淺談可燃氣體和有毒氣體監(jiān)測的工程應(yīng)用

王云

(山東濟煉石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

石油化工企業(yè)生產(chǎn)中，介質(zhì)輸送、反應(yīng)、儲存等過程常涉及可燃介質(zhì)和有毒介質(zhì)。為保障石油化工企業(yè)的生產(chǎn)安全和員工人身安全，合規(guī)、合理及有效地實時監(jiān)測生產(chǎn)過程及儲運設(shè)施中泄漏的可燃氣體和有毒氣體并及時報警，預(yù)防人身傷害以及火災(zāi)與爆炸事故的發(fā)生至關(guān)重要。

本文基于GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標準》[1]，從實際工程角度出發(fā)淺談可燃氣體和有毒氣體探測的工程應(yīng)用。

1 關(guān)于有毒氣體

GB/T 50493—2019中有毒氣體的定義為通過呼吸或皮膚接觸可導(dǎo)致永久性健康傷害或死亡的氣體或蒸氣，其條文說明中指出： 有毒氣體關(guān)注范圍是根據(jù)原國家衛(wèi)生部發(fā)布的《高毒物品目錄》(衛(wèi)法監(jiān)發(fā)[2003]142號)[2]中規(guī)定的氣體、GB 30000.18—2013《化學(xué)品分類和標簽規(guī)范 第18部分： 急性毒性》[3]中急性毒性危害類別為1類及2類的氣體、GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限制 第1部分： 化學(xué)有害因素》[4]中規(guī)定的氣體。

石油化工企業(yè)中很多物質(zhì)都有毒，但不同標準規(guī)范和文件因劃分準則不同，會出現(xiàn)不同的分類。工程應(yīng)用中應(yīng)嚴格遵守相關(guān)法律、法規(guī)、標準規(guī)范的要求，并結(jié)合項目情況合理運用?；谖墨I[1]、安監(jiān)局相關(guān)文件和其他標準要求，建議確定有毒氣體的范圍原則如下：

1)文獻[1]附錄B列出的氣體或蒸氣。

2)文獻[2]中規(guī)定的氣體或蒸氣。

3)文獻[4]中表1列出的介質(zhì)，且符合文獻[3]中急性毒性-吸入-類別1類及2類的氣體或蒸氣。

4)《危險化學(xué)品目錄(2015 版)》中的介質(zhì)，且符合文獻[3]中急性毒性-吸入-類別1類及2類的氣體或蒸氣。

5)根據(jù)原國家安監(jiān)總局發(fā)布的《首批重點監(jiān)管的危險化學(xué)品名錄》(安監(jiān)總管三〔2011〕95號)和《第二批重點監(jiān)管危險化學(xué)品名錄》(安監(jiān)總管三〔2013〕12號)文中，其對應(yīng)的安全措施和事故應(yīng)急處置原則中要求設(shè)置有毒氣體泄漏檢測報警儀的介質(zhì)。

6)具體工程項目的要求。

2 儀表設(shè)備性能特點及要求

2.1 固定式探測器

工程應(yīng)用中，通常有以下類型探測器：

1)催化燃燒型。常用于檢測可燃氣體濃度，正常工作時，所檢測氣體中氧體積分數(shù)需大于10%。該類型探測器只能用于探測低于爆炸下限(LEL)體積分數(shù)，探測器響應(yīng)時間取決于探測氣體，傳感器易受硅、鉛、硫化物、鹵代化學(xué)物、磷化物影響，造成傳感器催化劑中毒使探測器失效。比如石化企業(yè)中硫化氫、鉛含量較高的汽油場合中，就不宜選用催化燃燒型，當使用抗中毒型傳感器，探測器響應(yīng)時間可能會延長，靈敏度可能會降低。使用壽命通常為3 a。

2)熱傳導(dǎo)型。用于檢測可燃氣體體積分數(shù)，工作時無需氧氣參與，通?？商綔y體積分數(shù)為爆炸下限至100%的氣體，響應(yīng)時間中等。一般適用于相對空氣熱導(dǎo)率較高或較低的氣體，且背景氣波動不大的工況。

3)紅外吸收型。常用于檢測可燃氣體體積分數(shù)，工作時無需氧氣參與，可探測體積分數(shù)為0～100%的氣體，響應(yīng)時間較快。當使用場所的空氣中含有能使催化燃燒型檢測元件中毒的硫、磷、硅、鉛、鹵素化合物等介質(zhì)時，可選用紅外氣體探測器。對于無極性的雙原子氣體(如： 氫氣)不吸收紅外能量，因此不能用于探測氫氣。使用壽命通常不小于2 a。

4)半導(dǎo)體型?？捎糜跈z測可燃氣體和有毒氣體，如氫氣、硫化氫、氯氣、氨氣、丙烯睛氣體、一氧化碳氣體等，工作時需微量氧氣參與。易受背景氣等干擾，穩(wěn)定性較差，線性度一般。使用壽命通常為3～4 a。

5)電化學(xué)型。不能用于探測大多數(shù)的碳氫化合物，常用于探測有毒氣體、氧氣、氫氣、醇類等，探測靈敏度高，響應(yīng)時間中等。由于該類探測器的電解質(zhì)可能受低溫凍結(jié)，應(yīng)注意使用環(huán)境溫度和產(chǎn)品適用條件。使用壽命通常為1～3 a。

6)光致電離型。常用于探測苯、氯乙烯、二硫化碳氣體，探測靈敏度高，響應(yīng)時間較快。使用壽命通常為1～3 a。

7)激光型。開路式激光型可用于探測開闊區(qū)域和裝置邊界區(qū)域的碳氫化合物，響應(yīng)時間較快，靈敏度高，也適用于雨、雪、霧天氣條件。線型激光探測器可用于檢測烴類可燃氣體、甲烷、乙烯、氨、二氧化碳、硫化氫、氯化氫、氟化氫等氣體。

目前市場上常用的固定點式探測器輸出信號為4～20 mA或4～20 mA加一路接點信號，也有總線型。按其采樣方式分為自然擴散式和吸入式。

2.2 可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)

可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)(GDS)應(yīng)獨立設(shè)置，應(yīng)獨立于基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、火災(zāi)及消防系統(tǒng)等。GDS可用DCS，PLC，氣體報警控制器等實現(xiàn)，GDS的可燃氣體和有毒氣體檢測報警信號應(yīng)輸送至有人值守且便于做出響應(yīng)的地方，如現(xiàn)場控制室、中心控制室?？扇細怏w二級報警信號、GDS報警控制單元的故障信號應(yīng)送至消防控制室。

根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局、國家認證認可監(jiān)督管理委員會2018年第11號公告，可燃氣體報警產(chǎn)品不再實施強制性產(chǎn)品認證管理(CCCF)；GDS不用于執(zhí)行安全儀表功能時，GDS也無SIL認證強制要求。

2.3 警報器

警報器可分為現(xiàn)場警報器(也稱區(qū)域警報器)和室內(nèi)警報器，警報器應(yīng)具有聲、光報警功能。

現(xiàn)場警報器用于提示現(xiàn)場工作人員，設(shè)備前方1 m處聲壓級110～120 dB(A)。室內(nèi)警報器用于提示控制室內(nèi)操作人員，設(shè)備前方1 m處聲壓不小于75 dBA。現(xiàn)場警報器和室內(nèi)警報器的光報警功能閃爍頻率宜為60～120次/min，聲光形式宜根據(jù)工程項目統(tǒng)一規(guī)定?，F(xiàn)場警報器和室內(nèi)警報器觸發(fā)條件均為現(xiàn)場氣體探測器第二級報警值信號。

3 典型工程應(yīng)用

3.1 在裝置區(qū)的應(yīng)用

以某裝置部分區(qū)域可燃及有毒氣體探測器布置為例，如圖1所示。該案例中原料油為乙A類，工況涉及硫化氫，硫化氫屬于文獻[1]附錄B常見有毒氣體，也屬于安監(jiān)總管三〔2011〕95號文的《首批重點監(jiān)管的危險化學(xué)品安全措施和應(yīng)急處置原則》中要求設(shè)置有毒氣體泄漏檢測報警儀的介質(zhì)，也屬于GB 30000.18—2013分類中的急性毒性-吸入-類別2列出的介質(zhì)。

圖1 某裝置部分區(qū)域可燃及有毒氣體探測器布置示意

釋放源為泵、采樣器、排污口及閥組密集處。其中，硫化氫釋放源為泵P-107A/B，GT-101為電化學(xué)式有毒氣體(硫化氫)探測器；GT-201～203為催化燃燒式(抗硫化氫)可燃氣體探測器，探測目標氣體為原料油蒸氣。加熱爐熱源為天然氣，主要成分是甲烷，為甲類氣體，釋放源為天然氣閥組密集處，考慮到開停爐過程安全需要，探測器也兼顧考慮加熱爐作為覆蓋范圍。其中，GT-301為催化燃燒式(抗硫化氫)可燃氣體探測器，探測目標氣體為甲烷。

上述探測器安裝原則： 可燃氣體探測器以其半徑10 m內(nèi)作為釋放源可覆蓋范圍，有毒氣體探測器以其半徑4 m內(nèi)作為釋放源可覆蓋范圍。探測器安裝高度根據(jù)探測目標氣體相對分子質(zhì)量與空氣相對分子質(zhì)量比值作為依據(jù)。其主要技術(shù)參數(shù)為探測器防護等級IP65，防爆等級Ex dⅡCT4，信號類型為三線制4～20 mA，配有現(xiàn)場一體化聲光報警器。

GL-101為區(qū)域警報器，主要用于提示區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場人員，安裝高度為2.5 m，處于區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場人員易視聽的位置。當設(shè)置區(qū)域可燃氣體探測器和有毒氣體探測器時，建議分別設(shè)置，且聲光應(yīng)有區(qū)別。當對應(yīng)區(qū)域內(nèi)任一臺可燃氣體探測器觸發(fā)二級報警時，區(qū)域可燃警報器發(fā)出聲光警報，若裝置區(qū)面積較小，任一臺可燃氣體探測器觸發(fā)二級報警時，也可所有區(qū)域可燃警報器發(fā)出聲光警報。

3.2 在新風入口處的應(yīng)用

在可燃氣體和有毒氣體有可能通過新風入口進入控制室及機柜間的場合，應(yīng)在新風入口處設(shè)置目標氣體的探測器。

當探測器的可燃氣體體積分數(shù)不小于25%LEL或有毒氣體體積分數(shù)不小于100%OEL時，應(yīng)聯(lián)鎖關(guān)停新風機及密閉閥，可采用以下兩種方案實現(xiàn)：

1)探測器4～20 mA信號引入文獻[5]建議的SIS，經(jīng)SIS邏輯運算后發(fā)出信號至新風機控制系統(tǒng)，由新風機控制系統(tǒng)聯(lián)鎖關(guān)停新風機及密閉閥。

2)探測器4～20 mA信號引入GDS，經(jīng)GDS邏輯運算后發(fā)出信號至新風機控制系統(tǒng)，由新風機控制系統(tǒng)聯(lián)鎖關(guān)停新風機及密閉閥。

3.3 分析小屋的應(yīng)用

分析小屋內(nèi)的可燃氣體、有毒氣體、氧濃度探測器設(shè)計除了符合文獻[1]要求外，還應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的要求，如GB/T 29814—2013(IEC/TR 61831： 1999，IDT)《在線分析器系統(tǒng)的設(shè)計和安裝指南》[6]、GB 29812—2013(IEC 61285： 2004，IDT)《工業(yè)過程控制 分析小屋的安全》[7]、SH/T 3174—2013《石油化工在線分析儀系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[8]。

當分析小屋內(nèi)的分析樣氣中含有可燃、有毒介質(zhì)時，或分析小屋安裝位置有可能使小屋內(nèi)聚積可燃、有毒氣體時(如分析小屋設(shè)在爆炸危險區(qū)域2區(qū))，應(yīng)在分析小屋內(nèi)設(shè)置對應(yīng)目標氣體的探測器，分析小屋通常屬于受限空間，應(yīng)設(shè)置氧濃度探測器。當小屋內(nèi)可燃氣體體積分數(shù)不小于20%LEL或有毒氣體體積分數(shù)不小于100%OEL時應(yīng)能觸發(fā)報警，如探測器的聲光報警及小屋外入口處的報警燈屏，切斷分析樣氣采樣，并能自動啟動小屋排風機。當小屋內(nèi)可燃氣體體積分數(shù)不小于50%LEL時，除了報警還應(yīng)及時聯(lián)鎖自動切斷小屋內(nèi)非防爆電氣設(shè)備的電源。相關(guān)報警設(shè)定及聯(lián)鎖功能宜根據(jù)工程具體情況，結(jié)合供貨商產(chǎn)品及建議做相應(yīng)設(shè)置。

當探測器檢測信號用于參與分析小屋內(nèi)一系列報警和聯(lián)鎖功能時，如門外報警、通風、不同聯(lián)鎖值關(guān)斷相應(yīng)電氣設(shè)備、時間判斷程序等復(fù)雜功能，探測器4～20 mA信號可引至小屋內(nèi)集成的PLC，由PLC通過通信方式或“點對點”輸出4～20 mA至GDS。若探測器在小屋的PLC內(nèi)無復(fù)雜聯(lián)鎖功能，探測器4～20 mA信號宜直接接入GDS，探測器的接點信號至小屋的PLC，但應(yīng)滿足使用要求為原則。

3.4 其他工況及解決方案

對于實際工況中其他情況，觀點如下：

1)對于密閉設(shè)備和封閉管道內(nèi)的乙B和丙A類液體介質(zhì)，當操作溫度大于其閃點時，其危險性將分別提升到甲B和乙A類。

業(yè)內(nèi)部分觀點認為： 不需要設(shè)置可燃氣體探測器。理由是若出現(xiàn)泄漏，當介質(zhì)溫度大于燃點時，加之環(huán)境氧氣充足，將可能持續(xù)燃燒，宜考慮設(shè)置火焰探測設(shè)備；當介質(zhì)溫度小于燃點或氧氣不足以燃燒，介質(zhì)將持續(xù)泄漏，但由于周圍環(huán)境溫度使之降溫，其揮發(fā)速度和蒸氣范圍將減小，危險性減小。

另一類觀點認為： 需要設(shè)置可燃氣體探測器。一方面，工況下高溫液體泄漏揮發(fā)性大，在低濃度下介質(zhì)不會快速收斂，除非接近飽和態(tài)，環(huán)境溫度使之降溫并不能得出擴散性和危險性降低的結(jié)論，它不是簡單線性對應(yīng)關(guān)系。落實到工程中，建議設(shè)置可燃氣體探測器。另一方面，需判斷可燃液體泄漏后液體溫度是否還高于閃點，若液體溫度比閃點僅高幾攝氏度，泄漏后因環(huán)境溫度較低，液體溫度很快就低于閃點，就不需設(shè)置探測器，否則就應(yīng)按甲B或乙A類考慮，設(shè)置可燃氣體探測器。

筆者的觀點： 目前工程中難以判斷擴散范圍及揮發(fā)狀態(tài)，一方面除了操作溫度，還與介質(zhì)壓力、釋放源周圍空間環(huán)境、氣象條件、釋放口尺寸等有關(guān)；另一方面，工況下可燃氣體探測器的最重要目的是檢測可燃氣體濃度，提前預(yù)警從而避免發(fā)生火災(zāi)及爆炸事故。GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》[9]中規(guī)定：“操作溫度高于可燃液體閃點的，當可燃液體有可能泄漏時，可燃液體的蒸氣或薄霧與空氣混合形成爆炸性氣體混合物應(yīng)按爆炸性氣體環(huán)境設(shè)計”，即該區(qū)域被劃為爆炸性氣體區(qū)域。因此，筆者認為應(yīng)設(shè)置可燃氣體探測器，但需注意爆炸性氣體區(qū)域范圍可能會大于文獻[1]關(guān)注的范圍。

2)文獻[1]2019版相較2009版雖然刪除了風向因素，但探測器易受風向風速影響，然而一年中風向風速是不同的，且受裝置內(nèi)設(shè)備和管線等影響，實際上難以考慮風向風速影響。若再考慮釋放源泄漏位置、泄漏壓力、泄漏口大小、探測器響應(yīng)時間等，情況會更復(fù)雜。需要時，可以考慮風向的影響，比如GB/T 39173—2020《智能工廠 安全監(jiān)測有效性評估方法》[10]提到的方法中有些涉及到了風向因素。目前可通過三維模型和專業(yè)軟件進行模擬，可進一步優(yōu)化探測器的設(shè)置，實際上就是提高探測器的有效覆蓋率。

3)在空間較高的封閉廠房內(nèi)，若探測器安裝在廠房內(nèi)的最高點，在工程實施階段應(yīng)考慮設(shè)置探測器維護平臺和爬梯，便于后期維護且避免涉及特殊作業(yè)中的高處作業(yè)。

4)不建議采用總線型探測器，主要原因為從整體安全性和可用性考慮，一條總線上掛接探測器若干臺，數(shù)據(jù)傳輸延遲時間可能較長。當需要維護總線上某臺探測器，或總線上需要增加探測器，會影響總線上其他探測器的正常使用。

5)甲醇的爆炸下限為6%，若按可燃氣體探測器設(shè)置要求，一級報警值為25%LEL，二級報警值為50%LEL。甲醇的IDLH為2.5%，可見25%LEL(即60%IDLH)時危險性已經(jīng)很大，50%LEL更是達到120%IDLH。

IDLH的定義為在工作地點，環(huán)境中空氣污染物濃度達到某種危險水平，如可致命或永久損害健康，或使人立即喪失逃生能力。因此，建議甲醇按可燃氣體探測器覆蓋釋放源要求設(shè)定安裝位置，但應(yīng)按有毒氣體探測器的測量范圍和報警值要求設(shè)定，即一級報警值為5%IDLH，二級報警值為10%IDLH。關(guān)鍵位置也可以按照有毒氣體探測器要求設(shè)置，報警值按照一級報警值為100%OEL，二級報警值為200%OEL。

6)有毒物質(zhì)的職業(yè)接觸限值OEL值是以8 h/d的工作時間制定的，然而企業(yè)部分人員工作時間可能長期大于8 h/d。由于每個人的身體差異和不同時間段內(nèi)的身體差異，可能在低于OEL值時，也可能引起勞動者健康損害，因此不能絕對認為低于OEL值就是“安全的”。實際工程中，目前通常沒有考慮上述的時間因素及人體差異因素。

7)某種工況下可能同時存在兩種或多種有毒物質(zhì)泄漏的可能，若共同作用于同一器官或人體部位，具有相似或增強的毒性機制，那么在這種工況下多類有毒物質(zhì)的OEL值可能需要合理評估后做適當折減。實際工程中，目前通常沒有考慮上述的毒性因素的影響。

8)不能忽視便攜式探測器的使用，由于固定式探測器所能檢測覆蓋的范圍、效果、響應(yīng)時間已定，而巡檢人員是移動的，合理使用便攜式探測器能有效彌補固定式探測器某些方面的缺陷。

9)探測器正常使用過程中，室內(nèi)值守人員應(yīng)熟悉裝置平面及探測器位置，建議在人機界面上顯示裝置平面及探測器布點位置。當探測器發(fā)出報警后，應(yīng)迅速判斷報警位置并執(zhí)行預(yù)定的響應(yīng)程序，核查報警原因，在沒有核查原因和消除隱患前，不應(yīng)屏蔽及消音報警狀態(tài)。

對于需要修改探測器報警值、調(diào)整安裝位置的，應(yīng)按企業(yè)管理規(guī)定及時修改相關(guān)資料并記錄。

4 結(jié)束語

有毒氣體的判定、可燃氣體探測器和GDS的認證是業(yè)內(nèi)探討的熱點，本文對這些問題做了闡述，且通過舉例說明常見工程應(yīng)用的設(shè)計原則。氣體探測器相較其他常規(guī)儀表具有特殊性，通常檢測的是周圍環(huán)境的可燃及有毒氣體，提高探測器性能是目前重中之重，若附以計算機軟件進行模擬，將能提高探測器的有效覆蓋率和可信度。

隨著安全要求的逐步提高，設(shè)備制造及技術(shù)水平的不斷發(fā)展，以及相關(guān)標準及文件的更新要求，工程人員應(yīng)適時了解掌握技術(shù)動態(tài)并提高相關(guān)技能水平，合理運用于工程實踐中。