氮氧化物探測系統在海上平臺的應用

齊桂卿，王 強，孟祥婷，任 璐，劉 健

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

NOX是大氣污染的主要物質之一[1-2]，也是一系列會引起嚴重健康危害的氣體家族之一。GBZ 2.1—2014《中華人民共和國國家職業衛生標準——工作場所有害因素職業接觸限值》明確了NO2的時間加權平均容許濃度（PC-TWA）和短時間接觸容許濃度（PC-STEL），同時明確了其健康效應。GB 50493—2009《石油化工企業可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》則將NO2列為有毒氣體，并規范了測量范圍、監測點及報警系統設計等相關要求。當前，多數海上平臺未對NO2進行有效監測，隨著相關法規要求的逐步嚴格，開展海上平臺發電機組煙氣排放監測，對降低NOX職業健康危害意義重大。

1 應用背景

在東海海域某井口平臺的設計中，中海油委托挪威船級社（DNV GL）開展煙氣擴散模擬分析。該分析采用美國政府工業衛生協會（ACGIH）推薦的一系列關于工作場所內有害物質濃度的相關規則。推薦的接觸限值以時間加權平均限值（TWA）和短時間接觸容許濃度（STEL）的形式給出，對燃氣發電機排放出的煙氣擴散進行評估，并對有人區域內（比如直升機甲板、工藝區、中控室、電氣房間及生活樓等）的NO2不可接受濃度展開分析模擬。分析結果顯示，煙氣排放造成的有害氣體濃度不符合采用的相關標準，同時也超出了《中華人民共和國國家職業衛生標準》所定義的職業接觸限值（OELs）。基于此，在火氣控制系統中增加NO2監測設備，并設置NO2超標報警裝置，以確保平臺工作人員及時采取措施，避免造成健康危害。

2 探測及報警設備的布置

2.1 煙氣擴散分析概述

探測設備的布置基于煙氣擴散分析報告的結果，在煙氣擴散報告中，共選取了24個模擬場景，結合氣象數據、燃氣發電機煙氣組分及排放速度，對氣體濃度超標概率進行分析。分析結果如表1所示，表中標注表示該區域/目標氣體濃度超標；標注表示該區域/目標不受煙氣影響。從表1中可以看出，每個甲板都被分成東、西2個部分進行分析，以防火墻為界。煙氣排放之初，煙氣中含有NO和NO2（混合物稱為NOX）。隨后，NO會與空氣中的氧氣發生反應生成NO2，最終煙氣排放物中所有的NOX都會是NO2。由于NO2比NO危害性更強，根據保守的原則，基于NO2展開分析。

2.2 探測及報警設備的布置

從表1中可以看出，下層甲板和中層甲板的東側區域在所有模擬場景中均存在NO2氣體濃度超標的風險。中層甲板的東側區域包括中控室、電氣房間以及實驗室等；而主發電機間和備用柴油發電機間則位于下層甲板。這些房間均是操維人員長期工作或頻繁出現的區域。在探頭布置的過程中，將對這些區域重點監測。對于其他區域，由操維人員使用便攜式NO2探測設備來探測。NO2探頭及報警設備的布置見圖1和圖2.在下層甲板，對主燃氣發電機間和備用柴油發電機間的新風口設置NO2探頭，房間內設置NO2超標報警裝置。在中層甲板，分別在機修間、開關間、應急間、中控室及實驗室的新風口設置NO2探頭，并在房間內設置NO2超標報警裝置。

3 報警值設定及控制邏輯

在GBZ 2.1—2014和美國政府工業衛生協會所（ACGIH）頒布的《工作場所化學有害因素職業接觸限值》中均給出了NO2的職業接觸限值，如表2所示。根據GBZ 2.1—2014對職業接觸限值的定義，需要將NO2探頭檢測到的數據在上位機上緩存，經過加權平均后分別計算出PC-TWA和PC-STEL。其中，PC-TWA不觸發關停動作，僅觸發NO2聲光報警裝置。PC-STEL報警值設定為4×10-6（4 ppm），觸發所檢測區域聲光報警燈的同時關閉所監測房間的通風系統。NO2探測系統數據流程及控制邏輯如圖3所示。

表1 分析場景的氣體濃度超標結果

圖1 下層甲板NO2探測及報警裝置布置

時間加權平均容許濃度（TWA）算法如下：

式（2）中：C1，C2，…，Cn為測得的NO2濃度，10-6；T1，T2，…，Tn為對應每個濃度的持續時間，h。

該方案以當前時間戳前15 min或8 h內的時間加權平均濃度作為報警閾值，有效地減少了頻繁報警及誤關停動作。

其中，短時間接觸容許濃度（STEL）算法如下：

式（1）中：C1，C2，…，Cn為測得的NO2濃度，10-6；T1，T2，…，Tn為對應每個濃度的持續時間，min。

圖2 中層甲板NO2探測及報警設備布置

表2 NO2職業接觸限值

圖3 NO2探測系統數據流程及控制邏輯圖

4 結論

此次將NO2探測及報警設備應用于海上平臺在國內海域尚屬首次，其可靠性直接影響到平臺操維人員的職業健康。本方案所采用的報警值的設定，通過嚴格對標標準規范，以15 min和8 h內的時間加權平均值作為報警閾值，在保證及時預警的前提下，最大限度地減少不必要的關停動作，在保證操維人員職業健康的同時，有效兼顧了平臺的經濟效益。

［1］楊楠，王雪.氮氧化物污染及防治［J］.環境保護與循環經濟，2010，8（11）：63-67.

［2］王忠杰，李穎杰，朱辰澤，等.火電廠NOX排放在線監測研究［J］.潔凈煤技術，2015，21（2）：93-96.