，假設使用甲烷氣進行校準，則可燃氣體探頭認為檢測的是甲烷氣體并顯示相應的LEL數值。如果檢測的是其他物質，則需要采用校準因子將校準氣體的濃度轉換為所要檢測物質的濃度。

目前最常用的可燃氣體探頭類型為催化燃燒式和紅外式探頭。下面分別討論兩種氣體探頭報警值設定與校準氣和校準因子的關系。

3.1 催化燃燒式可燃氣體探頭

3.1.1 使用甲烷進行校準

根據Industrial Scientific 公司提供的催化燃燒式可燃氣體探頭校準因子，選取表1中所示五種物質進行討論[6]。

表1 催化燃燒式可燃氣體探頭使用甲烷校準時的校準因子舉例

舉例來說：

1）如果可燃氣體探頭檢測的是正己烷，若顯示讀數及報警為25% LEL，則環(huán)境中正己烷的實際濃度為25%LEL×2.86=71.5% LEL。雖然環(huán)境中正己烷的濃度未達到爆炸下限，但可能導致人員響應時間不足，導致潛在安全后果。

2）如果可燃氣體探頭檢測的是氫氣，若顯示讀數及報警為25% LEL，則環(huán)境中氫氣的實際濃度為25% LEL×0.94=23.5%LEL，氫氣仍未達到其爆炸下限的25%。

因此可以采用如下公式將探頭顯示的讀數轉換為被檢測物質的實際濃度。

被檢測物質實際濃度(%LEL)=探頭讀數%LEL×校準因子

需要注意的是，不同氣體探頭廠家給出的校準因子會稍有差異，因此建議和氣體探頭廠家確認所需要的校準因子。

3.1.2 使用其他校準氣體進行校準

除了使用常用的甲烷進行校準外，一些廠家也會使用丙烷、丁烷、戊烷等其他氣體進行校準。

根據Industrial Scientific 公司提供的催化燃燒式可燃氣體探頭校準因子，同樣地選取表2中所示5種物質進行討論[6]。

表2 催化燃燒式可燃氣體探頭使用其他校準氣體時的校準因子舉例

同樣的，如果可燃氣體探頭檢測的分別是正己烷和氫氣，假設采用戊烷進行校準，若顯示讀數及報警為25% LEL，則環(huán)境中的正己烷和氫氣濃度分別為35.5% LEL（25% LEL×1.42）和11.8% LEL（25%LEL×0.47）。

3.2 紅外式可燃氣體探頭

根據Status Scientific Controls公司提供的FGD10A-M類型可燃氣體探頭使用丙烷校準時的校準因子，同樣地選取表3中所示5種物質進行探討[7]。

表3 紅外式可燃氣體探頭使用丙烷校準時的校準因子舉例

由于紅外式可燃氣體探頭不適用于氫氣和乙炔檢測，因此其校準因子為零。

以正已烷為例，如果可燃氣體探頭顯示讀數為25% LEL，如果使用丙烷進行校準，對于催化燃燒式可燃氣體探頭和紅外式可燃氣體探頭正已烷在環(huán)境中的實際濃度分別為：

催化燃燒式可燃氣體探頭：25% LEL×1.77=44.3% LEL。

紅外式可燃氣體探頭：25% LEL×0.8=20%LEL。

由此可以看出，即使用同一種校準氣體進行校準，不同類型的可燃氣體探頭會有不同的校準因子，不同生產廠家提供的校準因子也稍有差異，而且催化燃燒式可燃氣體探頭與紅外式可燃氣體探頭的校準因子通常差異比較大。此外，通常情況下催化燃燒式可燃氣體探頭使用戊烷的校準因子小于2并且接近于1，因此一些廠家會推薦使用戊烷進行可燃氣體探頭的校準。

4 多種氣體或者混合氣體的情形下的報警值設定

4.1 多種氣體情形下的報警值設定

很多工廠在生產過程中基本都會涉及易燃液體，如易燃液體儲罐區(qū)、甲類倉庫的桶裝易燃液體、生產車間易燃液體的暫存、使用等。通常情況下在儲罐區(qū)、倉庫及車間等區(qū)域安裝的是催化燃燒式可燃氣體探頭，因此需要服務于多種物質的泄漏識別及報警。大部分企業(yè)可能按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》的規(guī)定設置了兩級報警（25% LEL和50% LEL），但并未合理考慮多種物質的情形。

舉例來說，假設甲類倉庫存放甲苯和甲醇兩種桶裝物料，且安裝有催化燃燒式可燃氣體探頭，探頭使用甲烷進行校準。Industrial Scientific公司提供的校準因子如下表4所示[6]：

表4 使用甲烷校準時時甲苯及甲醇的校準因子

案例1：

如果希望可燃氣體探頭報警值設定為甲苯爆炸下限的25%，則可燃氣體探頭的讀數顯示為25%LEL/2.55=9.8% LEL。

這種情況下當可燃氣體探頭探測到甲醇并報警時，其實際濃度則為：9.8% LEL×1.1=10.8% LEL。環(huán)境中甲醇的濃度仍未達到其爆炸下限的25%。

案例2：

如果希望可燃氣體探頭報警值設定為甲醇爆炸下限的25%，則可燃氣體探頭的讀數顯示為25%LEL/1.1=22.7% LEL。

這種情況下當可燃氣體探頭探測到甲苯并報警時，其實際濃度則為：22.7% LEL×2.55=57.9%LEL?？臻g中甲苯的濃度已經遠大于其爆炸下限的25%，意味著可燃氣體探頭檢測到甲苯比較延遲，可能帶來潛在的安全后果。

從以上兩個例子中可以看出，如果工廠涉及多種易燃物質，建議可燃氣體探頭的校準基于最不敏感的氣體(例子中的甲苯)，或者說基于校準因子最大的物質，即這種情況下會使其他氣體的顯示讀數偏高，但從安全角度可以控制易燃物質的實際濃度低為25%。

4.2 氣體混合物情形下的報警值設定

4.2.1 氣體混合物各物質的組分相對固定

一些工廠可能會涉及組分相對固定的氣體混合物，氣體混合物的爆炸下限(LEL)可以采用公式進行估算，之后以估算的LEL進行報警值的設定。但是可燃氣體探頭的校準氣體沒有混合氣，此外也沒有混合氣體的校準因子，因此這種報警值設定方式可能由于混合物質泄漏后可燃氣體探頭未能及時檢測到泄漏物質從而導致空間中的實際濃度大于報警值。

例如汽油，其主要成分為C5～C12脂肪烴和環(huán)烷烴，此種情況下可以考慮基于含碳原子數較大的烷烴進行報警值的設定，如庚烷或者辛烷。

4.2.2 氣體混合物各物質的組分變化

目前很多工廠使用蓄熱式焚燒爐(RTO)進行揮發(fā)性有機物(VOC)的處理，精細化工行業(yè)通常使用大量的易燃溶劑，而且由于產品多變可能導致RTO總管內的易燃氣體組分發(fā)生變化。企業(yè)可能會采用估算的氣體混合物的LEL進行報警值設定，除了上述第4.2.1節(jié)中所描述的問題外，由于氣體混合物組分的變化，很難估算出一個相對合理的LEL。因此可燃氣體探頭報警值的設定可以基于最不敏感的氣體，或者說基于校準因子最大的物質進行設定。

5 結論與建議

大部分流程工廠都會涉及易燃物質的儲存、使用、處置等操作，并相應安裝了可燃氣體探頭，以及時發(fā)現(xiàn)易燃物質泄漏或者檢測工藝系統(tǒng)中易燃氣體濃度。文中尾氣處理系統(tǒng)發(fā)生的事故案例表明，可燃氣體探頭報警值設定的前提是選擇合適的探頭類型。在此前提條件下，本文通過氫氣及正丁醇的案例闡述了易燃物質的爆炸下限LEL、液體的閃點、泄漏速率及達到危險濃度所需要的時間、報警后所需的響應時間等因素對于可燃氣體探頭報警值設定的影響。此外，本文針對常用的催化燃燒式及紅外式可燃氣體探頭，通過不同的案例闡述了可燃氣體探頭報警值的設定需要考慮校準氣體及校準因子對其影響。由于企業(yè)通常涉及多種易燃物質，本文針對多種氣體及氣體混合物情形下闡述了可燃氣體探頭混合校準氣體的可獲得性及應用混合氣體LEL的局限性，針對這種情形氣體探頭報警值的設定可以基于最不敏感的氣體，或者說基于校準因子最大的物質進行設定。