王 珂

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 工程技術(shù)事業(yè)本部，上海 201999）

0 引言

寶山鋼鐵股份有限公司冷軋?zhí)幚砭€的爐子大多使用煤氣（主要成分一氧化碳）作為燃?xì)猓灿胁糠痔幚砭€的爐子使用天然氣（主要成分甲烷）作為燃?xì)?，爐子安裝在廠房內(nèi)，存在燃?xì)庑孤┑目赡苄?。一氧化碳和甲烷是有毒、有害、易燃、易爆氣體，一氧化碳在空氣中濃度超標(biāo)會使人中毒，甲烷在空氣中濃度超標(biāo)會使人窒息，嚴(yán)重危害人體健康和生命；泄漏燃?xì)夥e累到爆炸極限，遇火源可能發(fā)生火災(zāi)及爆炸事故。根據(jù)《石油化工企業(yè)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》及《寶鋼分公司在線一氧化碳?xì)怏w檢測報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定》，對于生產(chǎn)、使用或在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w和甲烷氣體的，以及可能有一氧化碳?xì)怏w和甲烷氣體泄漏進(jìn)行檢測時，需設(shè)置在線一氧化碳和甲烷氣體檢測報警系統(tǒng)。

圖1 接觸燃燒式基本回路圖Fig.1 Basic circuit diagram of contact combustion

而目前尚未設(shè)置一氧化碳和甲烷氣體濃度檢測報警裝置的爐子區(qū)域存在安全隱患，不滿足《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》GB6222-2005的規(guī)定。對冷軋廠未設(shè)置一氧化碳、甲烷在線檢測的機(jī)組上增設(shè)固定式一氧化碳、甲烷氣體檢測報警裝置是必要的。加熱爐、熱處理爐等燃燒器旁易產(chǎn)生煤氣泄漏，造成周圍生產(chǎn)及設(shè)備人員的中毒或者發(fā)生爆炸，這不僅會對工作人員的人身安全造成極大的危害，同時也給企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 可燃?xì)怏w檢測報警儀的工作原理及分類

根據(jù)工作原理，可燃?xì)怏w檢測報警儀主要分為四類。第一種是接觸燃燒型檢測器。這種檢測器是根據(jù)一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w與外部環(huán)境中的氧氣產(chǎn)生氧化反應(yīng)，引起敏感元件（如鉑絲）的電阻值因為溫度升高而增大。由于僅僅使用鉑絲的線圈作為檢測元件，會使傳感器的壽命較短，所以一般會在鉑絲圈外面覆蓋一層氧化物作為觸媒。這樣的做法不僅能夠延長傳感器的使用壽命，還能夠提高檢測元件的響應(yīng)特性。外部環(huán)境中的可燃性氣體濃度正常情況下都小于10%，可燃性氣體能夠完全燃燒，因此氧化反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)熱量跟可燃性氣體的濃度相關(guān)。外部環(huán)境中可燃性氣體的濃度發(fā)生變化，會使氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量發(fā)生變化，導(dǎo)致敏感元件的電阻值隨溫度變化而相應(yīng)變化。因此，只要能夠測量出敏感元件電阻的變化值，就能夠得出環(huán)境中可燃性氣體的濃度。接觸燃燒型檢測器最關(guān)鍵的部件就是惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，這種電橋由測量橋、參比橋組成。采取在測量橋涂上燃燒催化劑的方法可以使進(jìn)入傳感器內(nèi)的一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w進(jìn)行充分燃燒。當(dāng)電壓施加在參比橋和測量橋上時，就能夠使測量橋附近的可燃?xì)怏w加速燃燒，引起測量橋溫度升高、電阻下降，與此同時參比橋的溫度在整個燃燒過程中一直保持不變，這樣就可以通過特定的程序計算出可燃?xì)怏w的濃度值。接觸燃燒式傳感器基本回路圖如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

第二種是紅外吸收型檢測器。紅外吸收型檢測主要是通過紅外光源對外部環(huán)境中碳?xì)漕惖目扇嘉镂諄磉M(jìn)行紅外傳感。這種傳感器的檢測范圍很廣、精度非常高而且壽命長，缺點是價格非常昂貴[1]；第三種是電化學(xué)型檢測器。電化學(xué)型檢測的方法主要分為電位電解法和隔膜電極法。這種傳感器的工藝比較成熟，外部環(huán)境影響的因素較小，缺點是傳感器值只能夠使用只有1～2年，壽命比較短；第四種是半導(dǎo)體型檢測器。半導(dǎo)體型主要是利用被測氣體的吸附作用來改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。這種傳感器的特點主要是選擇性好、反應(yīng)靈敏，但是受到環(huán)境的影響比較大，傳感器的使用壽命為 3～4 年。目前常常采用陶瓷彈性膜片作為敏感元件進(jìn)行檢測。由陶瓷基體和陶瓷彈性膜片作為電容的固定電極和測量電極。一旦彈性膜片受到測量介質(zhì)傳來的外部壓力就會產(chǎn)生變形，導(dǎo)致兩極的間隙發(fā)生變化，引起電容量發(fā)生變化。電容量通過變換電路，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓或者電流信號。這種陶瓷彈性膜片在發(fā)生受力小撓度的變形時，電容與壓力的關(guān)系近似成線性函數(shù)。

催化燃燒型氣體檢測器與紅外光學(xué)型氣體檢測器一般用于可燃?xì)怏w檢測器，而電化學(xué)型和半導(dǎo)體型檢測器一般用作有毒氣體檢測器[2]。

2 可燃?xì)怏w檢測報警儀的設(shè)備構(gòu)成

可燃?xì)怏w的檢測報警系統(tǒng)最基本的組成應(yīng)該包括可燃?xì)怏w檢測探頭、報警指示單元（現(xiàn)場報警器、控制室報警器）、控制器、HMI，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

可燃?xì)怏w檢測探頭的作用是檢測外部環(huán)境中的可燃性氣體濃度，一旦檢測到環(huán)境中可燃?xì)怏w的濃度等于或高于設(shè)置的報警點時，報警指示單元就會啟動報警裝置，發(fā)出報警信號。檢測探頭一般選用具有二級報警點輸出的可顯示變送器，當(dāng)報警指示單元發(fā)出報警信號后，即使外部環(huán)境的氣體濃度下降至設(shè)置的報警點以下，也必須繼續(xù)報警直至操作人員確認(rèn)后，才能夠停止報警。報警控制器安裝的位置一般是現(xiàn)場和控制室內(nèi)，與檢測探頭一一相對獨立設(shè)置，信號輸入模塊也與檢測探頭一一對應(yīng)設(shè)置，用來控制各個監(jiān)測點?，F(xiàn)場報警器要設(shè)置在處于這個區(qū)域的工作人員從各個角度能夠覺察到聲光報警，保證氣體濃度管理區(qū)域、監(jiān)視區(qū)域的人在發(fā)生有毒氣體泄漏時退避到安全領(lǐng)域。

表1 常用氣體對應(yīng)的傳感器Table 1 Sensors corresponding to common gases

3 可燃?xì)怏w檢測報警儀在工程設(shè)計中需要考慮的問題

3.1 設(shè)計原則

在工程設(shè)計中，盡量采用在國內(nèi)其它類似處理線中使用的成熟技術(shù)和裝備，確保項目實施后設(shè)備能夠運行高效可靠，并在滿足使用功能要求的前提下，盡可能地減少工程量，節(jié)約投資。根據(jù)在線可燃?xì)怏w檢測報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定，在釋放源較為集中的煤氣設(shè)施、設(shè)備區(qū)內(nèi)，在一氧化碳?xì)怏w的釋放源附近應(yīng)設(shè)置檢測探頭，檢測探頭與釋放源的距離小于2m，吸入式檢測探頭與釋放源距離小于5m，探頭安裝高度靠近釋放源0.3m～0.6m；釋放源處于封閉或局部通風(fēng)不良的半敞開廠房內(nèi)，檢測探頭的間隔一般設(shè)置為15m，不宜大于20m；釋放源處于室外或敞開區(qū)域時，檢測探頭的間隔一般設(shè)置為30m；對于多層煤氣設(shè)施、加熱爐上下層之間的檢測探頭設(shè)置時，應(yīng)當(dāng)考慮相互錯位放置。

3.2 可燃?xì)怏w檢測報警儀的選型事項

可燃?xì)怏w檢測報警儀主要是合理選用傳感器（即檢測探頭），控制器只要與之配套使用就行了。常用氣體選用情況見表1。

其中，一氧化碳檢測器的檢測原理一般采用電化學(xué)型，但是當(dāng)存在特殊環(huán)境的限制時（高濃度一氧化碳?xì)怏w存在的場合時），不能選用電化學(xué)型，此時可選擇半導(dǎo)體型檢測探頭，同時考慮被檢測氣體同安裝環(huán)境中可能存在的其他氣體的交叉影響。

3.3 可燃?xì)怏w檢測報警儀外部影響因素及現(xiàn)場安裝注意事項

可燃?xì)怏w檢測報警儀為精密儀器，要避免設(shè)置在有震動或者有可能發(fā)生撞擊的地方，避免設(shè)置在有液體附著的場所?？扇?xì)怏w檢測報警儀敏感元件電阻率取決于外部環(huán)境是否發(fā)生變化，一旦環(huán)境的溫度、濕度變大或者變小就會引起測量數(shù)值發(fā)生波動。所以可燃?xì)怏w檢測探頭安裝的距離要和制冷、制暖設(shè)備盡可能大，從而減少外部環(huán)境中的冷、暖變化引起鉑絲的電阻率的變動，導(dǎo)致測量的數(shù)值發(fā)生波動，出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤報的現(xiàn)象發(fā)生。此外，可燃?xì)怏w檢測報警儀還應(yīng)該考慮電磁波的干擾，電源、電纜信號的脈沖以及人體靜電等多種因素的影響[3]。因此，在安裝可燃?xì)怏w檢測報警儀時，應(yīng)將周圍干擾信號源和干擾機(jī)器進(jìn)行隔離（主機(jī)及電纜），避免靠近周圍有高強電波、高電壓機(jī)器。工廠有室外配線的話，引入室內(nèi)的配線需要注意防雷。雷電發(fā)生時將有巨大的電磁干擾，將對信號源、可燃?xì)怏w報警檢測儀本身的電纜等產(chǎn)生很大的破壞性干擾。 防爆區(qū)域的檢測探頭應(yīng)根據(jù)使用場所爆炸區(qū)域的劃分，選擇防爆檢測探頭，防爆型式可選用隔爆型或本質(zhì)安全防爆型。

4 結(jié)束語

可燃?xì)怏w檢測報警儀的型號選擇、檢測探頭的布置以及安裝要遵守相關(guān)的技術(shù)準(zhǔn)則，避免盲目選擇檢測儀的類型和追求數(shù)量的做法。冷軋?zhí)幚砭€可燃?xì)怏w檢測報警儀自實施以來，總體運行穩(wěn)定、可靠，設(shè)備性能能夠得到保證。在加熱爐、熱處理爐等生產(chǎn)設(shè)備的安全生產(chǎn)中，對可燃?xì)怏w泄漏的監(jiān)測起到了非常重要的意義，保障了現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)人員的人身、財產(chǎn)安全和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。