淺談可燃氣體和有毒氣體監測的工程應用

王云

(山東濟煉石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

石油化工企業生產中，介質輸送、反應、儲存等過程常涉及可燃介質和有毒介質。為保障石油化工企業的生產安全和員工人身安全，合規、合理及有效地實時監測生產過程及儲運設施中泄漏的可燃氣體和有毒氣體并及時報警，預防人身傷害以及火災與爆炸事故的發生至關重要。

本文基于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》[1]，從實際工程角度出發淺談可燃氣體和有毒氣體探測的工程應用。

1 關于有毒氣體

GB/T 50493—2019中有毒氣體的定義為通過呼吸或皮膚接觸可導致永久性健康傷害或死亡的氣體或蒸氣，其條文說明中指出： 有毒氣體關注范圍是根據原國家衛生部發布的《高毒物品目錄》(衛法監發[2003]142號)[2]中規定的氣體、GB 30000.18—2013《化學品分類和標簽規范 第18部分： 急性毒性》[3]中急性毒性危害類別為1類及2類的氣體、GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業接觸限制 第1部分： 化學有害因素》[4]中規定的氣體。

石油化工企業中很多物質都有毒，但不同標準規范和文件因劃分準則不同，會出現不同的分類。工程應用中應嚴格遵守相關法律、法規、標準規范的要求，并結合項目情況合理運用。基于文獻[1]、安監局相關文件和其他標準要求，建議確定有毒氣體的范圍原則如下：

1)文獻[1]附錄B列出的氣體或蒸氣。

2)文獻[2]中規定的氣體或蒸氣。

3)文獻[4]中表1列出的介質，且符合文獻[3]中急性毒性-吸入-類別1類及2類的氣體或蒸氣。

4)《危險化學品目錄(2015 版)》中的介質，且符合文獻[3]中急性毒性-吸入-類別1類及2類的氣體或蒸氣。

5)根據原國家安監總局發布的《首批重點監管的危險化學品名錄》(安監總管三〔2011〕95號)和《第二批重點監管危險化學品名錄》(安監總管三〔2013〕12號)文中，其對應的安全措施和事故應急處置原則中要求設置有毒氣體泄漏檢測報警儀的介質。

6)具體工程項目的要求。

2 儀表設備性能特點及要求

2.1 固定式探測器

工程應用中，通常有以下類型探測器：

1)催化燃燒型。常用于檢測可燃氣體濃度，正常工作時，所檢測氣體中氧體積分數需大于10%。該類型探測器只能用于探測低于爆炸下限(LEL)體積分數，探測器響應時間取決于探測氣體，傳感器易受硅、鉛、硫化物、鹵代化學物、磷化物影響，造成傳感器催化劑中毒使探測器失效。比如石化企業中硫化氫、鉛含量較高的汽油場合中，就不宜選用催化燃燒型，當使用抗中毒型傳感器，探測器響應時間可能會延長，靈敏度可能會降低。使用壽命通常為3 a。

2)熱傳導型。用于檢測可燃氣體體積分數，工作時無需氧氣參與，通常可探測體積分數為爆炸下限至100%的氣體，響應時間中等。一般適用于相對空氣熱導率較高或較低的氣體，且背景氣波動不大的工況。

3)紅外吸收型。常用于檢測可燃氣體體積分數，工作時無需氧氣參與，可探測體積分數為0～100%的氣體，響應時間較快。當使用場所的空氣中含有能使催化燃燒型檢測元件中毒的硫、磷、硅、鉛、鹵素化合物等介質時，可選用紅外氣體探測器。對于無極性的雙原子氣體(如： 氫氣)不吸收紅外能量，因此不能用于探測氫氣。使用壽命通常不小于2 a。

4)半導體型。可用于檢測可燃氣體和有毒氣體，如氫氣、硫化氫、氯氣、氨氣、丙烯睛氣體、一氧化碳氣體等，工作時需微量氧氣參與。易受背景氣等干擾，穩定性較差，線性度一般。使用壽命通常為3～4 a。

5)電化學型。不能用于探測大多數的碳氫化合物，常用于探測有毒氣體、氧氣、氫氣、醇類等，探測靈敏度高，響應時間中等。由于該類探測器的電解質可能受低溫凍結，應注意使用環境溫度和產品適用條件。使用壽命通常為1～3 a。

6)光致電離型。常用于探測苯、氯乙烯、二硫化碳氣體，探測靈敏度高，響應時間較快。使用壽命通常為1～3 a。

7)激光型。開路式激光型可用于探測開闊區域和裝置邊界區域的碳氫化合物，響應時間較快，靈敏度高，也適用于雨、雪、霧天氣條件。線型激光探測器可用于檢測烴類可燃氣體、甲烷、乙烯、氨、二氧化碳、硫化氫、氯化氫、氟化氫等氣體。

目前市場上常用的固定點式探測器輸出信號為4～20 mA或4～20 mA加一路接點信號，也有總線型。按其采樣方式分為自然擴散式和吸入式。

2.2 可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統

可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(GDS)應獨立設置，應獨立于基本過程控制系統(BPCS)、安全儀表系統(SIS)、火災及消防系統等。GDS可用DCS，PLC，氣體報警控制器等實現，GDS的可燃氣體和有毒氣體檢測報警信號應輸送至有人值守且便于做出響應的地方，如現場控制室、中心控制室。可燃氣體二級報警信號、GDS報警控制單元的故障信號應送至消防控制室。

根據國家市場監督管理總局、國家認證認可監督管理委員會2018年第11號公告，可燃氣體報警產品不再實施強制性產品認證管理(CCCF)；GDS不用于執行安全儀表功能時，GDS也無SIL認證強制要求。

2.3 警報器

警報器可分為現場警報器(也稱區域警報器)和室內警報器，警報器應具有聲、光報警功能。

現場警報器用于提示現場工作人員，設備前方1 m處聲壓級110～120 dB(A)。室內警報器用于提示控制室內操作人員，設備前方1 m處聲壓不小于75 dBA。現場警報器和室內警報器的光報警功能閃爍頻率宜為60～120次/min，聲光形式宜根據工程項目統一規定。現場警報器和室內警報器觸發條件均為現場氣體探測器第二級報警值信號。

3 典型工程應用

3.1 在裝置區的應用

以某裝置部分區域可燃及有毒氣體探測器布置為例，如圖1所示。該案例中原料油為乙A類，工況涉及硫化氫，硫化氫屬于文獻[1]附錄B常見有毒氣體，也屬于安監總管三〔2011〕95號文的《首批重點監管的危險化學品安全措施和應急處置原則》中要求設置有毒氣體泄漏檢測報警儀的介質，也屬于GB 30000.18—2013分類中的急性毒性-吸入-類別2列出的介質。

圖1 某裝置部分區域可燃及有毒氣體探測器布置示意

釋放源為泵、采樣器、排污口及閥組密集處。其中，硫化氫釋放源為泵P-107A/B，GT-101為電化學式有毒氣體(硫化氫)探測器；GT-201～203為催化燃燒式(抗硫化氫)可燃氣體探測器，探測目標氣體為原料油蒸氣。加熱爐熱源為天然氣，主要成分是甲烷，為甲類氣體，釋放源為天然氣閥組密集處，考慮到開停爐過程安全需要，探測器也兼顧考慮加熱爐作為覆蓋范圍。其中，GT-301為催化燃燒式(抗硫化氫)可燃氣體探測器，探測目標氣體為甲烷。

上述探測器安裝原則： 可燃氣體探測器以其半徑10 m內作為釋放源可覆蓋范圍，有毒氣體探測器以其半徑4 m內作為釋放源可覆蓋范圍。探測器安裝高度根據探測目標氣體相對分子質量與空氣相對分子質量比值作為依據。其主要技術參數為探測器防護等級IP65，防爆等級Ex dⅡCT4，信號類型為三線制4～20 mA，配有現場一體化聲光報警器。

GL-101為區域警報器，主要用于提示區域內現場人員，安裝高度為2.5 m，處于區域內現場人員易視聽的位置。當設置區域可燃氣體探測器和有毒氣體探測器時，建議分別設置，且聲光應有區別。當對應區域內任一臺可燃氣體探測器觸發二級報警時，區域可燃警報器發出聲光警報，若裝置區面積較小，任一臺可燃氣體探測器觸發二級報警時，也可所有區域可燃警報器發出聲光警報。

3.2 在新風入口處的應用

在可燃氣體和有毒氣體有可能通過新風入口進入控制室及機柜間的場合，應在新風入口處設置目標氣體的探測器。

當探測器的可燃氣體體積分數不小于25%LEL或有毒氣體體積分數不小于100%OEL時，應聯鎖關停新風機及密閉閥，可采用以下兩種方案實現：

1)探測器4～20 mA信號引入文獻[5]建議的SIS，經SIS邏輯運算后發出信號至新風機控制系統，由新風機控制系統聯鎖關停新風機及密閉閥。

2)探測器4～20 mA信號引入GDS，經GDS邏輯運算后發出信號至新風機控制系統，由新風機控制系統聯鎖關停新風機及密閉閥。

3.3 分析小屋的應用

分析小屋內的可燃氣體、有毒氣體、氧濃度探測器設計除了符合文獻[1]要求外，還應符合相關規范的要求，如GB/T 29814—2013(IEC/TR 61831： 1999，IDT)《在線分析器系統的設計和安裝指南》[6]、GB 29812—2013(IEC 61285： 2004，IDT)《工業過程控制 分析小屋的安全》[7]、SH/T 3174—2013《石油化工在線分析儀系統設計規范》[8]。

當分析小屋內的分析樣氣中含有可燃、有毒介質時，或分析小屋安裝位置有可能使小屋內聚積可燃、有毒氣體時(如分析小屋設在爆炸危險區域2區)，應在分析小屋內設置對應目標氣體的探測器，分析小屋通常屬于受限空間，應設置氧濃度探測器。當小屋內可燃氣體體積分數不小于20%LEL或有毒氣體體積分數不小于100%OEL時應能觸發報警，如探測器的聲光報警及小屋外入口處的報警燈屏，切斷分析樣氣采樣，并能自動啟動小屋排風機。當小屋內可燃氣體體積分數不小于50%LEL時，除了報警還應及時聯鎖自動切斷小屋內非防爆電氣設備的電源。相關報警設定及聯鎖功能宜根據工程具體情況，結合供貨商產品及建議做相應設置。

當探測器檢測信號用于參與分析小屋內一系列報警和聯鎖功能時，如門外報警、通風、不同聯鎖值關斷相應電氣設備、時間判斷程序等復雜功能，探測器4～20 mA信號可引至小屋內集成的PLC，由PLC通過通信方式或“點對點”輸出4～20 mA至GDS。若探測器在小屋的PLC內無復雜聯鎖功能，探測器4～20 mA信號宜直接接入GDS，探測器的接點信號至小屋的PLC，但應滿足使用要求為原則。

3.4 其他工況及解決方案

對于實際工況中其他情況，觀點如下：

1)對于密閉設備和封閉管道內的乙B和丙A類液體介質，當操作溫度大于其閃點時，其危險性將分別提升到甲B和乙A類。

業內部分觀點認為： 不需要設置可燃氣體探測器。理由是若出現泄漏，當介質溫度大于燃點時，加之環境氧氣充足，將可能持續燃燒，宜考慮設置火焰探測設備；當介質溫度小于燃點或氧氣不足以燃燒，介質將持續泄漏，但由于周圍環境溫度使之降溫，其揮發速度和蒸氣范圍將減小，危險性減小。

另一類觀點認為： 需要設置可燃氣體探測器。一方面，工況下高溫液體泄漏揮發性大，在低濃度下介質不會快速收斂，除非接近飽和態，環境溫度使之降溫并不能得出擴散性和危險性降低的結論，它不是簡單線性對應關系。落實到工程中，建議設置可燃氣體探測器。另一方面，需判斷可燃液體泄漏后液體溫度是否還高于閃點，若液體溫度比閃點僅高幾攝氏度，泄漏后因環境溫度較低，液體溫度很快就低于閃點，就不需設置探測器，否則就應按甲B或乙A類考慮，設置可燃氣體探測器。

筆者的觀點： 目前工程中難以判斷擴散范圍及揮發狀態，一方面除了操作溫度，還與介質壓力、釋放源周圍空間環境、氣象條件、釋放口尺寸等有關；另一方面，工況下可燃氣體探測器的最重要目的是檢測可燃氣體濃度，提前預警從而避免發生火災及爆炸事故。GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》[9]中規定：“操作溫度高于可燃液體閃點的，當可燃液體有可能泄漏時，可燃液體的蒸氣或薄霧與空氣混合形成爆炸性氣體混合物應按爆炸性氣體環境設計”，即該區域被劃為爆炸性氣體區域。因此，筆者認為應設置可燃氣體探測器，但需注意爆炸性氣體區域范圍可能會大于文獻[1]關注的范圍。

2)文獻[1]2019版相較2009版雖然刪除了風向因素，但探測器易受風向風速影響，然而一年中風向風速是不同的，且受裝置內設備和管線等影響，實際上難以考慮風向風速影響。若再考慮釋放源泄漏位置、泄漏壓力、泄漏口大小、探測器響應時間等，情況會更復雜。需要時，可以考慮風向的影響，比如GB/T 39173—2020《智能工廠 安全監測有效性評估方法》[10]提到的方法中有些涉及到了風向因素。目前可通過三維模型和專業軟件進行模擬，可進一步優化探測器的設置，實際上就是提高探測器的有效覆蓋率。

3)在空間較高的封閉廠房內，若探測器安裝在廠房內的最高點，在工程實施階段應考慮設置探測器維護平臺和爬梯，便于后期維護且避免涉及特殊作業中的高處作業。

4)不建議采用總線型探測器，主要原因為從整體安全性和可用性考慮，一條總線上掛接探測器若干臺，數據傳輸延遲時間可能較長。當需要維護總線上某臺探測器，或總線上需要增加探測器，會影響總線上其他探測器的正常使用。

5)甲醇的爆炸下限為6%，若按可燃氣體探測器設置要求，一級報警值為25%LEL，二級報警值為50%LEL。甲醇的IDLH為2.5%，可見25%LEL(即60%IDLH)時危險性已經很大，50%LEL更是達到120%IDLH。

IDLH的定義為在工作地點，環境中空氣污染物濃度達到某種危險水平，如可致命或永久損害健康，或使人立即喪失逃生能力。因此，建議甲醇按可燃氣體探測器覆蓋釋放源要求設定安裝位置，但應按有毒氣體探測器的測量范圍和報警值要求設定，即一級報警值為5%IDLH，二級報警值為10%IDLH。關鍵位置也可以按照有毒氣體探測器要求設置，報警值按照一級報警值為100%OEL，二級報警值為200%OEL。

6)有毒物質的職業接觸限值OEL值是以8 h/d的工作時間制定的，然而企業部分人員工作時間可能長期大于8 h/d。由于每個人的身體差異和不同時間段內的身體差異，可能在低于OEL值時，也可能引起勞動者健康損害，因此不能絕對認為低于OEL值就是“安全的”。實際工程中，目前通常沒有考慮上述的時間因素及人體差異因素。

7)某種工況下可能同時存在兩種或多種有毒物質泄漏的可能，若共同作用于同一器官或人體部位，具有相似或增強的毒性機制，那么在這種工況下多類有毒物質的OEL值可能需要合理評估后做適當折減。實際工程中，目前通常沒有考慮上述的毒性因素的影響。

8)不能忽視便攜式探測器的使用，由于固定式探測器所能檢測覆蓋的范圍、效果、響應時間已定，而巡檢人員是移動的，合理使用便攜式探測器能有效彌補固定式探測器某些方面的缺陷。

9)探測器正常使用過程中，室內值守人員應熟悉裝置平面及探測器位置，建議在人機界面上顯示裝置平面及探測器布點位置。當探測器發出報警后，應迅速判斷報警位置并執行預定的響應程序，核查報警原因，在沒有核查原因和消除隱患前，不應屏蔽及消音報警狀態。

對于需要修改探測器報警值、調整安裝位置的，應按企業管理規定及時修改相關資料并記錄。

4 結束語

有毒氣體的判定、可燃氣體探測器和GDS的認證是業內探討的熱點，本文對這些問題做了闡述，且通過舉例說明常見工程應用的設計原則。氣體探測器相較其他常規儀表具有特殊性，通常檢測的是周圍環境的可燃及有毒氣體，提高探測器性能是目前重中之重，若附以計算機軟件進行模擬，將能提高探測器的有效覆蓋率和可信度。

隨著安全要求的逐步提高，設備制造及技術水平的不斷發展，以及相關標準及文件的更新要求，工程人員應適時了解掌握技術動態并提高相關技能水平，合理運用于工程實踐中。