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張其方

（中國天辰工程有限公司）

摘要：可燃氣體和有毒氣體檢測系統(tǒng)（GDS）是保障石油化工裝置和人員安全的重要組成部分。介紹了氣體探測器的類型及使用場合，并總結了典型氣體的測量范圍和報警值。石油化工裝置中，混合的可燃有毒氣體工況是常態(tài)，具體包括：混合可燃氣體、混合有毒氣體、包含可燃氣體和有毒氣體的混合氣體，詳細闡述了不同工況下的混合氣體探測器設置，對工程設計及應用提供參考。

關鍵詞：可燃氣體和有毒氣體檢測系統(tǒng)  探測器  工程設計

生產(chǎn)或使用可燃有毒氣體的工藝裝置和儲運設施內，有可能發(fā)生可燃有毒氣體的泄漏，為了保障裝置安全運行和人員安全，應設置可燃氣體和有毒氣體檢測系統(tǒng)（GDS）。GDS的工程設計應執(zhí)行國家相關法律法規(guī)、標準規(guī)范，以確保順利通過相關部門的驗收。

1可燃有毒氣體探測器的分類

1.1按檢測方式分類

可燃有毒氣體探測器按照檢測方式可分為：擴散式、吸入式、點式、開路式、便攜式。

1） 擴散式。擴散式探測器是將探頭置于裝置環(huán)境中，用于檢測限定范圍內的氣體泄漏。

2） 吸入式。吸入式探測器主要用于工藝閥井、地坑及排污溝等容易積聚可燃有毒氣體的場所；也可用于擴散式氣體探測器安裝及維護不方便，同一被檢測工藝設備泄漏點較多、有輕微泄漏但毒性較大、易對人員造成傷害的場合。通常采用取樣管線將泄漏點區(qū)域氣體引至探測器檢測，相對于擴散式探測器由于增加了機械吸入裝置，有更強的定向、定點能力，但覆蓋面積較小。

3） 點式。點式氣體探測器在生產(chǎn)裝置中也經(jīng)常使用，但只能檢測一定半徑球體范圍內的氣體體積分數(shù)。

4） 開路式。對于特定場合可以選用開路式氣體探測器，用于測量一定距離內氣體的體積分數(shù)。常用的開路式氣體探測器為紅外式，利用紅外輻射波段特性，即氣體只對應吸收某種波段處的紅外光能量。由于發(fā)射的光源是恒定的，當氣體擴散至探測器范圍內時，特定波段紅外光的光通量會被氣體吸收而減弱，且吸收的強度與氣體的體積分數(shù)成正比。開路式氣體探測器發(fā)射端與接收端之間應無遮擋，并且要注意發(fā)射端和接收端要對準。

5） 便攜式。便攜式探測器是對現(xiàn)場固定式氣體探測器的補充，可用于檢測多種氣體，且將來可與現(xiàn)場固定式氣體探測器實現(xiàn)無線通信。

1.2按檢測原理分類

按照檢測原理氣體探測器可以分為催化燃燒氣體探測器，紅外氣體探測器，電化學氣體探測器，半導體氣體探測器，光致電離（PID）氣體探測器等。

1） 催化燃燒氣體探測器主要用于烴類可燃氣體檢測，但需注意如果氣體中含有硫、磷、硅、鉛、鹵素化合物等介質時，應選用抗毒性催化燃燒探測器；氫氣的檢測應選用氫氣專用催化燃燒探測器。

2） 紅外氣體探測器可適用于缺氧或高腐蝕的場所。

3） 電化學或半導體型氣體探測器適用于硫化氫、氯氣、氨氣、丙烯腈、一氧化碳等的檢測。

4） 光致電離氣體探測器適用于苯、溴和碘、硫化氫、氨、氮氧化物、砷化氫、磷化氫等半導體氣體的檢測。

2可燃有毒氣體探測器的設置原則

2.1釋放源的確定

2.1.1依據(jù)規(guī)范確定的第二級釋放源位置

根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》［1］規(guī)定，可能泄漏可燃氣體、有毒氣體的主要釋放源應布置檢測點，常規(guī)的主要釋放源位置包括：氣體壓縮機和液體泵的密封處、液體采樣口和氣體采樣口、液體排液（水）口和放空口、設備和管道的法蘭和閥門組。

而且，可燃有毒氣體探測器所檢測的釋放源不是連續(xù)釋放源或第一級釋放源，通常是第二級釋放源，即正常情況下不會釋放，即使釋放也僅是偶爾短時釋放。

2.1.2依據(jù)經(jīng)驗推薦的的第二級典型釋放源位置

根據(jù)文獻［1］，滿足條件的第二級釋放源位置較多，可實施性不強。筆者根據(jù)工程經(jīng)驗推薦如下的典型釋放源位置：

1） 動設備，如氣體壓縮機的動密封、泵的動密封、裝卸棧臺等。

2） 操作頻繁的設施，如采樣口、人工排液（水）口、放空口等。

3） 工藝變工況設施，如變壓力、變溫度的管道連接處等。

4） 露天場所被測氣體相對分子質量比空氣大，需在地溝、坑等低洼處設置氣體探測器，廠房內被測氣體相對分子質量比空氣小，需在廠房頂部設置氣體探測器。

5） 根據(jù)介質體積分數(shù)，如管道或設備內被測介質體積分數(shù)較高，一旦泄漏會迅速達到報警設定值。

6） 其他，如爆炸危險2區(qū)的分析小屋內，控制室、機柜間、變電所的空調引風口、電纜溝和電纜橋架進入建筑物的入口處。

2.2氣體探測器的安裝位置

要確定氣體探測器的安裝位置，除了按2.1節(jié)確定釋放源位置，同時還應判斷被測氣體相對分子質量比空氣大還是小。

1） 當被測氣體的相對分子質量與空氣的相對分子質量之比a<0.8，則認為被測氣體相對分子質量比空氣小，氣體探測器應安裝在高出釋放源0.5～2.0m的位置上。

2） 若a＞1.2，則認為被測氣體相對分子質量比空氣大，氣體探測器應安裝在高出所在地坪或樓板層面0.3～0.6m的位置上。

3） 若0.8≤a≤1.2，則認為被測氣體相對分子質量跟空氣接近，應在釋放源上下1m范圍內分別安裝氣體探測器。

2.3典型氣體的測量范圍及報警值

可燃氣體的測量范圍為0～100%爆炸下限體積分數(shù)φLEL；有毒氣體的測量范圍為0～300%最高容許質量濃度ρMAC或0～300%短時間接觸容許質量濃度ρPCSTEL，當探測器性能不滿足測量要求時，測量范圍可為0～30%直接致害質量濃度ρIDLH。

1） 可燃氣體的一級報警值為25% φLEL，二級報警值為50% φLEL。

2） 有毒氣體的一級報警值在規(guī)范中沒有做要求，可根據(jù)項目實際需要設定。根據(jù)工程經(jīng)驗，可設為二級報警的50%，二級報警值為100% ρMAC或100% ρPCSTEL；當有毒氣體探測器的標準氣調制有困難時，報警設定值可設定為不大于200% ρMAC或不大于200% ρPCSTEL；當有毒氣體探測器的性能無法滿足測量要求時，報警設定值也可設定為10% ρIDLH值。

筆者根據(jù)文獻［1］、GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值化學有害因素》［2］及文獻［3］中的數(shù)據(jù)歸納出常見有毒氣體的測量范圍及報警值。由于規(guī)范及手冊中的質量濃度單位為mg/m³，而工程設計及探測器產(chǎn)品中用到的單位為μL/L，因而需要注意單位之間的換算。單位換算成體積分數(shù)的常見有毒氣體的測量范圍及報警值見表1所列。

2.4混合氣體中探測器的設置

在石油化工裝置中，混合的可燃有毒氣體工況環(huán)境是常態(tài)，對于混合氣體的檢測，文中分三種情況進行討論。

2.4.1兩種及兩種以上的混合可燃氣體

兩種及兩種以上的混合可燃氣體的檢測如下：

1） 由于石油化工裝置中的可燃氣體大部分為烴類，因而對于包含兩種及兩種以上的混合可燃氣體，可用催化燃燒型氣體探測器進行檢測。根據(jù)混合氣中每種可燃氣體的體積分數(shù)和爆炸下限，依據(jù)理查特利定律計算出混合氣體的爆炸下限。假設某含有2種可燃氣體的混合氣中，A氣體：φA=28%，φLELA=1.8%；B氣體：φB=72%，φLELB=2.5%，則混合氣的爆炸下限計算如下：

φLEL混合氣=1φAφLELA+φBφLELB=2.25%（1）

由于式（1）為理論計算值，氣體探測器不可能通過理論值來進行標定，因而實際應用中，需計算分析混合可燃氣體，針對首先達到爆炸下限的氣體設置探測器即可。

2） 對于含有氫氣的混合可燃氣體，必須設置氫氣專用催化燃燒型氣體探測器，否則容易造成氫氣引爆。

2.4.2兩種及兩種以上的混合有毒氣體

對于包含兩種及兩種以上的混合有毒氣體，需要根據(jù)每種有毒氣體的體積分數(shù)φi，相對分子質量Mi，計算出其相應的質量濃度ρi，即：

ρi=φiMi22.4×106（2）

1）若混合氣體中只有一種氣體的質量濃度大于最高容許質量濃度，則只針對該氣體設置有毒氣體探測器。

2） 若兩種及兩種以上的混合有毒氣體中，每種有毒氣體的質量濃度均大于其相應的最高容許質量濃度，則需要計算哪種有毒氣體先達到其相應的最高容許質量濃度。假設經(jīng)過式（2）計算某混合有毒氣體中有C和D兩種有毒氣體的質量濃度分別超過了其相應的最高容許質量濃度，C和D兩種有毒氣體對應的體積分數(shù)分別為φC和φD。最高容許質量濃度下有毒氣體的體積分數(shù)為

φiMAC：φiMAC=ρiMACMi22.4×10⁶（3）

通過式（3）得出C和D氣體的最高容許質量濃度下的氣體體積分數(shù)φCMAC和φDMAC，則：

a) 若φCφD>φCMACφDMAC，則氣體C會先到達最高容許質量濃度，需設置有毒氣體C探測器。

b) 若φCφD<φCMACφDMAC，則氣體D會先到達最高容許質量濃度，需設置有毒氣體D探測器。

c) 若φCφD=φCMACφDMAC，則氣體C和D會同時到達最高容許質量濃度，需分別設置有毒氣體C和D探測器。

2.4.3包含可燃氣體和有毒氣體的混合氣體

對于包含可燃氣體和有毒氣體的混合氣體，需要根據(jù)式（2）計算有毒氣體的質量濃度是否可達到最高容許質量濃度，并且判斷混合氣體中可燃氣體體積分數(shù)是否達到了25% φLEL。結合表2設置可燃和有毒氣體探測器。

3可燃氣體和有毒氣體檢測系統(tǒng)的設置

根據(jù)文獻［1］和安監(jiān)總管三［2014］116號文，安全儀表系統(tǒng)（SIS）設計中，應設置獨立的GDS。

獨立的GDS是指獨立設置的可編程序控制器（PLC）、專用氣體報警控制器或以微處理器為基礎的其他電子產(chǎn)品來實現(xiàn)，其他系統(tǒng)如DCS，SIS，火災及消防監(jiān)控系統(tǒng)等的故障不會影響GDS的運行，GDS需按照一級負荷中的重要負荷供電。對于獨立的GDS，應具備如下基本功能：

1） 為可燃、有毒氣體探測器供電。

2） 接收氣體探測器的輸出信號，并在系統(tǒng)中顯示報警。

3） 向消防系統(tǒng)發(fā)送報警信號和GDS故障信號。

4） 具有獨立互不影響的報警功能，可以區(qū)分和識別報警場所、報警探測器位號。

5） GDS與探測器之間短路或斷路、氣體探測器故障、GDS故障的情況下，可以發(fā)出不同于可燃有毒氣體質量濃度超限報警信號的聲光報警。

6） 具有記錄、存儲、顯示和歷史事件記錄功能。

4結束語

基于典型氣體的測量范圍和報警值的設定，探討了可燃與有毒氣體探測器的設置方式，總結了GDS的配置方案，為工程設計和企業(yè)應用提供有力參考。