催化燃烧型可燃气体检测报警器的布置探讨

方旭锋

(嘉科工程(苏州)有限公司，江苏 苏州 215021)

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》[1]的要求，为预防人身伤害以及火灾与爆炸事故的发生，保障石油化工企业的安全，石油化工企业新建、扩建及改建工程中存在释放源的位置应进行可燃气体和有毒气体检测报警的设计。以下仅对催化燃烧型可燃气体检测报警器进行论述。

1 催化燃烧型可燃气体检测报警器原理

催化燃烧型可燃气体检测报警器的工作原理[2]如图l所示，它是利用加热后电阻的变化来推算出可燃气体的体积分数。

图1 催化燃烧型可燃气体报警器的原理示意

报警器的传感器是由1对催化燃烧型检测元件(A和B)和另1对电阻(R1和R2)组成，4个元件构成了惠斯通电桥。当可燃气体接触到检测元件时，受催化剂的影响，会有无焰燃烧现象产生，导致铂丝表面发生了氧化反应，产生的热量使铂丝的温度升高，从而使其电阻阻值发生变化。图1 中，C处惠斯通电桥两臂分别连接参比补偿元件和涂有催化剂的热敏检测元件，另外2个桥臂接2只电阻值固定。铂丝变化的阻值造成了电桥的失衡，产生了1个毫伏级的电信号，通过该信号便能计算出环境中的可燃气体体积分数。在各种气体检测报警器中常使用的报警器的类型就是催化燃烧型可燃气体检测报警器。

2 可燃气体探头标定气体的选择

可燃气体探头输出的气体体积分数值实质是对催化燃烧在桥臂上生成热的反映。假设该反映是线性的，即热量的多少反映为桥臂温度的高低，即对应输出的电阻值的线性变化。当释放源有且仅有1种气体时，可燃气体探头出厂标定即可按该种气体进行标定。当现场存有多种气体时，需要提出气体的成分；实际应用中，尤其是精细化工场合，工艺专业人员往往会提出几种甚至十几种的可燃气体成分，使得仪表专业人员选择标定气体提供给厂商时产生了难题。经验做法是按照爆炸下限(LEL)最低的可燃气体作为厂商的出厂标定气体，此处对该做法进行论证。

2.1 可燃气体实际浓度与探头指示值的转化

单位体积的摩尔浓度和摩尔焓(Hm)的乘积所得热值，决定了电阻值的变化，可换算得到可燃气体的体积分数值。文献[1]中规定可燃气体的测量范围为0～100%LEL，可燃气体的一级报警设定值不大于25%LEL，可燃气体的二级报警设定值不大于50%LEL。文献[1]中附录A 常用可燃气体、蒸汽特性表列出了常用可燃气体、蒸汽的LEL值，通过LEL值换算可计算每种气体在传感器上获得的热量。

单位体积甲烷气体达到LEL时产生的Hm为

(1)

因此，标定用于测量甲烷气体的可燃气探头，测得甲烷气体100%LEL时的铂丝电阻值对应的铂丝温度所需的热量值为1 989.04 kJ/m3。假设电阻值随热量的变化为线性，标定25%LEL和50%LEL指示值即对应于探头检测到0.25×1 989.04=497.3 kJ/m3和0.5×1 989.04=994.5 kJ/m3热量所对应的铂丝电阻值。

以下对环境中存在多种气体的情况进行讨论。文献[1]中2.0.1定义可燃气体是指甲类可燃气体或甲、乙A类可燃液体气化后形成的可燃气体。从文献[1]中选取29种典型气体分别进行热值计算，计算结果见表1所列。为了便于观察，对100%LEL时生成的热量进行由小到大排序。

2.2 选取爆炸下限浓度最低的气体作为标定气体的缺陷

多种可燃气体共存时，经验选取LEL最低的气体作为探头的标定气体，从原理上而言并不准确。为了解释该观点，以理论上氢气和乙炔密度均为比空气小的气体进行演算： 当2种气体同时存在时，乙炔的爆炸体积分数下限为2.5%，氢气的爆炸体积分数下限为4%，则只设置乙炔标定的可燃气体探头。

表1 29种典型可燃气体热值计算结果

25%LEL时的热量362.6 kJ/m3，测得乙炔的体积百分比为0.625%，即25%LEL，可燃气体探头因测到25%LEL量程发生报警。假设实际情况是此时泄漏的全为氢气，乙炔气体并未发生泄漏。对应产生热量362.6 kJ/m3时氢气的体积分数以LEL的形式表示为

(2)

当可燃气体探头发生二级报警时，即检测到50%LEL，电阻值对应检测到的热量为725.2 kJ/m3，而此时氢气的体积分数以LEL的形式表示为

(3)

此时的环境已经处于氢气的爆炸范围，随时可能发生爆炸危险，但可燃气体报警此时才发出二级报警。因此，该经验并不适用于氢气和乙炔气体都可能泄漏的场合。笔者会对比空气密度小的几种气体都单独考虑。实际上根据文献[1]6.1.1条条文说明，乙炔属于比空气密度大的气体，而GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》[4]中 2.0.25,2.0.26条款定义乙炔密度不大于空气，亦不小于空气，应酌情考虑。由于规范更新滞后的问题，文献[1]中6.1.1 条条文解释标准状态下相对气体密度大于0.97 kg/m3，认为比空气重，标准状态下相对气体密度小于0.97 kg/m3，比空气轻。相对空气密度为0.97/1.29=0.752，与文献[4]规定相对密度小于0.8比空气轻，相对密度大于1.2比空气重有矛盾。

2.3 选取爆炸下限浓度最低的气体作为标定气体的注意事项

工程实践中,在多种密度大于空气的可燃气体同时存在的场合，可以采用选取LEL最低的气体的经验方法选取可燃气体探头的标定气体。观察表1数据发现，烃类气体的相对分子质量越大，Hm越大；分子中碳氢原子含量越多，Hm越大。而可燃气体报警器测得的气体浓度由传感器所吸收的热值决定，即单位体积内某种可燃气体在某浓度值下所含的摩尔数与该物质Hm的乘积决定。因此，多种气体存在时可燃气体探头标定气体的选择实质是按25%LEL时所需的热值最小值选取，该值在文献[1]中并没有给出，而实际工程经验是多种可燃气体同时存在时选择LEL最小的气体作为标定气体，两者的选取有差异存在。对29种典型气体在被可燃气体探头测得25%LEL时所需的热值进行排序，详见表1所列。对比空气密度大的气体选取最不利情况进行计算： 由表1可以看出，丁醇和辛烷同时存在是最不利情况。因为辛烷LEL为1%，丁醇LEL为1.4%，工程实践中会选取辛烷为可燃气体的探头的标定气体。

当可燃气体探头测到25%LEL量程报警时，探头测得热量为615.4 kJ/m3，而此时假设全部泄漏气体为丁醇，计算丁醇在探头附近的体积分数值以LEL的形式表示为

(4)

当可燃气体探头测到50%LEL量程报警时，探头测得热量为1 230.8 kJ/m3，而此时假设全部泄漏气体为丁醇，计算丁醇在探头附近的体积分数值以LEL的形式表示为

(5)

由上述计算结果可以看出，在所有样气中最不利的情况下，即丁醇和辛烷同时存在的场合，选用辛烷可燃气体探头却只探测到丁醇泄漏的情况，当探测到25%LEL量程报警时，丁醇在探头所处环境的实际体积分数为36.8%LEL，并未发生危险；当发生50%LEL联锁时，丁醇在探头所处环境的体积分数为73.7%LEL，未达到LEL，现场环境仍处于可控状态。

3 催化燃烧型可燃气体探头选用的注意事项

依据文献[1]中的规定，可燃气体检测报警器应取得防爆性能认证[5]和消防认证[6]。催化燃烧型可燃气体检测报警器必须满足氧气体积分数大于10%的环境才能工作。可燃气体的检测常用催化燃烧方式的检测报警器，若检测器安装场所的环境中含有对可燃气体检测报警器有影响的有害组分时，可选用普通型或抗毒性检测器。卤化物(氟、氯、溴、碘)、硫化物、硅烷及含硅化合物、四乙基铅等物质能使检测器元件中毒。含有毒性物质，会降低检测器的使用寿命；毒性物质的体积分数过高、会使检测器无法工作。一般检测可燃气体的催化燃烧型可燃气体检测报警器对氢气有引爆性，对氢气的检测应选用专用的催化燃烧型氢气检测器,为了保证现场检测数据的可靠性，设计选型时，应根据现场的环境条件提出对产品的技术性能要求。检测器的选用，应考虑使用环境温度以及被检测的气体同安装环境中可能存在的其他气体的交叉影响选取最不利情况，并结合现场环境特征，考虑检测器的防水、防腐、防潮、防尘、防爆和抗防电磁干扰等要求。

4 结束语

综上所述，在工程实践中，当多种比空气密度大的气体同时存在的情况，按照LEL小的气体进行选择标定气体是一个有效的方法，但氢气、乙炔气体应单独考虑。由于可燃气体探头的检测有时间滞后，以及量程零点漂移等由其他软硬件或电子元器件及环境因素造成影响，定期检验可燃气体探头是有必要的。定期检验校准可以保证可燃气体探头的准确性，确保探头可以及时报警，尽量减少危险情况的发生。

参考文献：

[1] 文科武，李苏秦，罗明，等．GB 50493—2009 石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2009.

[2] 郑庆呈,洪浩,郑潮晖.催化燃烧型可燃气体检测报警器的原理、安装及日常维护[J].计量与测试技术，2014，41(08)： 49-52 .

[3] 王森，继刚.仪表常用数据手册[M].2版.北京： 化学工业出版社，2006： 193-194.

[4] 周伟，熊廷，刘汉云，等.GB 50058—2014爆炸危险环境电力装置设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2014.

[5] 候彦东，陈在学，靳芝，等.GB 3836.2—2010爆炸性环境 第2部分： 由隔爆外壳“d”保护的设备[S].北京： 中国标准出版社，2011.

[6] 质检总局，公安部，国家认监委.实施强制性产品认证的部分消防产品目录[EB/OL].(2014-10-10)[2018-01-01].http://www.cnca.gov.cn/bsdt/ywzl/qzxcprz/gwgg/201410/t20141010_48937.html.