乙烯钢瓶库可燃气体检测报警系统的设计

曹 珩 凡友琴 陈连和 施军鸿

（湖北省化学工业研究设计院）

乙烯是一种重要的化工生产原料，可用于生产合成纤维、合成橡胶、合成塑料和合成乙醇，在石化行业和精细化工行业中得到了广泛应用［1］。乙烯与空气混合能形成爆炸性混合物， 遇明火、高热或接触氧化剂， 有引起燃烧爆炸的危险，在火场温度下易发生危险的聚合反应，而且具有较强的麻醉作用。 对照《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化学品名录的通知》（安监总管三［2011］95 号），乙烯属于重点监管的危险化学品。 近期笔者参与了某化工厂乙烯钢瓶库的施工设计，特此将该项目可燃气体检测报警系统设计过程中的心得体会分享给业内同仁，以期对石化行业中其他类似工程设计提供一定的帮助和参考，保证生产过程的安全可靠。

1 项目概述

乙烯钢瓶库为某化工厂高纯度气体充装项目的配套设施，用于存放乙烯产品。 该乙烯钢瓶库属于地上一层钢筋混凝土封闭式排架轻钢屋盖结构，建筑使用面积358.04m2，建筑高度4.5m，乙烯最大存放量3t。 其火灾危险性属于甲类，建筑耐火等级为二级，设置3 个防火分区（面积相同）且分区之间采用防火墙分开，每个防火分区设置两个出口。 该乙烯钢瓶库存在泄漏乙烯的风险， 根据GB 50016—2014 《建筑设计防火规范（2018 年版）》的要求，需要设置可燃气体检测报警系统［2］。

2 可燃气体检测报警系统设计

可燃气体检测报警系统由3 部分组成［3］：

a. 气体检测器，用于检测周边环境的可燃气体浓度，是气体检测报警系统的输入端；

b. 气体报警控制器，用于接收气体检测器的传输信号，并通过逻辑控制器将接收的信号按照内置程序进行比较运算，并输出控制信号进行处理，是气体检测报警系统的中央处理单元；

c. 传输线路，将气体检测器的远传信号传递给气体报警控制器，是检测设备与中央处理单元之间的联系通道。

由于气体报警控制器由气体检测器供货商成套供应， 各生产厂家之间没有较大的技术差别， 因此只需要采购符合消防3C 认证的产品即可，以保证其使用性能和设备寿命。 传输线路只要严格遵循设计图纸和施工规范，保障传输信号的可靠性即可。 可见，可燃气体检测报警系统的设计重点在于气体检测器选型和安装高度、安装位置的确定。

2.1 气体检测器选型与原理

气体传感器是气体检测器的核心元件， 该元件能够将气体浓度信号转换为远传电信号， 所以其性能好坏直接关系到气体检测器测量结果的准确性和可靠性［4］。 乙烯属于烯烃，且钢瓶库并非缺氧场合，根据GB 50493—2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》第5.2.2 条建议，乙烯气体检测器采用催化燃烧式气体传感器［5］。

催化燃烧式气体传感器（图1）利用可燃气体的催化燃烧反应（该反应为无焰燃烧，不会引爆可燃气体）使之内部升温、电阻变大，通过测量线圈电阻值的变化来检测可燃气体的浓度［6］。 它对可燃气体的响应具有广谱性，而且对于温湿度的影响不敏感， 在测量范围内具有很好的线性特性，是一种低成本、高可靠性的气体传感器。 其内部由检测元件、补偿元件和两个高精度恒定电阻组成惠斯通电桥［7］。其中，检测元件是陶瓷珠包裹的铂丝线圈，陶瓷珠外层覆涂一层具有大比表面的贵金属氧化物催化剂（可促使可燃气体发生催化燃烧反应）； 补偿元件是陶瓷珠包裹的铂丝线圈，外层无催化剂，不会与任何气体发生反应，用于补偿环境温湿度的变化。 正常工作时，铂丝线圈通电加热至450～500℃， 当接触到可燃气体后检测元件催化剂层表面发生催化燃烧反应，从而加热陶瓷珠导致铂丝线圈电阻值变大，通过电桥电流的变化就可以精确测量检测元件的阻值变化，从而计算出被检测气体的浓度。

图1 催化燃烧式气体传感器工作原理

2.2 气体检测器安装高度

由于物理学上乙烯属于比空气略轻的气体，所以导致工程设计中一些经验不足的工程师将乙烯视为比重小于空气的可燃气体，故而发生将乙烯气体检测器安装在乙烯释放源上方或者略低于屋顶的错误案例。 实际上， 根据GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》第2.0.26 条定义［8］，“轻于空气的气体”为相对密度小于0.80 的气体， 同时根据GB 50493—2009第6.1.1 条的条文解释［5］，气体相对密度大于0.97（标准状态下）即认为比空气重。 由于乙烯气体密度为1.260kg/m3，相对密度为0.98（空气为1.00），因此从可燃气体的定义范畴来说，乙烯是比空气略重的可燃气体。 根据相应规范要求，乙烯气体检测器安装高度需要距地坪 （或楼地板）0.3～0.6m，故该项目中的乙烯气体检测器安装高度取高出钢瓶库室内地坪0.5m。

2.3 气体检测器安装位置

乙烯钢瓶库为封闭式排架轻钢屋盖结构，属于通风不良的封闭建筑物，根据GB 50493—2009第4.2.2 条［5］，该区域的可燃气体检测器有效覆盖水平平面半径可取7.5m。由于乙烯气体检测器需要安装在高于地坪0.5m 的位置， 因此可利用钢板和螺栓将它固定在墙体上，既坚固美观又不会对乙烯钢瓶的输送和储运造成干扰。 钢瓶库3 个防火分区尺寸均为12m×10m（按建筑物外围平面尺寸36m×10m 计算），故在长度为12m 的墙体一侧中点位置安装气体检测器，共计6 个，以满足规范要求，确保有效覆盖所有乙烯释放源，达到安全要求。

3 其他注意事项

由于气体检测器工作电流较大，并且自带声光警报器，故建议采用三线制4～20mA 输出信号，检测器传输线路采用3×1.5mm2计算机专用屏蔽电缆穿镀锌钢管敷设， 最终接入气体报警控制器。 气体报警控制器具有报警和控制功能，采用壁挂方式安装在操作人员常驻的控制室，并且设置UPS 作为应急电源。气体报警控制器设置二段报警：当乙烯泄漏浓度达到25%LEL（LEL 为最小爆炸下限）时，气体报警控制器发出声光报警，提示操作人员及时前往钢瓶库巡检；当乙烯泄漏浓度达到50%LEL 时，气体报警控制器发出声光报警，提示操作人员采取紧急措施，同时气体报警控制器输出开关量启动钢瓶库事故风机，稀释空气中的乙烯含量以确保现场安全。

4 结束语

合理设计可燃气体检测报警系统是确保化工厂生产和储运安全的重要措施。 笔者介绍的乙烯钢瓶库相关设计满足国家设计规范和法律法规的相关要求，目前该项目已经通过了应急管理（安监、消防）、职业卫生等相关部门的检查验收。根据企业反馈，该系统在乙烯钢瓶储运实践过程中发挥了良好的作用。