方旭鋒

(嘉科工程(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215021)

根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的要求，為預(yù)防人身傷害以及火災(zāi)與爆炸事故的發(fā)生，保障石油化工企業(yè)的安全，石油化工企業(yè)新建、擴(kuò)建及改建工程中存在釋放源的位置應(yīng)進(jìn)行可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警的設(shè)計(jì)。以下僅對(duì)催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器進(jìn)行論述。

1 催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器原理

催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器的工作原理[2]如圖l所示，它是利用加熱后電阻的變化來(lái)推算出可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)。

圖1 催化燃燒型可燃?xì)怏w報(bào)警器的原理示意

報(bào)警器的傳感器是由1對(duì)催化燃燒型檢測(cè)元件(A和B)和另1對(duì)電阻(R1和R2)組成，4個(gè)元件構(gòu)成了惠斯通電橋。當(dāng)可燃?xì)怏w接觸到檢測(cè)元件時(shí)，受催化劑的影響，會(huì)有無(wú)焰燃燒現(xiàn)象產(chǎn)生，導(dǎo)致鉑絲表面發(fā)生了氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高，從而使其電阻阻值發(fā)生變化。圖1 中，C處惠斯通電橋兩臂分別連接參比補(bǔ)償元件和涂有催化劑的熱敏檢測(cè)元件，另外2個(gè)橋臂接2只電阻值固定。鉑絲變化的阻值造成了電橋的失衡，產(chǎn)生了1個(gè)毫伏級(jí)的電信號(hào)，通過(guò)該信號(hào)便能計(jì)算出環(huán)境中的可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)。在各種氣體檢測(cè)報(bào)警器中常使用的報(bào)警器的類型就是催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器。

2 可燃?xì)怏w探頭標(biāo)定氣體的選擇

可燃?xì)怏w探頭輸出的氣體體積分?jǐn)?shù)值實(shí)質(zhì)是對(duì)催化燃燒在橋臂上生成熱的反映。假設(shè)該反映是線性的，即熱量的多少反映為橋臂溫度的高低，即對(duì)應(yīng)輸出的電阻值的線性變化。當(dāng)釋放源有且僅有1種氣體時(shí)，可燃?xì)怏w探頭出廠標(biāo)定即可按該種氣體進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)存有多種氣體時(shí)，需要提出氣體的成分；實(shí)際應(yīng)用中，尤其是精細(xì)化工場(chǎng)合，工藝專業(yè)人員往往會(huì)提出幾種甚至十幾種的可燃?xì)怏w成分，使得儀表專業(yè)人員選擇標(biāo)定氣體提供給廠商時(shí)產(chǎn)生了難題。經(jīng)驗(yàn)做法是按照爆炸下限(LEL)最低的可燃?xì)怏w作為廠商的出廠標(biāo)定氣體，此處對(duì)該做法進(jìn)行論證。

2.1 可燃?xì)怏w實(shí)際濃度與探頭指示值的轉(zhuǎn)化

單位體積的摩爾濃度和摩爾焓(Hm)的乘積所得熱值，決定了電阻值的變化，可換算得到可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)值。文獻(xiàn)[1]中規(guī)定可燃?xì)怏w的測(cè)量范圍為0～100%LEL，可燃?xì)怏w的一級(jí)報(bào)警設(shè)定值不大于25%LEL，可燃?xì)怏w的二級(jí)報(bào)警設(shè)定值不大于50%LEL。文獻(xiàn)[1]中附錄A 常用可燃?xì)怏w、蒸汽特性表列出了常用可燃?xì)怏w、蒸汽的LEL值，通過(guò)LEL值換算可計(jì)算每種氣體在傳感器上獲得的熱量。

單位體積甲烷氣體達(dá)到LEL時(shí)產(chǎn)生的Hm為

(1)

因此，標(biāo)定用于測(cè)量甲烷氣體的可燃?xì)馓筋^，測(cè)得甲烷氣體100%LEL時(shí)的鉑絲電阻值對(duì)應(yīng)的鉑絲溫度所需的熱量值為1 989.04 kJ/m3。假設(shè)電阻值隨熱量的變化為線性，標(biāo)定25%LEL和50%LEL指示值即對(duì)應(yīng)于探頭檢測(cè)到0.25×1 989.04=497.3 kJ/m3和0.5×1 989.04=994.5 kJ/m3熱量所對(duì)應(yīng)的鉑絲電阻值。

以下對(duì)環(huán)境中存在多種氣體的情況進(jìn)行討論。文獻(xiàn)[1]中2.0.1定義可燃?xì)怏w是指甲類可燃?xì)怏w或甲、乙A類可燃液體氣化后形成的可燃?xì)怏w。從文獻(xiàn)[1]中選取29種典型氣體分別進(jìn)行熱值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所列。為了便于觀察，對(duì)100%LEL時(shí)生成的熱量進(jìn)行由小到大排序。

2.2 選取爆炸下限濃度最低的氣體作為標(biāo)定氣體的缺陷

多種可燃?xì)怏w共存時(shí)，經(jīng)驗(yàn)選取LEL最低的氣體作為探頭的標(biāo)定氣體，從原理上而言并不準(zhǔn)確。為了解釋該觀點(diǎn)，以理論上氫氣和乙炔密度均為比空氣小的氣體進(jìn)行演算： 當(dāng)2種氣體同時(shí)存在時(shí)，乙炔的爆炸體積分?jǐn)?shù)下限為2.5%，氫氣的爆炸體積分?jǐn)?shù)下限為4%，則只設(shè)置乙炔標(biāo)定的可燃?xì)怏w探頭。

表1 29種典型可燃?xì)怏w熱值計(jì)算結(jié)果

25%LEL時(shí)的熱量362.6 kJ/m3，測(cè)得乙炔的體積百分比為0.625%，即25%LEL，可燃?xì)怏w探頭因測(cè)到25%LEL量程發(fā)生報(bào)警。假設(shè)實(shí)際情況是此時(shí)泄漏的全為氫氣，乙炔氣體并未發(fā)生泄漏。對(duì)應(yīng)產(chǎn)生熱量362.6 kJ/m3時(shí)氫氣的體積分?jǐn)?shù)以LEL的形式表示為

(2)

當(dāng)可燃?xì)怏w探頭發(fā)生二級(jí)報(bào)警時(shí)，即檢測(cè)到50%LEL，電阻值對(duì)應(yīng)檢測(cè)到的熱量為725.2 kJ/m3，而此時(shí)氫氣的體積分?jǐn)?shù)以LEL的形式表示為

(3)

此時(shí)的環(huán)境已經(jīng)處于氫氣的爆炸范圍，隨時(shí)可能發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，但可燃?xì)怏w報(bào)警此時(shí)才發(fā)出二級(jí)報(bào)警。因此，該經(jīng)驗(yàn)并不適用于氫氣和乙炔氣體都可能泄漏的場(chǎng)合。筆者會(huì)對(duì)比空氣密度小的幾種氣體都單獨(dú)考慮。實(shí)際上根據(jù)文獻(xiàn)[1]6.1.1條條文說(shuō)明，乙炔屬于比空氣密度大的氣體，而GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中 2.0.25,2.0.26條款定義乙炔密度不大于空氣，亦不小于空氣，應(yīng)酌情考慮。由于規(guī)范更新滯后的問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]中6.1.1 條條文解釋標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下相對(duì)氣體密度大于0.97 kg/m3，認(rèn)為比空氣重，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下相對(duì)氣體密度小于0.97 kg/m3，比空氣輕。相對(duì)空氣密度為0.97/1.29=0.752，與文獻(xiàn)[4]規(guī)定相對(duì)密度小于0.8比空氣輕，相對(duì)密度大于1.2比空氣重有矛盾。

2.3 選取爆炸下限濃度最低的氣體作為標(biāo)定氣體的注意事項(xiàng)

工程實(shí)踐中,在多種密度大于空氣的可燃?xì)怏w同時(shí)存在的場(chǎng)合，可以采用選取LEL最低的氣體的經(jīng)驗(yàn)方法選取可燃?xì)怏w探頭的標(biāo)定氣體。觀察表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，烴類氣體的相對(duì)分子質(zhì)量越大，Hm越大；分子中碳?xì)湓雍吭蕉?，Hm越大。而可燃?xì)怏w報(bào)警器測(cè)得的氣體濃度由傳感器所吸收的熱值決定，即單位體積內(nèi)某種可燃?xì)怏w在某濃度值下所含的摩爾數(shù)與該物質(zhì)Hm的乘積決定。因此，多種氣體存在時(shí)可燃?xì)怏w探頭標(biāo)定氣體的選擇實(shí)質(zhì)是按25%LEL時(shí)所需的熱值最小值選取，該值在文獻(xiàn)[1]中并沒(méi)有給出，而實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)是多種可燃?xì)怏w同時(shí)存在時(shí)選擇LEL最小的氣體作為標(biāo)定氣體，兩者的選取有差異存在。對(duì)29種典型氣體在被可燃?xì)怏w探頭測(cè)得25%LEL時(shí)所需的熱值進(jìn)行排序，詳見(jiàn)表1所列。對(duì)比空氣密度大的氣體選取最不利情況進(jìn)行計(jì)算： 由表1可以看出，丁醇和辛烷同時(shí)存在是最不利情況。因?yàn)樾镣長(zhǎng)EL為1%，丁醇LEL為1.4%，工程實(shí)踐中會(huì)選取辛烷為可燃?xì)怏w的探頭的標(biāo)定氣體。

當(dāng)可燃?xì)怏w探頭測(cè)到25%LEL量程報(bào)警時(shí)，探頭測(cè)得熱量為615.4 kJ/m3，而此時(shí)假設(shè)全部泄漏氣體為丁醇，計(jì)算丁醇在探頭附近的體積分?jǐn)?shù)值以LEL的形式表示為

(4)

當(dāng)可燃?xì)怏w探頭測(cè)到50%LEL量程報(bào)警時(shí)，探頭測(cè)得熱量為1 230.8 kJ/m3，而此時(shí)假設(shè)全部泄漏氣體為丁醇，計(jì)算丁醇在探頭附近的體積分?jǐn)?shù)值以LEL的形式表示為

(5)

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在所有樣氣中最不利的情況下，即丁醇和辛烷同時(shí)存在的場(chǎng)合，選用辛烷可燃?xì)怏w探頭卻只探測(cè)到丁醇泄漏的情況，當(dāng)探測(cè)到25%LEL量程報(bào)警時(shí)，丁醇在探頭所處環(huán)境的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)為36.8%LEL，并未發(fā)生危險(xiǎn)；當(dāng)發(fā)生50%LEL聯(lián)鎖時(shí)，丁醇在探頭所處環(huán)境的體積分?jǐn)?shù)為73.7%LEL，未達(dá)到LEL，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境仍處于可控狀態(tài)。

3 催化燃燒型可燃?xì)怏w探頭選用的注意事項(xiàng)

依據(jù)文獻(xiàn)[1]中的規(guī)定，可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器應(yīng)取得防爆性能認(rèn)證[5]和消防認(rèn)證[6]。催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器必須滿足氧氣體積分?jǐn)?shù)大于10%的環(huán)境才能工作?？扇?xì)怏w的檢測(cè)常用催化燃燒方式的檢測(cè)報(bào)警器，若檢測(cè)器安裝場(chǎng)所的環(huán)境中含有對(duì)可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器有影響的有害組分時(shí)，可選用普通型或抗毒性檢測(cè)器。鹵化物(氟、氯、溴、碘)、硫化物、硅烷及含硅化合物、四乙基鉛等物質(zhì)能使檢測(cè)器元件中毒。含有毒性物質(zhì)，會(huì)降低檢測(cè)器的使用壽命；毒性物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)過(guò)高、會(huì)使檢測(cè)器無(wú)法工作。一般檢測(cè)可燃?xì)怏w的催化燃燒型可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器對(duì)氫氣有引爆性，對(duì)氫氣的檢測(cè)應(yīng)選用專用的催化燃燒型氫氣檢測(cè)器,為了保證現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件提出對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能要求。檢測(cè)器的選用，應(yīng)考慮使用環(huán)境溫度以及被檢測(cè)的氣體同安裝環(huán)境中可能存在的其他氣體的交叉影響選取最不利情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特征，考慮檢測(cè)器的防水、防腐、防潮、防塵、防爆和抗防電磁干擾等要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在工程實(shí)踐中，當(dāng)多種比空氣密度大的氣體同時(shí)存在的情況，按照LEL小的氣體進(jìn)行選擇標(biāo)定氣體是一個(gè)有效的方法，但氫氣、乙炔氣體應(yīng)單獨(dú)考慮。由于可燃?xì)怏w探頭的檢測(cè)有時(shí)間滯后，以及量程零點(diǎn)漂移等由其他軟硬件或電子元器件及環(huán)境因素造成影響，定期檢驗(yàn)可燃?xì)怏w探頭是有必要的。定期檢驗(yàn)校準(zhǔn)可以保證可燃?xì)怏w探頭的準(zhǔn)確性，確保探頭可以及時(shí)報(bào)警，盡量減少危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

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