可燃有毒气体检测报警系统设计探讨

吴斌

(中国石油工程建设公司 华东设计分公司，北京 100101)

可燃有毒气体检测报警系统设计探讨

吴斌

(中国石油工程建设公司 华东设计分公司，北京 100101)

分析了催化燃烧、红外线吸收、电化学、半导体及光致电离等几种常用的气体检测器检测原理；详细论述了烃类可燃气体、氢气应选用催化燃烧型检测器，硫化氢气体应选用电化学型检测器；重点论述了针对苯气体检测的光致电离型检测器，给出了各种检测器的测量范围、报警值以及其他相关技术参数要求。介绍了检测器的现场设置，包括释放源的确定及检测器的安装位置等事项；探讨了控制室监控系统的配置方案。

催化燃烧 爆炸下限 挥发性有机物 光致电离 火灾报警和气体检测系统

催化重整以石脑油为原料，产品主要为高辛烷值的汽油、芳烃，并副产氢气，主要由石脑油预处理、重整反应、催化剂连续再生和苯抽提等单元组成[1]，是炼油过程中的重要装置。重整装置的工艺流程决定了在生产运行过程中，会不可避免地有可燃气体和有毒气体生成，主要有： 烃类可燃气、氢气、硫化氢和苯，这些物质一旦发生泄漏将可能引起火灾、爆炸或人员中毒等危害。为尽可能减少潜在风险，保障安全生产和人员健康，按照石化行业和国家的相关规范要求，需在催化重整装置中设置可燃气体和有毒气体检测报警系统，该系统主要由现场的气体检测器和控制室的监控系统两部分组成。

1 气体检测器的选型

性能可靠、测量精准的检测器是保障气体检测报警系统能稳定工作的关键，检测器由传感器和转换器两部分组成，由于测量原理的不同，传感器的类型是多种多样的。只有根据被测气体的物理、化学性质及生产环境的特点，选择相应的传感器，才能有效地保证检测器测量的有效性。

1.1 烃类可燃气体检测器

烃类可燃气为小分子碳氢化合物的混合气体，一般选用催化燃烧型或红外线吸收型检测器。

1) 催化燃烧型检测器。利用惠斯通电桥原理： 传感器由检测器件、补偿器件和2个恒定电阻组成桥路。可燃气体进入传感器后，会在检测器件上进行催化燃烧反应，产生的热量使检测件温度升高、电阻增大，使电桥失去平衡，输出1个电压信号。该信号送到转换器后，可转化为4～20 mA标准信号输出到上位机系统。分析可知，电桥输出的信号大小，由可燃气体的燃烧热量决定，而燃烧热与可燃气的体积分数成正比，由此可建立检测信号与体积分数的线性关系。另一方面，实验表明： 尽管各类可燃气的爆炸下限体积分数(LEL)不同，但大多数可燃气体在下限体积分数时催化燃烧释放的热量基本等同[2]。利用该特性，可选择一种代表性的气体，通常用丙烷标定检测器后，可将该检测器用于其他多种可燃气体的测量。当可燃气为混合气体时，可将混合气作为1个总体，将它的燃烧热与标定气体做比较，虽然不能有选择性地得出每种组分的体积分数，但可求得混合气的体积分数约占爆炸下限体积分数的比例，这满足了可燃气体检测报警系统的要求。

2) 红外线吸收型检测器。采用双光束检测原理，1束红外光通过被测气体，另1束用作参比光线，经检测器测得2束光的光强度差值，从而得到可燃气体的体积分数。红外传感器与待测气体是非接触的，可用于缺少氧气和含高腐蚀介质等严苛工况场所的检测。在测量混合气时，若已知混合气的组成，标定完成后可有选择性地测量出各个组分的体积分数，但与催化燃烧型检测器相比，红外吸收型的价格更昂贵。

在催化重整装置的实际生产中很难给出烃类可燃气的具体组成，一般都是选用催化燃烧型检测器用于可燃气体的报警检测。若检测点所在位置的空气中含有硫、硅、磷、卤化物或铅等物质时，还应特别注明传感器元件应具有抗毒性能。

1.2 氢气检测器

氢气为单一组分的可燃气，催化燃烧型、电化学型、半导体型或热传导型检测器都可选用，不可选用红外吸收型检测器。出于综合性价比考虑，催化重整装置中一般选用催化燃烧型检测器，标定时必须采用氢气作为样气，还需注意一般的催化燃烧型传感器对氢气有引爆作用，必须选用特殊的催化燃烧式氢气检测器。

1.3 硫化氢检测器

硫化氢属于急性中毒气体，对人身安全危害极大，可选用半导体型或电化学型检测器。

1) 半导体型检测器。当半导体材料上有被测气体吸附后，半导体的电导率将发生变化，从而流过半导体的电流会随之改变，通过建立电流与气体体积分数的关系，达到测量的目的；但这种关系是非线性的，而且实际应用中，半导体受环境温度和湿度的影响大，很容易中毒，误报率较高。

2) 电化学型检测器。主要包括定电位电解法、隔膜电极法、凝胶化电解法等[3]，硫化氢的测量优先选用定电位电解法，其主要原理： 被测有毒气体与电极接触后，在阳极上被氧化，在阴极上被还原，从而引起电极之间电流的产生，电流大小与有毒气体的体积分数呈线性比例关系，从而达到测量体积分数的目的。该测量方法精度高、选择性好，能实现对大多数无机有毒气体的定量测量；缺点是传感器使用寿命短，需定期更换探头，一般为1～2 a。

考虑到测量的可靠性，催化重整装置中普遍采用电化学型检测器检测硫化氢，在工程实践中也取得了良好的效果。

1.4 苯气体检测器

苯在常温下为液体有机物，且属于易挥发性有机物[4]，具有毒性。文献[5]和文献[6]中规范已明确将苯作为有毒气体检测，苯气体的测量可选用半导体型或光致电离型检测器。

光致电离型检测器的基本原理： 利用惰性气体真空放电现象所产生的真空紫外线，激发而使被测挥发性有机物(VOCs)分子电离，产生负离子和正离子，这些离子在电极间形成电流，经检测器放大和处理后输出标准电流信号，最终检测到10-6级的气体。判断光致电离型检测器能否测量某种气体，主要看光致电离灯的电离能是否高于待测气体的电离电位，苯的电离电位是9.24 eV[7]，市场上常见的光致电离灯有8.4，10.2，10.6，11.7 eV，检测苯气体一般选用10.6 eV的氪灯，同时为提高测量精度，应采用异丁烯作为标准气体标定检测器。

由于半导体型检测器误报率高，近年来新建的重整装置基本上都是采用光致电离型检测器测量苯气体体积分数。为提高测量的可靠性，还需从以下几方面对检测器的规格做出规定：

1) 应采取措施避免核心部件光致电离灯受外界温、湿度的影响，保证光致电离灯的使用寿命不小于1.5 a。

2) 由于苯气体在常温下为雾状的汽液混合物蒸汽，很难自由扩散到传感器内，故应采用内置气泵吸入式检测器，提高响应速度，减少恢复时间，避免气体在传感器内循环电离，产生误报。

3) 带在线清洗功能和自动调零功能，提高检测器抗恶劣环境的能力，便于在线维护使用。

4) 内置温度和湿度传感器，实时进行温度、湿度补偿，便于在湿度高和温度变化大的环境中使用。

1.5 测量范围和报警值

烃类可燃气和氢气检测器的测量范围应为0～100%LEL，一级报警设定值不大于25%LEL，二级报警设定值不大于50%LEL；文献[5]提及有毒气体的测量范围宜为0～300%最高容许体积分数或0～300%的短时间接触容许体积分数，当检测器的测量范围不能满足上述要求时，可设为0～30%直接致害体积分数，报警设定值不大于100%最高容许体积分数或短时间接触容许体积分数，二级报警设定值不得超过10%直接致害体积分数值。文献[6]中并未提及直接致害体积分数值，只规定预报值为最高容许体积分数或短时间接触容许体积分数的50%，警报值为最高容许体积分数或短时间接触容许体积分数。

综合文献[5]和文献[6]的规定，结合被测气体的相关特性，经过转换在催化重整装置中，硫化氢和苯气体检测器的质量浓度测量范围均设置为0～30 mg/m3，一级报警设定值不大于5 mg/m3，二级报警设定值不大于10 mg/m3。

1.6 其他选型要求

工程应用中，检测器的最低技术参数要求： 响应时间应小于30 s，测量精度为±2%，防护等级为IP65，防爆等级需满足EX d IIC T6，供电电源为直流24 V，输出信号为三线制直流4～20 mA，配备现场安装附件和现场一体化声光报警器。

2 气体检测器的现场设置

生产装置中的相关气体释放点应设置固定式可燃或有毒气体检测器，气体释放源的确定和检测器的安装位置应遵循一定的原则。

2.1 释放源的确定

按相关规范要求，在催化重整装置中一般将以下位置定为主要的气体释放源： 设备与管道的法兰连接处；管道上的阀门组或法兰连接处；压缩机、泵、鼓风机及引风机的密封处；工艺的采样口、放空口及排凝口。

2.2 检测器安装位置

应根据释放源的方位，同时考虑便于检测器的使用、校验和维护，来确定检测器的安装位置。结合相关规范，催化重整装置中的可燃及有毒气体检测器的安装应遵循以下原则：

1) 烃类可燃气体检测器应尽量靠近气体释放源安装，与释放源的安装距离应不超过5 m。由于烃类可燃气比空气重，检测器安装高度应距地面或平台0.3 m。除在工艺过程的气体释放源附近设置检测点外，还需在有人值守的现场控制室或机柜室的空调进风口、电缆进线口设置检测器；在处于爆炸危险区2区以内的分析小屋外设置检测器；在操作人员的外部主要巡检路线上一般每隔15 m设置1台烃类可燃气体检测器。

2) 氢气的密度比空气小很多，在露天环境很难聚积，一般只在封闭或局部通风不畅的半敞开压缩机厂房内设置氢气检测器，靠近释放源安装，高度应比释放源高出0.5 m，同时在厂房内最高点氢气易于聚积处也应设置检测点，一般将检测器吊装在顶棚上。

3) 硫化氢和苯蒸气都属于有毒气体，都比空气重，检测器需靠近释放源安装，与释放源的安装距离应不超过1 m，安装高度应距地面或平台0.3 m。

4) 根据装置的具体位置，要求所有检测器应尽量安装在释放源常年最大频率风向的下风侧。

2.3 其他要求

现场施工人员应严格按照设计人员提供的可燃气体及有毒气体检测报警器平面布置图和仪表安装图来设置及安装检测器，避免因施工失误导致的漏报、误报事故。除固定式气体检测器外，现场还应配备1台便携式可燃气体及有毒气体检测器，便于操作人员在装置内巡检时随身携带使用，检测器可采用烃类可燃气体、氢气、苯类、硫化氢“四合一”的模式。

3 监控系统的设置

1套完整的可燃气体和有毒气体检测报警系统不仅需要配置现场的检测器，还需配置能接收现场仪表信号的监控系统，以实现在控制室的实时显示、报警。

1) 国外比较流行的做法是将可燃气体、有毒气体、火灾及消防等集成到1套独立的专用安全控制系统中，称为火灾报警和气体检测系统(FGS)[8]，该做法将FGS独立于工艺过程控制之外，提升了对可燃及有毒气体的监控级别，能更有效地实现安全管理，但投资成本较大。

2) 国内并无强制性规范要求设置FGS，目前的做法主要有两种：

a) 在控制室设置独立的报警监控盘，可指示可燃及有毒气体浓度并报警，当其他系统因故停运或检修时，仍能监测现场情况，保证现场人员安全。

b) 直接将现场检测器的4～20 mA模拟信号输入到DCS中，但对应的AI卡件独立设置，在DCS上组态实现指示和报警功能。

国内新建的催化重整装置多采用第二种配置，易于实现，投资较小。但在2014年国家安监总局发布的《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》(安监总管三〔2014〕116号)中明确指出： 可燃气体及火灾检测保护系统属于化工安全仪表系统，应独立于DCS等过程控制系统设置。相信随着国家对安全生产重视程度的不断提高，在新修订的相关规范中会将FGS的设置作为强制性条文，石化装置中独立设置FGS会成为未来的趋势。

4 结束语

可燃气体和有毒气体检测报警系统是保障石化装置安全生产的有力措施，是企业HSE质量体系建设的重要组成部分，正确完善地设置该系统，才能通过政府有关部门的消防安全及职业卫生审查验收。本文中针对催化重整装置中可燃气体及有毒气体检测器及其监控系统的设计选型原则，可有效地保证系统的功能，在实践中也取得了良好的效果。

[1] 徐承恩.催化重整工艺与工程[M].北京： 中国石化出版社，2006.

[2] 潘路，李选民，欧阳晓东.可燃气体检测仪的校正系数及其应用[J].工业安全与环保，2005，31(03)： 36-38.

[3] 皮宇，杨蓓.对炼油厂H2S气体检测防护的探讨[J].石油化工自动化，2005，41(03)： 12-14.

[4] 吴德荣.化工工艺设计手册(上册)[M].4版.北京： 化学工业出版社，2009.

[5] 文科武，李苏秦，罗明，等.GB 50493—2009石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2009.

[6] 张敏，李涛，马瑞岭，等.GBZ/T 223—2009工作场所有毒气体检测报警装置设计规范[S].北京： 人民卫生出版社，2010.

[7] 黄泽建，唐晓强，方向，等.一种光电离离子阱质谱仪技术研究[J].质谱学报，2009，30(02)： 65-69.

[8] 王娟娟.安全仪表系统中F&GS系统的设计[J].自动化与仪表，2014(04)： 10-14.

[9] 祝晋.化工过程中可燃有毒气体检测仪的设置及选型.化工自动化及仪表,2012,39(05)： 585-586,618.

[10] 康普辉,姜福泉.可燃及有毒有害气体检测系统在多晶硅生产中的应用.化工自动化及仪表,2013,40(06)： 725-727.

Discussion on Design of Combustible and Toxic Gas Detection Alarm System

Wu Bin

(East China Design Branch, China Petroleum Engineering Construction Company， Beijing， 100101, China)

The detection principle of several kinds of commonly used gas detector, including catalytic combustion, infrared absorption, electrochemistry, semiconductor and photo-ionization, is discussed. The selection of catalytic combustion type detector and electrochemical detector for hydrocarbon combustible gas and hydrogen gas and hydrogen sulfide individually are expounded in detail. Photo-ionization detector chosen for benzene gas are stressed. Measuring range, alarm value and other relative technical parameter requirements are of all kinds of detector are provided. Local setting for detector is introduced, including confirmation of the releasing source, and installation location of the detector, etc. Several configuration schemes for monitoring system in control room is discussed.

catalytic combustion; lower explosive limit; volatile organic compounds; photo-ionization; fire alarm and gas detection system

吴斌(1983—)，男，现就职于中国石油工程建设公司华东设计分公司，从事自动控制设计工作，任工程师。

TE951

B

1007-7324(2017)03-0018-03

稿件收到日期： 2016-12-15，修改稿收到日期： 2017-03-06。