一种固定式可燃气检测与通风换气耦合装置设计*

王 涛，李建立，朱小锋

(1 北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；2 北京市劳动保护科学研究所，北京 100054)

石化、制药、能源、建材、冶炼、市政等领域广泛使用承压设备及管道。这些承压设备及管道盛装介质及工作条件差异很大，在安装调试、运行维护和检维修时，作业环境必须安全，且有完备的应急预案。可燃气检测与通风换气耦合装置适用于作业环境快速检测及通风换气，为使用承压设备和管道的各种生产过程及场合提供安全保障。现有检测可燃气体泄漏的方法有直接巡视法、空气检测法、泄漏电缆检测法、流量判断法、压力点分析法、声波检测法等[1]，这些方法存在成本较高、误差较大、费时费力等弊端。本文根据相关规范和标准设计一种固定式可燃气检测及通风换气耦合装置，用于某化工企业加氢裂化装置的分馏塔裙座内部空间的可燃气检测报警及快速检维修作业环境保障。

1 可燃气检测模块设计

1.1 传感器选型

目前有两种主要的可燃气浓度检测技术，即催化燃烧式[2-3]和红外光学式[2,4]。前者无论对有机气体还是无机气体，对烷烃类还是非烷烃类均有较好的响应，应用最普遍。后者则局限于烷烃类可燃气体的检测。加氢裂化装置中可能出现的可燃气体有干气、气态烃、氢气、液化石油气等，种类复杂，故选择催化燃烧式传感器。据测算，某化工企业加氢裂化装置分馏塔裙座内混合气体爆炸极限为3.426%。根据文献[5]，固定式可燃气体检测报警装置的一级报警高限设定值≤25% LEL，二级报警高限设定值≤50% LEL。故此处要求传感器的一级报警高限设定值≤0.8565%(即25% LEL)，二级报警高限设定值≤1.713%(即50% LEL)。

表1列举了三种常用催化燃烧式传感器的特点和适用场合。本文选用MJC4 2.5J型传感器。该传感器探头可现场更换，具有性能稳定，检测可燃气体种类多，维护成本低，受温度、风、粉尘及环境湿度影响小等特点。图1是MJC4 2.5J型传感器的内部结构及实物。

表1 三种常用催化燃烧式传感器的特点和适用场合

图1 MJC4 2.5J传感器内部结构(左)及实物(右)

1.2 传感器隔爆外壳设计

催化燃烧式传感器工作时表面温度达200～300 ℃，需将传感器的护套做成隔爆型。根据文献[6]并参照市面使用较多的隔爆结构设计的隔爆外壳如图2所示。

图2 可燃气体检测模块组成

在图2中，检测模块左侧为预留采样孔，利用丝堵和O型圈密封，右侧用梯形四氟垫(图3a)，对有机气体几乎无吸附性。梯形四氟垫与不锈钢转接口配合，将可燃性气体阻挡在壳体外部，实现电路板与外界可燃气体隔绝以防爆的目的。根据MJC4 2.5J传感器的形状，设计了一个四氟底座(图3b)，当转接口和连接口配合后，亦可起到一定的密封和绝缘作用，同时还可限制传感器元件的周向运动。传感器前端设有金属粉末冶金滤网(图3c)，厚度3.2 mm，空气可通过渗透作用进入传感器室。壳体内部为安装电路板设置了三个M4的螺纹孔，侧面设置了M3的螺纹孔来满足接地要求。

图3 梯形四氟垫、传感器固定件和金属粉末冶金滤网

2 单片机控制模块设计

用单片机(图4)采集传感器信号，并对声光报警和通风机的工作状态进行切换和控制。采用德州仪器公司生产的工业级16位芯片MSP430作为主芯片，3.4 V供电，功耗低。单片机有信号采集、复位、时钟、声光报警控制和通风机控制等五个外围电路。存储系统采用EEPROM芯片24CL64，存储传感器标定的值、报警限和异常浓度值及发生的时间等信息。

图4 单片机系统设计

2.1 传感器信号采集

图5 利用单片机检测可燃气体浓度

将传感器输出信号放大后进行AD采集，图5是具体的采集电路。采用TPS73625芯片将3.4 V直流电源转换为2.5 V稳压直流电，再通过MAX660芯片将2.5 V直流电反相。得到±2.5 V双电源为LM324芯片供电。在图5中，对传感器和对照桥臂输出信号分别用一级放大器进行了电压跟随，增大了下一级放大电路的输入阻抗，使电路更加稳定。对电路进行分析，整体放大倍数见式1。

A=2R/RA+2

(1)

输出电压与输入电压之间的关系见式(2)。

Vout=A·(V+-V-)

(2)

在新鲜空气中可通过调节变阻器W1进行系统调零。当传感器检测到可燃气时，输出V+增大，最终输出Vout随之成倍增大。选用的传感器采用2.5 V稳压源供电，在新鲜空气中输出基本电压1.25 V，根据式(2)零点电压V-一般也需调至1.25 V。当可燃气浓度从0～100% LEL递增时，传感器输出变化的绝对幅值约为100 mV。AD采集的上限为2500 mV。取定R=100 k，RA=10 k，则放大倍数A=22。此时输入单片机的最大电压见式(3)。

Voutmax=A·(V+-V-)=22×100=2200 mV

(3)

该值满足AD采集使用要求。对于10位的AD，整体分辨率如式(4)所示。

(4)

这说明可燃气%LEL每变化1，单片机采集的数值变化9，完全满足检测的精度要求。

2.2 声光报警和通风机耦合控制

声光报警器选购兼容性强、易于安装更换且使用寿命长的成熟产品。分馏塔裙座内部空间约50 m3，选用功率为800 W的旋涡式风机，流量约1000 L/min，可在1 h内将气体置换一遍。通过以下定义实现当浓度到达设定值时启动声光报警或使报警器与通风换气设备联动：

(1)超限值25%时工作流程(图6)：t0时刻开机，t1时刻浓度超限值25%，声光报警启动，t2时刻浓度低于限值25%，声光报警关闭。

图6 超限值25%时工作流程

图7 超限值50%时工作流程

(2)超限值50%时工作流程(图7)：t0时刻开机，t1时刻浓度超限值25%，声光报警启动，t3时刻浓度超限值50%，声光报警继续工作同时开启通风换气设备，t4时刻浓度低于限值25%，声光报警关闭，通风换气设备延时30 min后关闭。

图8 可燃气体报警器正常工作流程

(3)正常工作流程(图8)：t1时刻，浓度检测达到25% LEL，启动声光报警；t2时刻，浓度检测低于25% LEL，关闭声光报警；t3时刻，浓度检测达到25% LEL，启动声光报警；t4时刻，浓度检测达到50% LEL，声光报警，启动通风换气设备。

3 控制箱结构设计

控制箱顶部开有直径22 mm的孔用来固定声光报警器。声光报警器由单片机I/O口驱动，报警能力较弱，在控制箱底部还预留了远程声光报警系统的接线端子，以适配满足报警要求的声光报警系统。控制箱底部开有连接通风机的接口，该接口亦可连接电磁阀将压缩空气通入受限空间完成气体置换。因催化燃烧式传感器需定期维护(一般为90～180天)，在控制箱顶部预留了DB9串口，以方便检定校准工作的进行以及报警记录的导出。控制箱两侧开设百叶窗孔以实现机箱内部的散热。在控制箱箱门距底边100 mm、右边25 mm的位置开有Φ25 mm的通孔来装转舌锁。中间距底边70 mm位置开Φ22 mm的通孔，用来设置消音按键。在控制箱箱门的中间靠上部分设有LCD屏，方便工作人员读取当前环境中可燃气浓度及装置当前的状态。显示屏下方设有5个薄膜按钮，用于人机交互。

图9 控制箱箱体(a)和前盖(b)

控制箱整体尺寸为宽200 mm×高280 mm×厚70 mm，采用1.2 mm厚Q235钣金和整体黑喷塑，底部用防水接头分别连接电源线、传感器连接线、通风机连接线和报警器连接线。背部点焊有两个钣金连接件方便控制箱的安装。

图10 控制箱整体结构

4 耦合装置性能测定

4.1 初始化

初始化的内容主要是零点标定和量程标定。从标准气瓶内将气体充入5 L的储气袋，再用流量为500 mL/min的微型气泵将储气袋内的气体泵送至可燃气报警器中，通气30 s后打开可燃气报警器，通过面板上的按钮将显示屏上的数值调为0% LEL。重复操作3次完成零点标定。利用动态配气法配置浓度为1%、2%、4%、5%的甲烷标准气，再将标准气用上述方式引导至传感器处，通入气体30 s后打开报警器，通过面板上的按钮将显示屏上的数值分别调整为20% LEL、40% LEL和80% LEL，即可完成量程标定。

4.2 性能测试

根据文献[7]对可燃气检测报警及通风换气耦合装置的基本功能进行了测试，对报警动作值、示值误差、响应时间、零点和量程漂移进行了检定。

4.2.1 基本功能测试

如图11所示，将体积浓度5%的甲烷标准气置于通风橱内，用硅胶管将标准气引至检测器入口。给装置上电，打开气瓶阀门，关上通风橱进行实验，结果如下：①当浓度达到25% LEL时，声光报警器启动；②当浓度继续升高至50% LEL时，声光报警器继续工作，同时通风机启动；③当浓度低于50% LEL时，通风机继续工作；④当浓度低于25% LEL时，声光报警器关闭，通风机继续工作一定时间后关闭。装置基本功能符合设计要求。

图11 基本功能测试

4.2.2 仪器参数检定

对声光报警器和通风机动作值的检定：将浓度为4%的甲烷标准气用硅胶管引至传感器探头处，使报警器出现报警动作，观察其是否正常工作，并记录报警时显示屏上的示值。撤去标准气，待显示屏上示值为0时，向传感器继续通2%甲烷标准气，观察通风机是否工作正常，并记录报警时显示屏上示值，重复操作3次，取算术平均值为动作值。

对示值误差的检定：报警器先通电预热至系统稳定后，用500 mL/min微型气泵分别将浓度为10% LEL、40% LEL、60% LEL的甲烷标准气泵送到传感器内，待报警器显示屏上示值稳定后记录数据。每个浓度测3次。按式(5)计算每点的ΔC取绝对值最大者为示值误差。

(5)

C0——通入报警器内标准气的浓度值

R——报警器的满量程(即100% LEL)

对响应时间检定：先将报警器初始化，再通入浓度为40% LEL的甲烷标准气，读取报警器上的稳定示值，停止通气，待报警器显示屏上的数值回到零点。再通入上述标准气，同时启动秒表，待示值升至上述稳定值的90%时，停秒表，记下秒表显示的时间。按上述方法重复测3次，取算术平均值为报警器响应时间。

对零点漂移和量程漂移的检定：通入零点气至报警器显示屏上的示值稳定后，记录LCD屏显示值Z0，然后通入浓度约为60% LEL的标准气，待读数稳定后，记录LCD屏示值S0，撤去标准气。每隔10 min重复上述步骤一次，做3组实验并计算每组零点漂移和量程漂移，取绝对值最大者为仪器的零点和量程漂移。

表2 报警动作值、示值误差、响应时间、零点漂移和量程漂移的检定结果

表2汇总了报警动作值、示值误差、响应时间、零点漂移和量程漂移的检定结果。由表2可知：①声光报警器和通风机的动作值满足要求，4.2.1节的实验也表明了这一点；②当环境中存在可燃气体时，检测报警装置可在25.3 s内做出响应，满足文献[7]中对扩散式传感器响应时间≤60 s的要求；③对环境中可燃气浓度检测的误差，无论是高浓度还是低浓度都不超过1%，精度满足文献[7]中≤±5%的要求。

5 结 论

根据相关规范和标准设计了一种固定式可燃气检测报警及通风换气耦合装置，用于某化工企业加氢裂化装置的分馏塔裙座内部空间的可燃气检测报警及快速检维修作业环境保障。采用MJC4 2.5J型传感器检测可燃气体，传感器输出信号通过A/D转换电路转换为数字信号后传输给单片机；主控单元选择MSP430型单片机；通风机选择旋涡式风机，气量约1000 L/min。传感器、单片机、风机等硬件集成于专门设计的控制箱中。性能测试表明：声光报警器和通风机的动作值满足要求；当环境中存在可燃气体时，检测报警装置可在25.3 s内做出响应，可燃气浓度检测误差不超过1%。