可燃有毒气体检测报警系统在粉煤加压气化装置中的应用

2014-02-18郭宏远李冰

仪器仪表用户 2014年2期

郭宏远，李冰

（航天长征化学工程股份有限公司电控室，北京 101111）

0 引言

可燃有毒气体检测报警系统是用来检测可燃或有毒气体泄露并发出报警的仪表系统。煤气化是发展新型煤化工的重要单元技术，HT-L粉煤加压气化是我国自主研发的一套结构简单、有效实用的煤气化工艺，其工艺主要有以下几个工段：磨煤及干燥系统、煤加压输送系统、气化及合成气洗涤、渣及灰水处理。整个过程装置中，存在着一些易燃易爆、有毒有害的气体，例如：磨煤及干燥单元中使用的隋性气体发生器装置由于引入了燃料气，容易发生CO、H2气体的泄露；气化炉合成气出口处、粉煤烧嘴处等也容易发生可燃有毒气体的泄露或积聚。因此根据SH3063-1999《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》和GB50493-2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》，有必要在粉煤加压气化生产装置中设置性能可靠的气体检测报警系统，以保障生产和人身安全。

1 气体检测报警系统的配置

气体检测报警系统最基本的构成应包括报警器和检测器，或由检测器和指示报警器组成，也可以是专用的数据采集系统与检测器组成的检测报警系统[1-2]。

1.1 现阶段常用配置

现阶段可燃有毒气体检测报警系统的配置构成主要有以下几种：

1）检测器+报警控制器。

2）检测器+报警控制器+DCS。

3）检测器+GDS+DCS。

4）检测器+DCS。

方案1）配置简单，投入小，操作方便，使用较广泛；方案2）与3）功能完善，且系统可靠性高，目前比较常用。方案4）简单易实施，但是GB50493-2009第3.0.9条规定：可燃气体和有毒气体检测报警系统宜独立设置，所以笔者在此并不推荐[3]。

1.2 粉煤加压气化装置中的配置

煤化工项目一般由多个工艺装置组成，规模较大，流程较长，各项目有不同的控制系统配置，常常会设置现场机柜间。针对不同的控制系统方案布置，可燃有毒气体检测报警系统的设置也相应不同。

1.2.1 控制柜位于中控室

以某乙二醇项目气化装置为例，现场仪表通过电缆直接接至中控室，未设现场机柜间。可燃有毒气体检测报警系统的配置采用：检测器+报警控制器，如图1所示。现场气体检测器的信号送至报警控制器，每一个检测器对应一台报警控制器，组成一个回路。报警控制器安装在可燃有毒控制机柜中，此机柜位于中控室内。当现场检测到气体泄露，将数据传至报警控制器并达到其报警设定值时，报警控制器便发出声光报警，位于操作站的工作人员能够很快听到并定位泄露点，及时采取应对措施。这样的配置简单便捷，但也有不足之处，即不具备数据记录功能。因此可以为其在中控室内设立一个独立的上位控制系统，满足历史事件记录、报表、查询等功能。

图1 “检测器+报警控制器”结构图

1.2.2 控制柜位于现场机柜间

在某年产60万吨合成氨项目中，气化装置距离中控室较远，设置了气化现场机柜间。安装有报警控制器的可燃有毒控制系统机柜位于现场机柜间内，因此必须将报警信息传送至中控室内。此项目的可燃有毒气体检测报警系统可以采用两种配置。

检测器+报警控制器+DCS，如图2所示。位于机柜间的气体报警控制器将现场检测器采集到的数据，以RS485的通讯方式上传给DCS，在DCS中实现显示、报警、历史数据记录等功能，并能进行流程图组态，直观地显示出气体检测器的分布图，便于操作人员快速定位气体泄露点[4]。

图2 “检测器+DCS”结构图

2）检测器+GDS（+DCS），如图3所示。与上述与DCS通讯不同，报警控制器将数据传送给单独设置的可燃有毒上位机，即GDS（Gas Detect System）。GDS是以PLC为核心的可燃有毒气体检测专用系统，通过配置专用的上位机及控制系统来实现独立的显示、报警、数据记录等功能[5]。

图3 “检测器+GDS（+DCS）”结构图

2 检测器与报警控制器的选型

有毒及可燃气体检测器是常用的精密检测分析仪表，为了保证现场检测的可靠性，应根据被测气体的性质和现场的环境条件，选择满足性能要求的检测器。并结合现场环境特征，考虑检测器的防尘、防爆、防腐、防潮、防水和抗防电磁干扰等要求。

在现阶段，可燃气体检测器以催化燃烧式、红外线式最为常见。对氢气的检测应选用专用的催化燃烧型氢气检测器或采用热传导型检测器或半导体型检测器[6]。有毒气检测器比较常用的有电化学、金属氧化半导体（固态）、红外式等。

有毒可燃气体报警器应至少具备信号设定、信号显示、声光报警三个基本功能，并能为其所连接的可燃有毒气体检测器供电，并且应具有开关量输出功能。对于报警器的选择，GB50493-2009第5.3条有详细的规定。

2.1 检测器的选型

粉煤加压气化工艺流程中，热风炉燃料气入口处、气化炉的粗合成气出口处、合成气洗涤塔合成气入口处、粉煤烧嘴、高压闪蒸汽提塔、高压闪蒸分离罐等处都容易发生气体泄露，主要可能产生的有毒可燃气体有氢气、甲烷、一氧化碳、硫化氢、丙烷、丁烷等。根据各检测器的优缺点，结合现场条件，选型如表1所示。GB50493-2009第3.0.1条中规定：同一种气体，既属可燃气体又属有毒气体时，应只设置有毒气体检测器，故CO气体应选用有毒气体检测器。

此外还要求检测器满足下列要求：具有较高的测量精度与灵敏度，精度应小于±5%满量程；具有较高的灵敏度；检测元件应不受可燃有毒气体中其它组份的影响；稳定性高，正常工作时应很少产生零点漂移；应具有自检功能；其防爆等级不应低于ExdⅡCT4，防护等级不应低于IP65；应能适用于恶劣的露天工作环境，检测器探头、防水膜等易受侵蚀的主要部件材质应采用不锈钢[7]。如表1 所示。

表1 煤气化中气体检测器选型

2.2 报警控制器的选型

根据GB50493-2009中要求，结合现场实际，要求报警器必须满足以下要求：

1）报警器对报警信号的检测及显示精度应优于±0.1%。

2）为便于安装及配置灵活，控制器应选用单通道或双通道模块式结构，每一台检测器与一台报警器组成一个报警回路。

3）有公共声报警及单路光报警功能，其报警的声音应与其它类型报警器的报警声音有所区别，报警音量≥70dB。

4）具有自检功能，并有相应的故障信号输出。

5）采用LCD或LED显示方式，显示内容为数字式，可显示气体浓度值、报警信息及自检信息，应优先显示浓度报警信息。

6）具有各种功能测试、声光报警测试及报警复位功能。

7）能通过内置的软件进行零点调节与量程设定。

8）具有存储记录功能，存储时间应不少于30天。

9）具有掉电保护功能。

10）至少应能输出2个报警信号，用于低浓度和高浓度报警。

3 布置与安装

3.1 检测器的布置与安装

检测器的布置选点对于有毒可燃气体检测系统是非常重要的。遵循GB50493-2009中的要求，根据被测气体的特性（类别、密度等）、场地、释放源、气候环境等选择气体易于泄露、积累的点来布置检测器。并合理地设计其安装位置，为以后的维护、使用、检定提供方便。粉煤加压气化装置框架有封闭与露天敞风两种，针对这两种框架，检测器的布置有所不同。

3.1.1 露天框架

对于煤气化露天敞开式框架，应针对每一个释放源的主要气体成分，设置对应的气体检测器，且检测器的探头均应设置防雨罩。如热风炉燃料气的主要成分为：CO+H2，则应分别设置有毒（CO）、可燃（H2）气体检测器。其中，对于比重小于空气的气体，如H2、CH4、CO，检测器安装在释放源上方0.5m处，且保证可燃气体检测点（H2、CH4）与释放源的距离不大于5m，有毒气体检测点（CO）与释放源的距离不大于1m，检测器安装于释放源的全年最小频率风向的上风侧，且因为CO密度与空气相近，其检测器探头应尽量接近泄漏点。如图4所示。

图4 露天框架检测器布置示意图

3.1.2 封闭框架

根据GB50493-2009第4.2.2条与SH3063-1999第4.1.3条规定，可燃气体释放源在封闭或通风不良的情况下，每隔15m可设置一台检测器，且检测器与任一释放源的距离不宜大于7.5m。有毒气体检测器与释放源间距不宜大于1m。因此，对于封闭框架除了按上述露天框架一样布置可燃有毒气体检测器外，还应在封闭区域内每隔15m布置一个可燃气体检测器。封闭空间内可燃气体检测器的有效覆盖水平半径约为7.5m，即以检测点为圆心，7.5m为半径，所覆盖的范围必须将整个封闭区域囊括在内。此外，还应在封闭区域的最高点易于积聚可燃气体处设置检测器。如图5所示。

图5 封闭空间检测器布置示意图

3.2 报警器的布置与安装

每一台报警器对应一台检测器，所有的报警器应安装在同一标准的报警器机架上，放置在可燃有毒控制机柜中，位于现场机柜间或中控室内。

4 问题及改进

综合几个项目现场的运行状况，可燃有毒气体检测报警系统存在着一些典型问题，主要原因不外乎是如下三点。笔者在此进行归纳分析，并提出相应的措施。

4.1 报警值设置不当

报警值是在报警控制器中预先设置的，只有当现场检测器检测到的气体浓度达到此设定值时，报警器才会发出报警。报警值设置得过低，会发生误报警；设置得过高，会发生漏报警。所以报警值设置失当，反而会引起安全隐患。GB50493-2009与SH3063-1999中规定的报警值是以LEL或TLV为单位，而大多数产品出厂设置时都是按ppm为单位，因此大部分都选用ppm报警值来设定报警器。比如检测CO时，一般设置30ppm左右为一级报警值，50～60ppm左右为二级报警值。而检测H2S在设定时，一般设置一级报警值为10ppm，二级报警值为20ppm。所以不同的气体所设定的报警值是不同的，应根据不同的检测气体设定适当的报警值。

4.2 施工安装不当

4.2.1 施工中更改检测器布置

虽然国标规定为保障生产安全和人身安全，有必要设立可燃有毒气体检测报警系统，但某些现场，可燃有毒气体检测报警系统依然得不到必要的重视。在项目施工过程中，可能会由于安装难度或者装置设备阻碍等原因，施工作业工人在安装时，不慎改动了气体检测器的位置，造成气体检测器的灵敏度降低、检测位置重复、或者有检测不到的地方即出现检测死角。检测点的位置是根据气体特性、装备设施、释放源、气候环境等综合确定的。因此，在施工过程中，不得随意更改检测器的布置设计图，以免造成安全隐患[8]。

4.2.2 安装不当

可燃有毒气体检测器是精密仪器，其安装位置、角度及布线等方面应注意防电磁干扰。一旦检测器受到电磁干扰，必将影响电压，其检测数据将会不准确，所以可燃有毒气体检测器施工过程中应设置可靠接地。

检测器安装于露天区域或有水淋区域时，必须安装透气防水罩，以防止水进入检测器而导致测量误差或损坏检测器。并对透气防水罩定期清洗，确保被测气体能正常进入检测器的探头。

检测器安装时应远离暖通空调等设备，因为冷、暖气流会造成检测器的探头电阻率发生变化而出现误差，因此应在安装中注意。

4.3 管理维护不当

可燃有毒气体检测报警器属于精密仪器，应设专人进行管理维护。

由于煤气化装置现场含有大量煤粉杂质，所以无法避免会有煤粉或积尘进入检测器的探头，造成探头气体通道被堵，检测器不能准确地测出气体的浓度，造成较大的误差。因而经常检查探头的使用情况，定期对探头进行清洁、维护保养是防止故障发生的一个重要工作。

对于有自检功能的仪器，应每周按动一次“自检”按钮，检查指示报警系统是否正常；每周进行一次外观的检查，检查连接部件、可动部件、显示器、控制按钮等。每2个月检查标定一次零点和量程，要采用经计量部门认证的与被测气体相匹配的标准气体。建立完善的可燃有毒气体检测报警系统管理使用规范，对系统的维修保养、检定结果等进行记录存档[9]。