苯泄漏监测系统的方案设计

杨伟超

（惠生工程（中国）有限公司，上海 201210）

0 引言

常温常压下苯是一种无色、有芳香气味的透明液体，沸点是80℃，闪点-11℃。大气中的苯含量是各国安全部门和相关法规关注的重点。在GB 50493-2009[1]中，被定义为高毒物品；在沙特基础化工安全规范中被定义为致癌物。沙特基础化工的某脱瓶颈项目中，环境温度最高达到50℃。因此，泄漏在大气中的苯通常情况下为气体。业主要求设计一套苯泄漏监测系统对苯回收装置区空气中的苯含量进行监测。

本项目中，业主对苯泄漏监测系统的参数要求如下：8小时加权平均容许浓度是1ppm，短时间容许接触浓度是5ppm，用于采取防护行动的报警值是2.5ppm，最低精度报警值为0.25ppm，同时要求该系统可以生成时间加权平均值的报告。装置区内苯泄漏点的位置如图1中圆点所示。

根据苯的理化特性，设计3种方案对装置区大气中的苯含量进行监测，分别是：①有毒气体检测器；②气相色谱分析仪；③光学分析仪。然后根据项目特点和苯泄漏监测系统的技术要求，从精确度、响应时间、现场工作量、成本、供货周期等多个方面综合分析3种方案的利弊，选择最优方案开展工作，并为以后的苯泄漏监测系统设计提供参考。

图1 苯泄漏点平面布置图Fig.1 Plane layout of benzene leakage point

1 苯检测系统的方案设计

1.1 有毒气体检测器

利用有毒气体检测器对大气中的苯含量进行监测是目前应用较为广泛的一种方案。结合业主安全规范和GB 50493-2009，根据泄漏位置确定监测点，在离地面或平台0.4m处，设置26个气体检测器对装置内的气态苯进行监测。在气体检测器的选择上，通过对已知的多家产品进行比对，选择精度较高的光致电离型气体检测器。气体检测器的信号接入到控制系统，并在中控室生成报告，供安全管理部门做数据分析。

光致电离型气体检测器基于光致电离（PID）原理[2]制造，使用真空紫外灯发射具有特定能量的紫外光，使具有特定电离能的电子发生跃迁，从而使有机物分子发生电离，形成数量相同的正负离子，正负离子在电场作用下被吸引到一对电极上，形成电流。电流强度反映被检测气体的浓度。该电流经过放大器处理后可以远传到控制室，获得气体浓度曲线和相关报告；也可在检测器的表头直接显示当前浓度的数值，既可以远程监控也可以在现场指示。光致电离型气体检测器尤其适合于芳烃类有机物的检测。

参考GB 50493-2009的5.3.3一节，将气体检测器的量程设置为0ppm～15ppm，一级报警设定值是2.5ppm，二级报警设定值是5ppm。

1.2 气相色谱分析仪

气相色谱分析仪是基于色谱原理[3]制造的在线分析仪器，利用不同的气体在色谱柱上移动速度不同的原理，将工艺过程中取出的样品，在载气的作用下，通过固定的色谱柱，分离成多种单一组分。出口处利用检测器分别测量各组分的浓度，得到电信号，信号经过放大电路和处理器后显示在液晶屏上，通过定性定量分析曲线可以获得气体组分。

采用气体检测器方案中设置的26个检测点进行方案设计。在检测点附近离地面或平台0.4m高度处开始敷设不锈钢Tube管到分析小屋外的预处理系统，将检测点附近的气体吸入位于分析小屋内的色谱分析仪，对空气中苯含量进行在线监测。

苯装置区内泄漏点到分析小屋外预处理系统的最远距离是150m，在切换到该流路时，需要启动一台泵将附近的气体吸到分析小屋以保证分析时间。通过咨询多家大型分析仪表生产厂商发现，每个分析流路的平均分析时间是90s。分析仪可以通过全场的分析系统网络将监测信息通讯到控制室并生成报告。

由于现场已经存在分析小屋，该色谱分析仪只需安装在原有小屋的预留位置，并安装好相应的取样系统、预处理系统即可使用，不需要额外考虑小屋及小屋内公共工程的设计制造等问题。因此，作为重点方案进行设计。

1.3 DOAS光学分析仪

差分光学吸收光谱法（DOAS）[4]是利用各种气体分子在紫外和可见波段的特征吸收光谱来反映其在大气中浓度的一种方法，目前发展成熟，基于此原理制造的各类光学仪器，已经广泛应用于各类污染气体的监测。差分光学吸收光谱的基本原理可用下面的公式描述：

其中，I(λ)——被测气体吸收之后的光强；I0(λ)——发射前的光强；L——为光路长度；α(λ)——波长λ的光线的吸收系数；C——分子浓度。

在选定光栅的测定介质为苯之后，相关参数也相应地确定，通过比较发射端和接收端的光强，便可确定大气中苯的浓度。

目前，市面上位于业主供应商名录内的光学仪器厂家所制造的发射器（即氙气灯）无法满足防爆要求，经过多次现场踏勘并结合业主意见，将整个监测系统设置为围栏式：将发射器与接收器合为一体，与分析仪一起安装在爆炸危险区界限外边缘，通过四路光线将整个装置区合围，并在装置区内部安装多棱角反射镜，对苯回收装置进行监测。由于当地太阳直射温度高达90℃并且沙尘暴频繁，需要为分析仪考虑降温和防沙措施。用于连接分析仪和接收器的光纤的有效传输距离小于100m，无法将分析仪放置在已有的分析小屋内。因此，在发射器附近单独为分析仪配置小屋。小屋位于爆炸危险区外，并且对公用工程的需求很低，所以造价较过程分析小屋要低。最终通过设置两台分析仪分析7条光路，实现对整个装置大气中苯含量的监测。DOAS方案的平面布置如图2所示。

当某一条光路检测到苯含量达到警戒值时，做好防护准备的操作工需要携带便携式气体检测器在该条光路附近找到准确的泄漏点并采取相应措施。

表1 主要技术参数比较Table 1 Comparison of main technical parameters

图2 DOAS平面布置图Fig.2 DOAS Floor layout plan

分析仪可以实时将检测到的苯含量传输到控制室进行监控，并按照安全部门的要求生成报告。

2 苯泄漏监测系统方案的比较

对3种方案进行了多次的比较和询价，从技术参数、施工工作量、经济投入等多个方面综合评比，列出3种设计方案的主要技术指标如表1所示。

综合对比各参数不难发现，气体检测器安装方便，响应速度快，直接应用于爆炸危险区就地指示报警，能够及时提醒操作人员撤离，并且施工工作量最小，适用于大多数项目。但本项目的测量精度要求较高，同时由于量程范围较大，报警值设定较低（0.25 ppm）时，会出现频繁的误报警[5]。加之光致电离型气体检测器的使用寿命一般在3年左右，更换频次较高，因此不适用于本项目。

气相色谱分析仪配备氢火焰离子化检测器（FID），其测量精度可达到0.01ppm，最低量程、精度内最低报警值均可以满足技术要求；安装位置、公用工程均可利用现场原有分析小屋的空间和各种备用量。因此，前期投入少。气体组分的分析结果，可以利用原有分析系统的网络传送到中控室，控制系统侧仅需要做相应的画面配置即可接收检测数据并生成报告，系统侧工作量较低。但是由于单条流路平均分析时长高达90s，导致系统滞后相当严重，无法及时保护现场操作人员；并且3000m不锈钢tube管的敷设，对于已建成并投入运行的装置来说，其路径规划和安装空间的选择难度都非常大，对于现场是很大的施工量。因此，不适用于本项目。

基于DOAS原理制造的光学分析仪，其各项参数均远高于业主对苯泄漏监测系统的技术要求，7条光路由两台分析仪进行分析，响应时间大幅度优于气相色谱分析仪。通过测量一条线上的气体浓度并取平均值作为最后结果，DOAS光学分析仪比点式测量结果更稳定。由于检测原理为非接触式，所以除了供电之外，不需要常规过程分析仪表标配的预处理系统、载气、伴热蒸汽、仪表风、排废排污管线等公用工程，相应的维护工作也较过程分析仪少。位于爆炸危险区外的分析小屋只承担保持恒温和阻挡恶劣天气的作用，因而小屋无需公用工程接口和预留操作空间，内部电器无需防爆设计，尺寸和造价远低于过程分析小屋。因此，最终选择该方案作为本项目的苯泄漏监测系统。

3 结束语

选择DOAS光学分析仪是基于项目本身的特点，其本身的局限性也需要在后续应用中考虑：其发射器无法应用于爆炸危险区域，会限制其适用范围；信号受到光纤长度的影响无法远距离传输；需要配合便携式设备定位泄漏点位置。在前期投入较少，对测量精度没有特别高要求的情况下，可以优先考虑PID气体检测器，而气相色谱分析仪则更适用于监测点数较少，监测区域相对集中的情况，可以快速高精度地实现对空气质量的监测。

因此，根据不同的项目特点，选择不同的设计方案，才能够保证既满足项目要求，又能够最大程度地节省项目成本。