浅谈可燃气体和有毒气体监测的工程应用

王云

(山东济炼石化工程有限公司，山东 济南 250101)

石油化工企业生产中，介质输送、反应、储存等过程常涉及可燃介质和有毒介质。为保障石油化工企业的生产安全和员工人身安全，合规、合理及有效地实时监测生产过程及储运设施中泄漏的可燃气体和有毒气体并及时报警，预防人身伤害以及火灾与爆炸事故的发生至关重要。

本文基于GB/T 50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》[1]，从实际工程角度出发浅谈可燃气体和有毒气体探测的工程应用。

1 关于有毒气体

GB/T 50493—2019中有毒气体的定义为通过呼吸或皮肤接触可导致永久性健康伤害或死亡的气体或蒸气，其条文说明中指出： 有毒气体关注范围是根据原国家卫生部发布的《高毒物品目录》(卫法监发[2003]142号)[2]中规定的气体、GB 30000.18—2013《化学品分类和标签规范 第18部分： 急性毒性》[3]中急性毒性危害类别为1类及2类的气体、GBZ 2.1—2019《工作场所有害因素职业接触限制 第1部分： 化学有害因素》[4]中规定的气体。

石油化工企业中很多物质都有毒，但不同标准规范和文件因划分准则不同，会出现不同的分类。工程应用中应严格遵守相关法律、法规、标准规范的要求，并结合项目情况合理运用。基于文献[1]、安监局相关文件和其他标准要求，建议确定有毒气体的范围原则如下：

1)文献[1]附录B列出的气体或蒸气。

2)文献[2]中规定的气体或蒸气。

3)文献[4]中表1列出的介质，且符合文献[3]中急性毒性-吸入-类别1类及2类的气体或蒸气。

4)《危险化学品目录(2015 版)》中的介质，且符合文献[3]中急性毒性-吸入-类别1类及2类的气体或蒸气。

5)根据原国家安监总局发布的《首批重点监管的危险化学品名录》(安监总管三〔2011〕95号)和《第二批重点监管危险化学品名录》(安监总管三〔2013〕12号)文中，其对应的安全措施和事故应急处置原则中要求设置有毒气体泄漏检测报警仪的介质。

6)具体工程项目的要求。

2 仪表设备性能特点及要求

2.1 固定式探测器

工程应用中，通常有以下类型探测器：

1)催化燃烧型。常用于检测可燃气体浓度，正常工作时，所检测气体中氧体积分数需大于10%。该类型探测器只能用于探测低于爆炸下限(LEL)体积分数，探测器响应时间取决于探测气体，传感器易受硅、铅、硫化物、卤代化学物、磷化物影响，造成传感器催化剂中毒使探测器失效。比如石化企业中硫化氢、铅含量较高的汽油场合中，就不宜选用催化燃烧型，当使用抗中毒型传感器，探测器响应时间可能会延长，灵敏度可能会降低。使用寿命通常为3 a。

2)热传导型。用于检测可燃气体体积分数，工作时无需氧气参与，通常可探测体积分数为爆炸下限至100%的气体，响应时间中等。一般适用于相对空气热导率较高或较低的气体，且背景气波动不大的工况。

3)红外吸收型。常用于检测可燃气体体积分数，工作时无需氧气参与，可探测体积分数为0～100%的气体，响应时间较快。当使用场所的空气中含有能使催化燃烧型检测元件中毒的硫、磷、硅、铅、卤素化合物等介质时，可选用红外气体探测器。对于无极性的双原子气体(如： 氢气)不吸收红外能量，因此不能用于探测氢气。使用寿命通常不小于2 a。

4)半导体型。可用于检测可燃气体和有毒气体，如氢气、硫化氢、氯气、氨气、丙烯睛气体、一氧化碳气体等，工作时需微量氧气参与。易受背景气等干扰，稳定性较差，线性度一般。使用寿命通常为3～4 a。

5)电化学型。不能用于探测大多数的碳氢化合物，常用于探测有毒气体、氧气、氢气、醇类等，探测灵敏度高，响应时间中等。由于该类探测器的电解质可能受低温冻结，应注意使用环境温度和产品适用条件。使用寿命通常为1～3 a。

6)光致电离型。常用于探测苯、氯乙烯、二硫化碳气体，探测灵敏度高，响应时间较快。使用寿命通常为1～3 a。

7)激光型。开路式激光型可用于探测开阔区域和装置边界区域的碳氢化合物，响应时间较快，灵敏度高，也适用于雨、雪、雾天气条件。线型激光探测器可用于检测烃类可燃气体、甲烷、乙烯、氨、二氧化碳、硫化氢、氯化氢、氟化氢等气体。

目前市场上常用的固定点式探测器输出信号为4～20 mA或4～20 mA加一路接点信号，也有总线型。按其采样方式分为自然扩散式和吸入式。

2.2 可燃气体和有毒气体检测报警系统

可燃气体和有毒气体检测报警系统(GDS)应独立设置，应独立于基本过程控制系统(BPCS)、安全仪表系统(SIS)、火灾及消防系统等。GDS可用DCS，PLC，气体报警控制器等实现，GDS的可燃气体和有毒气体检测报警信号应输送至有人值守且便于做出响应的地方，如现场控制室、中心控制室。可燃气体二级报警信号、GDS报警控制单元的故障信号应送至消防控制室。

根据国家市场监督管理总局、国家认证认可监督管理委员会2018年第11号公告，可燃气体报警产品不再实施强制性产品认证管理(CCCF)；GDS不用于执行安全仪表功能时，GDS也无SIL认证强制要求。

2.3 警报器

警报器可分为现场警报器(也称区域警报器)和室内警报器，警报器应具有声、光报警功能。

现场警报器用于提示现场工作人员，设备前方1 m处声压级110～120 dB(A)。室内警报器用于提示控制室内操作人员，设备前方1 m处声压不小于75 dBA。现场警报器和室内警报器的光报警功能闪烁频率宜为60～120次/min，声光形式宜根据工程项目统一规定。现场警报器和室内警报器触发条件均为现场气体探测器第二级报警值信号。

3 典型工程应用

3.1 在装置区的应用

以某装置部分区域可燃及有毒气体探测器布置为例，如图1所示。该案例中原料油为乙A类，工况涉及硫化氢，硫化氢属于文献[1]附录B常见有毒气体，也属于安监总管三〔2011〕95号文的《首批重点监管的危险化学品安全措施和应急处置原则》中要求设置有毒气体泄漏检测报警仪的介质，也属于GB 30000.18—2013分类中的急性毒性-吸入-类别2列出的介质。

图1 某装置部分区域可燃及有毒气体探测器布置示意

释放源为泵、采样器、排污口及阀组密集处。其中，硫化氢释放源为泵P-107A/B，GT-101为电化学式有毒气体(硫化氢)探测器；GT-201～203为催化燃烧式(抗硫化氢)可燃气体探测器，探测目标气体为原料油蒸气。加热炉热源为天然气，主要成分是甲烷，为甲类气体，释放源为天然气阀组密集处，考虑到开停炉过程安全需要，探测器也兼顾考虑加热炉作为覆盖范围。其中，GT-301为催化燃烧式(抗硫化氢)可燃气体探测器，探测目标气体为甲烷。

上述探测器安装原则： 可燃气体探测器以其半径10 m内作为释放源可覆盖范围，有毒气体探测器以其半径4 m内作为释放源可覆盖范围。探测器安装高度根据探测目标气体相对分子质量与空气相对分子质量比值作为依据。其主要技术参数为探测器防护等级IP65，防爆等级Ex dⅡCT4，信号类型为三线制4～20 mA，配有现场一体化声光报警器。

GL-101为区域警报器，主要用于提示区域内现场人员，安装高度为2.5 m，处于区域内现场人员易视听的位置。当设置区域可燃气体探测器和有毒气体探测器时，建议分别设置，且声光应有区别。当对应区域内任一台可燃气体探测器触发二级报警时，区域可燃警报器发出声光警报，若装置区面积较小，任一台可燃气体探测器触发二级报警时，也可所有区域可燃警报器发出声光警报。

3.2 在新风入口处的应用

在可燃气体和有毒气体有可能通过新风入口进入控制室及机柜间的场合，应在新风入口处设置目标气体的探测器。

当探测器的可燃气体体积分数不小于25%LEL或有毒气体体积分数不小于100%OEL时，应联锁关停新风机及密闭阀，可采用以下两种方案实现：

1)探测器4～20 mA信号引入文献[5]建议的SIS，经SIS逻辑运算后发出信号至新风机控制系统，由新风机控制系统联锁关停新风机及密闭阀。

2)探测器4～20 mA信号引入GDS，经GDS逻辑运算后发出信号至新风机控制系统，由新风机控制系统联锁关停新风机及密闭阀。

3.3 分析小屋的应用

分析小屋内的可燃气体、有毒气体、氧浓度探测器设计除了符合文献[1]要求外，还应符合相关规范的要求，如GB/T 29814—2013(IEC/TR 61831： 1999，IDT)《在线分析器系统的设计和安装指南》[6]、GB 29812—2013(IEC 61285： 2004，IDT)《工业过程控制 分析小屋的安全》[7]、SH/T 3174—2013《石油化工在线分析仪系统设计规范》[8]。

当分析小屋内的分析样气中含有可燃、有毒介质时，或分析小屋安装位置有可能使小屋内聚积可燃、有毒气体时(如分析小屋设在爆炸危险区域2区)，应在分析小屋内设置对应目标气体的探测器，分析小屋通常属于受限空间，应设置氧浓度探测器。当小屋内可燃气体体积分数不小于20%LEL或有毒气体体积分数不小于100%OEL时应能触发报警，如探测器的声光报警及小屋外入口处的报警灯屏，切断分析样气采样，并能自动启动小屋排风机。当小屋内可燃气体体积分数不小于50%LEL时，除了报警还应及时联锁自动切断小屋内非防爆电气设备的电源。相关报警设定及联锁功能宜根据工程具体情况，结合供货商产品及建议做相应设置。

当探测器检测信号用于参与分析小屋内一系列报警和联锁功能时，如门外报警、通风、不同联锁值关断相应电气设备、时间判断程序等复杂功能，探测器4～20 mA信号可引至小屋内集成的PLC，由PLC通过通信方式或“点对点”输出4～20 mA至GDS。若探测器在小屋的PLC内无复杂联锁功能，探测器4～20 mA信号宜直接接入GDS，探测器的接点信号至小屋的PLC，但应满足使用要求为原则。

3.4 其他工况及解决方案

对于实际工况中其他情况，观点如下：

1)对于密闭设备和封闭管道内的乙B和丙A类液体介质，当操作温度大于其闪点时，其危险性将分别提升到甲B和乙A类。

业内部分观点认为： 不需要设置可燃气体探测器。理由是若出现泄漏，当介质温度大于燃点时，加之环境氧气充足，将可能持续燃烧，宜考虑设置火焰探测设备；当介质温度小于燃点或氧气不足以燃烧，介质将持续泄漏，但由于周围环境温度使之降温，其挥发速度和蒸气范围将减小，危险性减小。

另一类观点认为： 需要设置可燃气体探测器。一方面，工况下高温液体泄漏挥发性大，在低浓度下介质不会快速收敛，除非接近饱和态，环境温度使之降温并不能得出扩散性和危险性降低的结论，它不是简单线性对应关系。落实到工程中，建议设置可燃气体探测器。另一方面，需判断可燃液体泄漏后液体温度是否还高于闪点，若液体温度比闪点仅高几摄氏度，泄漏后因环境温度较低，液体温度很快就低于闪点，就不需设置探测器，否则就应按甲B或乙A类考虑，设置可燃气体探测器。

笔者的观点： 目前工程中难以判断扩散范围及挥发状态，一方面除了操作温度，还与介质压力、释放源周围空间环境、气象条件、释放口尺寸等有关；另一方面，工况下可燃气体探测器的最重要目的是检测可燃气体浓度，提前预警从而避免发生火灾及爆炸事故。GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》[9]中规定：“操作温度高于可燃液体闪点的，当可燃液体有可能泄漏时，可燃液体的蒸气或薄雾与空气混合形成爆炸性气体混合物应按爆炸性气体环境设计”，即该区域被划为爆炸性气体区域。因此，笔者认为应设置可燃气体探测器，但需注意爆炸性气体区域范围可能会大于文献[1]关注的范围。

2)文献[1]2019版相较2009版虽然删除了风向因素，但探测器易受风向风速影响，然而一年中风向风速是不同的，且受装置内设备和管线等影响，实际上难以考虑风向风速影响。若再考虑释放源泄漏位置、泄漏压力、泄漏口大小、探测器响应时间等，情况会更复杂。需要时，可以考虑风向的影响，比如GB/T 39173—2020《智能工厂 安全监测有效性评估方法》[10]提到的方法中有些涉及到了风向因素。目前可通过三维模型和专业软件进行模拟，可进一步优化探测器的设置，实际上就是提高探测器的有效覆盖率。

3)在空间较高的封闭厂房内，若探测器安装在厂房内的最高点，在工程实施阶段应考虑设置探测器维护平台和爬梯，便于后期维护且避免涉及特殊作业中的高处作业。

4)不建议采用总线型探测器，主要原因为从整体安全性和可用性考虑，一条总线上挂接探测器若干台，数据传输延迟时间可能较长。当需要维护总线上某台探测器，或总线上需要增加探测器，会影响总线上其他探测器的正常使用。

5)甲醇的爆炸下限为6%，若按可燃气体探测器设置要求，一级报警值为25%LEL，二级报警值为50%LEL。甲醇的IDLH为2.5%，可见25%LEL(即60%IDLH)时危险性已经很大，50%LEL更是达到120%IDLH。

IDLH的定义为在工作地点，环境中空气污染物浓度达到某种危险水平，如可致命或永久损害健康，或使人立即丧失逃生能力。因此，建议甲醇按可燃气体探测器覆盖释放源要求设定安装位置，但应按有毒气体探测器的测量范围和报警值要求设定，即一级报警值为5%IDLH，二级报警值为10%IDLH。关键位置也可以按照有毒气体探测器要求设置，报警值按照一级报警值为100%OEL，二级报警值为200%OEL。

6)有毒物质的职业接触限值OEL值是以8 h/d的工作时间制定的，然而企业部分人员工作时间可能长期大于8 h/d。由于每个人的身体差异和不同时间段内的身体差异，可能在低于OEL值时，也可能引起劳动者健康损害，因此不能绝对认为低于OEL值就是“安全的”。实际工程中，目前通常没有考虑上述的时间因素及人体差异因素。

7)某种工况下可能同时存在两种或多种有毒物质泄漏的可能，若共同作用于同一器官或人体部位，具有相似或增强的毒性机制，那么在这种工况下多类有毒物质的OEL值可能需要合理评估后做适当折减。实际工程中，目前通常没有考虑上述的毒性因素的影响。

8)不能忽视便携式探测器的使用，由于固定式探测器所能检测覆盖的范围、效果、响应时间已定，而巡检人员是移动的，合理使用便携式探测器能有效弥补固定式探测器某些方面的缺陷。

9)探测器正常使用过程中，室内值守人员应熟悉装置平面及探测器位置，建议在人机界面上显示装置平面及探测器布点位置。当探测器发出报警后，应迅速判断报警位置并执行预定的响应程序，核查报警原因，在没有核查原因和消除隐患前，不应屏蔽及消音报警状态。

对于需要修改探测器报警值、调整安装位置的，应按企业管理规定及时修改相关资料并记录。

4 结束语

有毒气体的判定、可燃气体探测器和GDS的认证是业内探讨的热点，本文对这些问题做了阐述，且通过举例说明常见工程应用的设计原则。气体探测器相较其他常规仪表具有特殊性，通常检测的是周围环境的可燃及有毒气体，提高探测器性能是目前重中之重，若附以计算机软件进行模拟，将能提高探测器的有效覆盖率和可信度。

随着安全要求的逐步提高，设备制造及技术水平的不断发展，以及相关标准及文件的更新要求，工程人员应适时了解掌握技术动态并提高相关技能水平，合理运用于工程实践中。