淺析線型氣體檢測器在聚丙烯裝置中的應用

王曉燕

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

石油化工生產裝置中的工藝介質多具有易燃、易爆或有毒有害的特性，當介質發生泄漏并在周圍環境中積聚時，極易發生燃燒、爆炸、中毒等事故。近年來，石化類企業中因為可燃、有毒氣體泄漏引發的安全生產事故頻發，造成人員傷亡、環境污染和財產損失等嚴重后果。因此設置可燃、有毒氣體檢測報警系統的重要性越來越受到重視。線型可燃氣體檢測技術的出現，使得檢測儀表的可靠性和穩定性得到大幅提高。

1 工作原理

線型可燃氣體檢測器也稱開路式氣體檢測器(open-path gas detector)，采用高效的氣體檢測技術，通常測量在一定距離的直線路徑中的可燃性氣體(主要為碳氫化合物)云團的積分濃度。此類檢測器具有響應速度快、無交叉干擾、使用壽命長、安裝便捷、運行安全可靠、維護方便等特點，通常作為常規點式氣體檢測技術的補充或聯合使用，在區域報警、邊界報警中起到了良好的作用，現已在石油化工行業中得到廣泛應用。

常用的線型氣體檢測器為紅外式，利用紅外吸收原理。由于發射的光源是恒定的，當氣體云團擴散至檢測路徑范圍時，特定波段紅外光的光能量會被氣體吸收而減弱。通過檢測初始紅外光輻射能量和被氣體吸收后的能量，能夠得出待測氣體濃度。發射紅外光的光源與檢測紅外輻射能量的檢測器是該檢測技術的關鍵。通常，線型可燃氣體測量值用氣體爆炸下限值與線型檢測器兩檢測點之間距離之積LEL·m表示。

2 特性

根據紅外吸收原理設計的紅外氣體檢測器，能夠用于檢測混合氣體中某種或多種需要測量氣體的組分濃度，其特性有以下幾個方面：

1)良好的可靠性和穩定性。輻射與物質之間的作用僅限于光吸收，無熒光和光化學現象發生。吸光質點之間無相互作用，不同的待測氣體具有各自對應的特征吸收光譜。采用光信號檢測氣體濃度，不會引起檢測系統發熱，該系統不會受到溫度變化的影響，因此工作穩定性較好。

2)不易老化、無中毒反應。不同種類的氣體檢測器都有各自的檢測范圍，有的檢測器當待測氣體濃度超過范圍時，會造成載體的催化類元件永久中毒失去活性，當氣體濃度再回到正常值時檢測器就無法正常工作。而紅外氣體檢測器則避免了該類問題。

3)響應速度快、靈敏度高。紅外式氣體檢測器開機時間較短，不需要預熱即能正常工作。當氣體云團的濃度發生變化時，較其他檢測方法能及時做出反應。基于氣體的紅外吸收光譜特性，非單元素的極性氣體分子在中紅外(2.5～25 μm)波段存在分子振動能級的基頻吸收譜線，因此傳感器靈敏度較高。

4)防爆性能好。采用光信號檢測氣體濃度，僅需要很低的工作電壓，對于存在混合爆炸氣體的危險場合時，不會成為爆炸的點火源，具有良好的防爆性能。

5)使用壽命長、應用范圍廣。運用紅外吸收原理，產生的干擾信號較小，有用信號突出，系統的信噪比較高，并且系統具有零點及靈敏度自動補償功能，不需要經常性維護。此外，在任何大氣環境中都可以工作，受環境因素的影響較小，對氧氣不依賴的特點使得該類型的檢測器在石油化工、能源電力及冶金等行業得到廣泛應用。

3 設計考慮因素

3.1 檢測面積因素

點式檢測器的檢測方式是接觸式的，只有當危險氣體到達傳感器的時候才能被檢測到，所以檢測面積小。根據可燃氣體檢測器在封閉和半封閉的室內場所的保護半徑是5 m[1]的要求，點式氣體檢測器在重點位置如石化裝置內部等場所較適用。但對于大于5 m的區域/邊界檢測，則可能需要大量的點式氣體檢測器，這樣的設置方法不夠經濟合理。因此選用線型可燃氣體檢測器與點式氣體檢測器配合使用，有助于氣體檢測取得更好的效果。GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》中規定： 當生產設施及儲運設施區域內泄漏的可燃氣體和有毒氣體可能對周邊環境安全有影響需要監測時，應沿生產設施及儲運設施區域周邊按適宜的間隔布置可燃氣體檢測器或有毒氣體檢測器，或沿生產設施及儲運設施區域周邊設置線型氣體檢測器。在氣候環境或生產環境特殊，需監測的區域為開闊的場所，宜選擇線型可燃氣體檢測器。

3.2 儀表特性因素

線型氣體檢測器有對射式和反射式兩種方式，由于反射式應用在路徑較短的場所，因此不適合本文所述項目的使用，以下主要探討對射式。這種方式的氣體檢測器由發射端和接收端組成，發射端的光通過對準調節發射到接收端，通過接收處理，實現區域內氣體檢測。

根據IEC 60079-29-2： 2015要求，發射端和接收端位于1～200 m不等的光路的兩端，待測介質是之間路徑上的所有氣體，不能假定其濃度是均勻的。由于檢測器無法分辨氣體云團的數量和濃度的大小，所以測量的結果是路徑長度上的積分濃度，或者是路徑長度上的平均濃度。

無論氣體云團的大小和濃度如何變化，線型氣體檢測器均能通過紅外光輻射范圍內所吸收的氣體相對分子質量來達到測量目的，避免了因氣體云團擴散引起的非正常報警，進而可能引發事故的情況。

采用線型紅外式可燃氣體檢測器時，應當考慮以下因素：

1)發射端與接收端之間的路徑長度不得超過生產廠家的規格，中間不得有障礙物，且呈直線布置，高度一致。

2)安裝地點應安全、穩定、振動小，不應處在易被碰歪的位置上，且不得靠近強電磁場。

3)應符合其安裝地點的環境條件、爆炸危險區域等級要求，應考慮相關防護措施，防止機械損壞、雨、水洗、雪、強風、灰塵和沙子等；安裝在陽光直射或反射下的檢測器應考慮使用遮陽板。

4)在結冰、冷凝和下雪條件下，應考慮能夠對光學元件進行伴熱。

5)在大霧天氣會導致儀表失效，應設置故障報警輸出。

6)不能檢測出非烴類的可燃氣體。

7)因測量路徑上的可燃氣體濃度是以云團方式出現，并非均勻分布，故很難定量地進行讀數。

4 應用案例

聚丙烯裝置的原料、中間產品為烴類介質，工藝較為復雜，生產過程中極易導致可燃氣體泄漏，裝置內區域屬于爆炸危險2區。在聚丙烯裝置中碳氫氣體的檢測點很多，且分布區域廣。考慮到裝置內的可燃氣體易擴散至界區外，并對周圍裝置及環境產生安全隱患和影響，因此在裝置邊界處設置烴類可燃氣體檢測器是十分必要的。

通過對線型氣體檢測器和點式檢測器的對比分析研究，根據裝置邊界處可燃氣體種類與要求，結合環境等諸多綜合因素及經濟性與合理性，采用按照一定的路徑和間距設置合適數量的線型紅外氣體檢測器的方式，配合裝置內的點式氣體檢測器協同作用，進行烴類可燃氣體的檢測與報警。采用該布置方式不僅可以提高氣體檢測系統的性能，還加大了對氣體擴散分析的可行性。

當裝置內出現烴類可燃氣體泄漏時，首先由裝置內靠近泄漏點的固定點式檢測器報警，部分可燃氣體云團隨當時的風向和風速流動到裝置的邊界，再由此處的線型氣體檢測器檢測到并報警，使操作人員及時獲得擴散路徑并妥善處置。

某項目屬于聯合裝置，所在區域季風分別為西南風、西北風和東風。該項目中的聚丙烯裝置區位于整個項目的最北側，周圍區域有丙烷脫氫裝置、產品處理裝置、化學品及催化劑存儲等。聚丙烯裝置包含11個生產單元及輔助設施，設置的烴類可燃氣體泄漏檢測點多達108點，且分布區域廣，裝置內的可燃氣體易擴散至界區外，設置有效可靠的氣體檢測系統十分重要。因此，除在各生產單元設置點式氣體檢測器外，沿裝置區四周邊界還需設置線型氣體檢測器。線型氣體檢測器布置如圖1所示。

圖1 線型氣體檢測器布置示意

由圖1可知，該項目中聚丙烯裝置的生產單元區域共采用8對線型氣體檢測器形成一個閉合圈。因為丙烯氣體密度比空氣大，所以檢測器設置高度為地面上500 mm，既不容易被積水浸透還能達到良好的檢測效果。

該項目選用了Dr?ger Pulsar 7700系列的線型紅外氣體檢測器，用于直線路徑中可燃氣云團的檢測，發射端到接收端的距離為4～200 m。該檢測器具有快速響應、可在霧靄和雪天工作、對陽光不敏感等優點，且適用于SIL2級系統。但是也存在靈敏度低、需要較大量程，鏡頭對準要求高，誤報警多等局限性。

檢測器檢測準確與否與現場安裝是否符合要求是分不開的，現場安裝需要考慮以下因素：

1)安裝位置選擇在無快速移動的粉塵靜電放電的地方。

2)鑒于對溫度輻射熱的考慮，對這些線型氣體檢測器加裝了遮陽罩，以防止設備直接受到陽光的照射。

3)發射端和接收端之間的測量路徑選擇充分考慮了通暢，無任何遮擋的要求。

4)為了保證檢測器的無故障測量和盡可能長的維護間隔，將發射端和接收端的安裝位置選擇在穩定、低振動的地點。

5)檢測器發射端和接收端之間的路徑長度見表1所列，均未超過生產廠家規定的規格長度。

表1 線型氣體檢測器發射和接收端間距 m

5 結束語

因線型氣體檢測只能檢測某一直線范圍內的可燃氣體濃度，故采用線型氣體檢測器與點式氣體檢測器相結合的方式，既能彌補兩類氣體檢測器各自的不足，又能起到很好的輔助作用，形成一套更為完善且可靠的檢測系統。對于點式、線型可燃氣體檢測器的設置位置，還應當基于可燃氣體的擴散模型的綜合分析及有效性評估確定。