可燃气体和有毒气体检测系统应用探讨
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张其方
（中国天辰工程有限公司）
摘要：可燃气体和有毒气体检测系统（GDS）是保障石油化工装置和人员安全的重要组成部分。介绍了气体探测器的类型及使用场合，并总结了典型气体的测量范围和报警值。石油化工装置中，混合的可燃有毒气体工况是常态，具体包括：混合可燃气体、混合有毒气体、包含可燃气体和有毒气体的混合气体，详细阐述了不同工况下的混合气体探测器设置，对工程设计及应用提供参考。
关键词：可燃气体和有毒气体检测系统 探测器 工程设计
生产或使用可燃有毒气体的工艺装置和储运设施内，有可能发生可燃有毒气体的泄漏，为了保障装置安全运行和人员安全，应设置可燃气体和有毒气体检测系统（GDS）。GDS的工程设计应执行国家相关法律法规、标准规范，以确保顺利通过相关部门的验收。
1可燃有毒气体探测器的分类
1.1按检测方式分类
可燃有毒气体探测器按照检测方式可分为：扩散式、吸入式、点式、开路式、便携式。
1） 扩散式。扩散式探测器是将探头置于装置环境中，用于检测限定范围内的气体泄漏。
2） 吸入式。吸入式探测器主要用于工艺阀井、地坑及排污沟等容易积聚可燃有毒气体的场所；也可用于扩散式气体探测器安装及维护不方便，同一被检测工艺设备泄漏点较多、有轻微泄漏但毒性较大、易对人员造成伤害的场合。通常采用取样管线将泄漏点区域气体引至探测器检测，相对于扩散式探测器由于增加了机械吸入装置，有更强的定向、定点能力，但覆盖面积较小。
3） 点式。点式气体探测器在生产装置中也经常使用，但只能检测一定半径球体范围内的气体体积分数。
4） 开路式。对于特定场合可以选用开路式气体探测器，用于测量一定距离内气体的体积分数。常用的开路式气体探测器为红外式，利用红外辐射波段特性，即气体只对应吸收某种波段处的红外光能量。由于发射的光源是恒定的，当气体扩散至探测器范围内时，特定波段红外光的光通量会被气体吸收而减弱，且吸收的强度与气体的体积分数成正比。开路式气体探测器发射端与接收端之间应无遮挡，并且要注意发射端和接收端要对准。
5） 便携式。便携式探测器是对现场固定式气体探测器的补充，可用于检测多种气体，且将来可与现场固定式气体探测器实现无线通信。
1.2按检测原理分类
按照检测原理气体探测器可以分为催化燃烧气体探测器，红外气体探测器，电化学气体探测器，半导体气体探测器，光致电离（PID）气体探测器等。
1） 催化燃烧气体探测器主要用于烃类可燃气体检测，但需注意如果气体中含有硫、磷、硅、铅、卤素化合物等介质时，应选用抗毒性催化燃烧探测器；氢气的检测应选用氢气专用催化燃烧探测器。
2） 红外气体探测器可适用于缺氧或高腐蚀的场所。
3） 电化学或半导体型气体探测器适用于硫化氢、氯气、氨气、丙烯腈、一氧化碳等的检测。
4） 光致电离气体探测器适用于苯、溴和碘、硫化氢、氨、氮氧化物、砷化氢、磷化氢等半导体气体的检测。
2可燃有毒气体探测器的设置原则
2.1释放源的确定
2.1.1依据规范确定的第二级释放源位置
根据GB 50493—2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》［1］规定，可能泄漏可燃气体、有毒气体的主要释放源应布置检测点，常规的主要释放源位置包括：气体压缩机和液体泵的密封处、液体采样口和气体采样口、液体排液（水）口和放空口、设备和管道的法兰和阀门组。
而且，可燃有毒气体探测器所检测的释放源不是连续释放源或第一级释放源，通常是第二级释放源，即正常情况下不会释放，即使释放也仅是偶尔短时释放。
2.1.2依据经验推荐的的第二级典型释放源位置
根据文献［1］，满足条件的第二级释放源位置较多，可实施性不强。笔者根据工程经验推荐如下的典型释放源位置：
1） 动设备，如气体压缩机的动密封、泵的动密封、装卸栈台等。
2） 操作频繁的设施，如采样口、人工排液（水）口、放空口等。
3） 工艺变工况设施，如变压力、变温度的管道连接处等。
4） 露天场所被测气体相对分子质量比空气大，需在地沟、坑等低洼处设置气体探测器，厂房内被测气体相对分子质量比空气小，需在厂房顶部设置气体探测器。
5） 根据介质体积分数，如管道或设备内被测介质体积分数较高，一旦泄漏会迅速达到报警设定值。
6） 其他，如爆炸危险2区的分析小屋内，控制室、机柜间、变电所的空调引风口、电缆沟和电缆桥架进入建筑物的入口处。
2.2气体探测器的安装位置
要确定气体探测器的安装位置，除了按2.1节确定释放源位置，同时还应判断被测气体相对分子质量比空气大还是小。
1） 当被测气体的相对分子质量与空气的相对分子质量之比a<0.8，则认为被测气体相对分子质量比空气小，气体探测器应安装在高出释放源0.5～2.0m的位置上。
2） 若a＞1.2，则认为被测气体相对分子质量比空气大，气体探测器应安装在高出所在地坪或楼板层面0.3～0.6m的位置上。
3） 若0.8≤a≤1.2，则认为被测气体相对分子质量跟空气接近，应在释放源上下1m范围内分别安装气体探测器。
2.3典型气体的测量范围及报警值
可燃气体的测量范围为0～100%爆炸下限体积分数φLEL；有毒气体的测量范围为0～300%最高容许质量浓度ρMAC或0～300%短时间接触容许质量浓度ρPCSTEL，当探测器性能不满足测量要求时，测量范围可为0～30%直接致害质量浓度ρIDLH。
1） 可燃气体的一级报警值为25% φLEL，二级报警值为50% φLEL。
2） 有毒气体的一级报警值在规范中没有做要求，可根据项目实际需要设定。根据工程经验，可设为二级报警的50%，二级报警值为100% ρMAC或100% ρPCSTEL；当有毒气体探测器的标准气调制有困难时，报警设定值可设定为不大于200% ρMAC或不大于200% ρPCSTEL；当有毒气体探测器的性能无法满足测量要求时，报警设定值也可设定为10% ρIDLH值。
笔者根据文献［1］、GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》［2］及文献［3］中的数据归纳出常见有毒气体的测量范围及报警值。由于规范及手册中的质量浓度单位为mg/m3，而工程设计及探测器产品中用到的单位为μL/L，因而需要注意单位之间的换算。单位换算成体积分数的常见有毒气体的测量范围及报警值见表1所列。
2.4混合气体中探测器的设置
在石油化工装置中，混合的可燃有毒气体工况环境是常态，对于混合气体的检测，文中分三种情况进行讨论。
2.4.1两种及两种以上的混合可燃气体
两种及两种以上的混合可燃气体的检测如下：
1） 由于石油化工装置中的可燃气体大部分为烃类，因而对于包含两种及两种以上的混合可燃气体，可用催化燃烧型气体探测器进行检测。根据混合气中每种可燃气体的体积分数和爆炸下限，依据理查特利定律计算出混合气体的爆炸下限。假设某含有2种可燃气体的混合气中，A气体：φA=28%，φLELA=1.8%；B气体：φB=72%，φLELB=2.5%，则混合气的爆炸下限计算如下：
φLEL混合气=1φAφLELA+φBφLELB=2.25%（1）
由于式（1）为理论计算值，气体探测器不可能通过理论值来进行标定，因而实际应用中，需计算分析混合可燃气体，针对首先达到爆炸下限的气体设置探测器即可。
2） 对于含有氢气的混合可燃气体，必须设置氢气专用催化燃烧型气体探测器，否则容易造成氢气引爆。
2.4.2两种及两种以上的混合有毒气体
对于包含两种及两种以上的混合有毒气体，需要根据每种有毒气体的体积分数φi，相对分子质量Mi，计算出其相应的质量浓度ρi，即：
ρi=φiMi22.4×106（2）
1）若混合气体中只有一种气体的质量浓度大于最高容许质量浓度，则只针对该气体设置有毒气体探测器。
2） 若两种及两种以上的混合有毒气体中，每种有毒气体的质量浓度均大于其相应的最高容许质量浓度，则需要计算哪种有毒气体先达到其相应的最高容许质量浓度。假设经过式（2）计算某混合有毒气体中有C和D两种有毒气体的质量浓度分别超过了其相应的最高容许质量浓度，C和D两种有毒气体对应的体积分数分别为φC和φD。最高容许质量浓度下有毒气体的体积分数为
φiMAC：φiMAC=ρiMACMi22.4×106（3）
通过式（3）得出C和D气体的最高容许质量浓度下的气体体积分数φCMAC和φDMAC，则：
a) 若φCφD>φCMACφDMAC，则气体C会先到达最高容许质量浓度，需设置有毒气体C探测器。
b) 若φCφD<φCMACφDMAC，则气体D会先到达最高容许质量浓度，需设置有毒气体D探测器。
c) 若φCφD=φCMACφDMAC，则气体C和D会同时到达最高容许质量浓度，需分别设置有毒气体C和D探测器。
2.4.3包含可燃气体和有毒气体的混合气体
对于包含可燃气体和有毒气体的混合气体，需要根据式（2）计算有毒气体的质量浓度是否可达到最高容许质量浓度，并且判断混合气体中可燃气体体积分数是否达到了25% φLEL。结合表2设置可燃和有毒气体探测器。
3可燃气体和有毒气体检测系统的设置
根据文献［1］和安监总管三［2014］116号文，安全仪表系统（SIS）设计中，应设置独立的GDS。
独立的GDS是指独立设置的可编程序控制器（PLC）、专用气体报警控制器或以微处理器为基础的其他电子产品来实现，其他系统如DCS，SIS，火灾及消防监控系统等的故障不会影响GDS的运行，GDS需按照一级负荷中的重要负荷供电。对于独立的GDS，应具备如下基本功能：
1） 为可燃、有毒气体探测器供电。
2） 接收气体探测器的输出信号，并在系统中显示报警。
3） 向消防系统发送报警信号和GDS故障信号。
4） 具有独立互不影响的报警功能，可以区分和识别报警场所、报警探测器位号。
5） GDS与探测器之间短路或断路、气体探测器故障、GDS故障的情况下，可以发出不同于可燃有毒气体质量浓度超限报警信号的声光报警。
6） 具有记录、存储、显示和历史事件记录功能。
4结束语
基于典型气体的测量范围和报警值的设定，探讨了可燃与有毒气体探测器的设置方式，总结了GDS的配置方案，为工程设计和企业应用提供有力参考。