王以懿

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

在石化、化工及醫(yī)藥生產裝置中，常用的可燃氣體和有毒氣體檢測器多為點式氣體檢測器。檢測器連續(xù)地檢測生產裝置或作業(yè)環(huán)境中可燃氣體和（或）有毒氣體的泄漏情況，及時發(fā)出報警，通知有關人員采取有效措施，并可根據(jù)安全要求，啟動相關設施（如排風機、汽幕等）， 防止爆炸、火災或人身中毒事件發(fā)生，保障生產和人身安全。

可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)是否能夠合理應用，關鍵看三個方面：一是檢測方法的正確選用；二是報警系統(tǒng)的正確配置；三是檢（探）測器的合理布置和正確安裝。

1 可燃氣體檢測

1.1 檢測原理

這里的可燃氣體特指火災危險性分類為甲類的可燃氣體,或甲、乙A 類可燃液體氣化后形成的可燃氣體。目前常用的可燃氣體檢測方法主要有催化燃燒式、熱導型和紅外線式三種。而催化燃燒式檢測器是目前使用最多的檢測器[1]。它的測量結果是以爆炸下限（LEL）體積百分數(shù)表示，工作原理也相對簡單：當可燃氣體通過惠斯頓平衡電橋回路的兩個經過耐久處理，含有催化劑的檢測元件和補償元件時，兩元件中的鉑絲會加熱到同一溫度。并且在檢測元件內催化劑的作用下，可燃氣體會在較低的濃度（爆炸下限以下）和較低的加熱溫度下也能產生催化燃燒反應，使檢測元件的溫度升高，相應的，電阻的阻值會增大，電壓上升，造成電橋不平衡，產生電位差，在電流表上形成弱電流。同時，經過補償元件的可燃氣體經過時，與其活性催化劑發(fā)生催化燃燒反應，使其電阻升高，以補償因檢測環(huán)境中溫度、濕度等的改變而引起的變化，從而保持電橋平衡，使檢測元件能保持同一特性以保證輸出電流的穩(wěn)定。可燃氣體的濃度就可以從電流表上顯示出來了，而且可燃氣體的濃度與輸出電流之間還呈線性關系[2]。

1.2 標定原理

大部分可燃氣的濃度與該可燃氣的燃燒熱之間存在相應關系，這些可燃氣的爆炸下限濃度LEL 與其燃燒熱Q 的乘積近似等于同一常量，從表1 可以清楚看到，不同氣體在爆炸下限濃度時完全燃燒所產生的熱量比較接近（介于9～12 kcal 之間）。既然不同氣體的燃燒熱基本相同，那么選擇某一種由代表性的氣體作為校正其他，將待測氣體的燃燒熱與標定氣體的燃燒熱作比較，就可以近似得出待測氣體的濃度值，因此，理論上說，用一塊表可以粗略測量多種待測氣體的濃度值[3]。但表中也可見,對于少數(shù)的幾種可燃氣體，比如：氫氣、二硫化碳、乙炔等，它們在爆炸下限濃度時完全燃燒產生的燃燒熱量值與9 kcal 差較遠。

部分常見可燃氣體的爆炸下限濃度和燃燒熱的比較可見表1。

根據(jù)《可燃氣體檢測報警器檢定規(guī)程（JJG 693-2011）》規(guī)定，標定氣體可采用與儀器所測氣體種類相同的氣體，若儀器未注明所測氣體種類，可以采用異丁烷或丙烷氣體標準物質。不同氣體達到了相同的燃燒熱，即代表達到該氣體LEL 濃度，故催化燃燒式氣體檢（探）測器又被稱為LEL 檢（探）測器。因此除氫氣、二硫化碳、乙炔外，都可選用同一種可燃氣檢（探）測器。若檢測混合氣體，則按靈敏度最低的氣體設定報警值。

表1 爆炸下限濃度和燃燒熱的關系

1.3 實際應用

以某苯乙烯裝置為例，可燃氣體組分有苯、乙烯、乙苯、甲烷、苯乙烯、甲苯和氫氣時，選用了通用的LEL 檢（探）測器，除氫氣外的氣體都可以用丙烷氣體標準物質標定，這是因為使用催化燃燒方式測量的這些氣體爆炸下限濃度完全燃燒產生的燃燒熱量值都近似等于丙烷的燃燒熱值。而測氫氣的檢測器就只能選用專用氫氣標準介質標定。

2 有毒氣體檢測

2.1 檢測原理及標定方法

這里的有毒氣體指在職業(yè)活動過程中通過機體接觸可引起急性或慢性有害健康的氣體，常見的有二氧化碳、硫化氫、苯、氨、氯氣、一氧化碳、氯乙烯等[4]。詳見表2。

目前常用的有毒氣體檢測方法主要有電化學式、半導體式和紅外線式三種，其中最為普遍、技術相對成熟、綜合指標最好的方法就是電化學式。電化學的傳感器的構成是：將兩個反應電極（分別是工作電極和對電極）以及一個參比電極放在特定電解液中，然后在反應電極之間加入足夠的電壓，使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測氣體進行氧化還原反應，再通過儀器中的電路系統(tǒng)測量氣體電解時產生的電流，然后由其中的微處理器計算出氣體的濃度。

表2 常見毒物的PC-TWA、PC-STEL、MAC（mg/m3）

由于傳感器是借助于氣體本身的物理或化學性質，通過技術將其轉化為可被傳輸?shù)碾娦盘?，因此作為相對檢測技術，檢（探）測器必須用標準濃度的氣體進行標定。一般采用檢（探）測器全量程的50～70%濃度的標準氣（不含被測氣體或其它干擾氣的清潔空氣或氮氣混合被測氣體的混合氣，其濃度和不確定度均為已知）做為標定氣。

2.2 參數(shù)定義及關聯(lián)

表2 中，有三個參數(shù)要注意,分別是[4]：

PC-STEL：短時間接觸容許濃度(Permissible concentration-Short Term Exposure Limit，PC-STEL)，指一個工作日內，任何一次接觸不得超過的15 min 時間加權平均的容許接觸水平。

PC-TWA：時間加權平均容許濃度（Permissible concentration-Time Weighted Average，PC-TWA），指以時間為權數(shù)規(guī)定的8 h 工作日的平均容許接觸水平。

MAC： 最 高 允 許 濃 度（Maximum Allowable Concentration，MAC），指工作地點在一個工作日內任何時間均不應超過的有毒化學物質濃度。

對大多數(shù)物質而言，僅有PC-TWA 或同時有PCTWA 和PC-STEL，而有些物質只有MAC。許多有PC-TWA 的物質尚未制定PC-STEL。然而，即使8 h TWA 未超過PC-TWA，也應控制大于PC-TWA 的漂移上限。漂移上限適用于那些有PC-TWA，但沒有PCSTEL 的物質。勞動者接觸水平的漂移上限在一個工作日中可以超過PC-TWA 的3 倍，總接觸時間不超過30 min。如果日TWA 濃度超過PC-TWA，PC-STEL 并不一定能保護勞動者免遭損害。PC-STEL 不是一個獨立的接觸指南，而是PC-TWA 的補充，補充那些已知的以慢性毒作用為主的物質的急性毒害作用。

可能某些毒物要求使用MAC 而不是PC-TWA 漂移上限或PC-STEL。MAC 確定了不容許超過的接觸濃度界限，而PC-TWA 要求高于PC-TWA 的可接受的漂移上限。適用于MAC 的短時間一次采樣并不適于PCTWA；需要用足夠的樣本量來測定一項完整的操作周期或整個工作班的TWA。

2.3 測量范圍

根據(jù)《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范（GB50493-2009）》規(guī)定，有毒氣體的測量范圍宜為0～300%最高容許濃度或0～300%短時間接觸容許濃度，即為3 倍的MAC 或3 倍的PC-STEL。

2.4 報警值設定

根據(jù)《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范（GB50493-2009）》規(guī)定，有毒氣體的報警值宜小于或等于100%最高容許濃度/短時間接觸容許濃度，當試驗用標準氣調制困難時，報警設定值可為200%最高容許濃度/短時間接觸濃度以下。實際方法是當該被測有毒氣體同時有PC-TWA 和PC-STEL 參數(shù)時，一級報警設定值可設定為該有毒氣體的PC-TWA 值，二級報警值為PC-STEL 值；當被測氣體僅有PC-TWA 參數(shù)時，一級報警設定值可等于PC-TWA，二級報警設定值等于PC-TWA 乘以2 的值；如該氣體僅有MAC 參數(shù)，則MAC 數(shù)值即為氣體的一級報警設定值。

2.5 實際應用

以上述苯乙烯裝置為例，該裝置的待測有毒氣體為苯，由表2 查得苯的分子量是78.11，苯的PC-TWA值和PC-STEL 值（分別為6 mg/m3和10 mg/m3）。據(jù)2.3 節(jié)所述，該檢（探）測器的測量范圍是3 倍的PCSTEL，即為10×3=30 mg/m3，所以量程選為0～39 mg/m3。而據(jù)2.4 節(jié)所述，若一級報警設定值設定為苯的PC-TWA 值，二級報警值為PC-STEL 值，則該檢（探）測器的一級報警值應設定為6 mg/m3，二級報警值應設定為10 mg/m3。但是在生產過程中，這個報警值設定得過低，容易發(fā)生誤報警，因此可按200%短時間接觸濃度（PC-STEL）來設定，即一級報警值設定為10 mg/m3，二級報警值設定為20 mg/m3。當苯濃度達到10 mg/m3時，有毒氣體檢（探）測器便應報警。

3 檢測方法

3.1 擴散式

氣體的檢測方法將直接影響檢（探）測器的響應時間。大多數(shù)情況下，可燃氣體和有毒氣體的檢測方式都是自然擴散式，即這些氣體的檢測是采用擴散式檢（探）測器。擴散式是利用氣體自然向四處傳播的特性，它的優(yōu)點是將被測氣體直接引入，不需做物理和化學變換。但是相對的，由于擴散過程漸趨減慢，所以要求擴散式檢（探）測器的位置接近測量點。而當受某些條件制約不適宜使用擴散式檢（探）測器時，比如氣流和流速經常變化；因少量泄露有可能引起嚴重后果等的情況下，可采用吸入式檢（探）測器來檢測可燃、有毒氣體。

3.2 吸入式

吸入式檢（探）測器的原理，就是在檢（探）測器中內置泵或者外部連接一個泵，將氣體吸入到檢（探）測器中，進行檢測，因此泵吸式采樣方式就是吸入式的一種叫法。將測量點的被測氣體樣本引到檢（探）測器可能經過一段距離，距離長短的要求主要根據(jù)各家生產廠家的產品設計參數(shù)。以某廠家的產品為例，該廠家的樣本上，某種型號的手持式多氣體檢（探）測器是內置泵采樣，最長采樣距離10 m，就表示該檢（探）測器是吸入式的采樣方式，而檢（探）測器距離可能的泄漏點的位置最多不能遠于10 m。

4 報警系統(tǒng)的配置

石油化工企業(yè)可燃氣體和有毒氣體的檢測，除了極個別的對象有特殊的聯(lián)動要求外，大量的應用于報警。

可燃氣體、有毒氣體檢測報警系統(tǒng)應根據(jù)裝置的規(guī)模、業(yè)主的安全管理要求、生產裝置的檢測點數(shù)量和檢測報警系統(tǒng)的技術要求，綜合考慮指示報警設備的設計方案。當可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)與生產過程控制系統(tǒng)（包括DCS 等）合并設計時，應考慮相應的安全措施，保證裝置生產過程控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或停用時，可燃氣體及有毒氣體檢測報警系統(tǒng)仍能保持正常工作狀態(tài)[4]?？扇細怏w和有毒氣體的檢測報警系統(tǒng)的檢測與發(fā)出報警信號的功能，不應受對應裝置生產控制儀表系統(tǒng)故障的影響。指示報警設備發(fā)出報警后，只有經過確認并采取措施后，才能停止報警。

工藝裝置和儲運設施現(xiàn)場固定安裝的可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)，宜采用不間斷電源（UPS）供電。

5 檢（探）測器的布置和安裝

布置檢(探)測器的檢(探)測點，要結合氣體的性質、釋放源的特性、生產場地布置、地理條件等來綜合考慮,并要選擇氣體易于積累和便于采樣之處。一般在有毒氣體壓縮機和液體泵的密封處，液、氣體采樣口，催化劑儲存設備周圍以及換熱器處布置可燃、有毒氣體的檢（探）測器[4]。設在爆炸危險區(qū)域2 區(qū)范圍內的在線分析儀表間，應設可燃氣體檢（探）測器；控制室、機柜間、變配電所的空調引風口、電纜溝和電纜橋架進入建筑物的洞口處，且可燃氣體和有毒氣體有可能進入時，宜設置檢（探）測器。仍以上述苯乙烯裝置為例，該裝置在儀表機柜間的新風進口處和分析小屋均設有可燃氣體和有毒氣體的檢測點，在氣體壓縮機和液體泵密封處也是如此。

5.1 檢（探）測器的布置原則

在工藝裝置中，當釋放源處于封閉、通風不良的廠房里，可每隔15 m 設一臺檢（探）測器，且可燃氣體和有毒氣體的檢（探）測器到其所覆蓋的任一釋放源的距離分別不宜大于7.5 m 和1 m。此時如果被測氣體比空氣輕（將空氣的密度0.97 kg/m3作為參比，在標準狀況下相對氣體密度大于0.97 kg/m3的即認為比空氣重,反之則是比空氣輕），則除了應在釋放源上方設置檢（探）測器外，還應在廠房內最高點，氣體易于聚集處設置檢（探）測器。

而當釋放源處于露天或敞開式廠房布置的區(qū)域內，則要根據(jù)檢（探）測點與釋放源的相對位置來區(qū)別布置：

（1）當檢（探）測點位于釋放源的上風側時，可燃氣體和有毒氣體檢（探）測點與釋放源的距離分別不宜大于15 m 和2 m；

（2）當檢（探）測點位于釋放源的下風側時，可燃氣體和有毒檢（探）測點與釋放源的距離分別不宜大于5 m 和1 m[4]。

5.2 固定式檢（探）測器的安裝

檢測比空氣重的可燃氣體或有毒氣體時檢測器的安裝高度應高出地坪或樓板0.3～0.6 m[5]。檢測比空氣輕的可燃氣體或有毒氣體時，檢測器可以安裝在高于釋放源1～2 m 處，或安裝于上部易積聚可燃氣體或有毒氣體處。當檢測與空氣分子量接近且極易與空氣混合的有毒氣體時，檢（探）測器的安裝高度應與現(xiàn)場操作人員的呼吸高度相近，距地面1.5 m 左右[5]。

6 結束語

綜上所述，唯有根據(jù)被測氣體的特性選擇檢測方法和確定檢測器的安裝位置，合理布置以及嚴格保證可燃氣體和有毒氣體系統(tǒng)報警的有效性，才能稱得上是合理應用了可燃氣體和有毒氣體的檢測報警系統(tǒng)，以達到保證人員和裝置安全的目的。

[1] 陸國平.催化燃燒與紅外吸收原理可燃氣體探測器探討[J].化工與醫(yī)藥工程, 2014, 35(3):61-64.

[2] 馮偉.簡述使用異丁烷校正一般可燃氣體檢測儀.http://wenku.baidu.com

[3] 潘路，李選民，歐陽曉東.可燃氣體檢測儀的校正系數(shù)及其應用[J].工業(yè)安全與環(huán)保, 2005, 31(3).

[4] GB50493-2009 石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范[S].

[5] 中石化上海工程有限公司.工程自動化設計應用手冊[M].上海：國際科教出版社, 2004, 583-588.