催化燃燒型可燃氣體檢測報警器的布置探討

方旭鋒

(嘉科工程(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215021)

根據GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》[1]的要求，為預防人身傷害以及火災與爆炸事故的發生，保障石油化工企業的安全，石油化工企業新建、擴建及改建工程中存在釋放源的位置應進行可燃氣體和有毒氣體檢測報警的設計。以下僅對催化燃燒型可燃氣體檢測報警器進行論述。

1 催化燃燒型可燃氣體檢測報警器原理

催化燃燒型可燃氣體檢測報警器的工作原理[2]如圖l所示，它是利用加熱后電阻的變化來推算出可燃氣體的體積分數。

圖1 催化燃燒型可燃氣體報警器的原理示意

報警器的傳感器是由1對催化燃燒型檢測元件(A和B)和另1對電阻(R1和R2)組成，4個元件構成了惠斯通電橋。當可燃氣體接觸到檢測元件時，受催化劑的影響，會有無焰燃燒現象產生，導致鉑絲表面發生了氧化反應，產生的熱量使鉑絲的溫度升高，從而使其電阻阻值發生變化。圖1 中，C處惠斯通電橋兩臂分別連接參比補償元件和涂有催化劑的熱敏檢測元件，另外2個橋臂接2只電阻值固定。鉑絲變化的阻值造成了電橋的失衡，產生了1個毫伏級的電信號，通過該信號便能計算出環境中的可燃氣體體積分數。在各種氣體檢測報警器中常使用的報警器的類型就是催化燃燒型可燃氣體檢測報警器。

2 可燃氣體探頭標定氣體的選擇

可燃氣體探頭輸出的氣體體積分數值實質是對催化燃燒在橋臂上生成熱的反映。假設該反映是線性的，即熱量的多少反映為橋臂溫度的高低，即對應輸出的電阻值的線性變化。當釋放源有且僅有1種氣體時，可燃氣體探頭出廠標定即可按該種氣體進行標定。當現場存有多種氣體時，需要提出氣體的成分；實際應用中，尤其是精細化工場合，工藝專業人員往往會提出幾種甚至十幾種的可燃氣體成分，使得儀表專業人員選擇標定氣體提供給廠商時產生了難題。經驗做法是按照爆炸下限(LEL)最低的可燃氣體作為廠商的出廠標定氣體，此處對該做法進行論證。

2.1 可燃氣體實際濃度與探頭指示值的轉化

單位體積的摩爾濃度和摩爾焓(Hm)的乘積所得熱值，決定了電阻值的變化，可換算得到可燃氣體的體積分數值。文獻[1]中規定可燃氣體的測量范圍為0～100%LEL，可燃氣體的一級報警設定值不大于25%LEL，可燃氣體的二級報警設定值不大于50%LEL。文獻[1]中附錄A 常用可燃氣體、蒸汽特性表列出了常用可燃氣體、蒸汽的LEL值，通過LEL值換算可計算每種氣體在傳感器上獲得的熱量。

單位體積甲烷氣體達到LEL時產生的Hm為

(1)

因此，標定用于測量甲烷氣體的可燃氣探頭，測得甲烷氣體100%LEL時的鉑絲電阻值對應的鉑絲溫度所需的熱量值為1 989.04 kJ/m3。假設電阻值隨熱量的變化為線性，標定25%LEL和50%LEL指示值即對應于探頭檢測到0.25×1 989.04=497.3 kJ/m3和0.5×1 989.04=994.5 kJ/m3熱量所對應的鉑絲電阻值。

以下對環境中存在多種氣體的情況進行討論。文獻[1]中2.0.1定義可燃氣體是指甲類可燃氣體或甲、乙A類可燃液體氣化后形成的可燃氣體。從文獻[1]中選取29種典型氣體分別進行熱值計算，計算結果見表1所列。為了便于觀察，對100%LEL時生成的熱量進行由小到大排序。

2.2 選取爆炸下限濃度最低的氣體作為標定氣體的缺陷

多種可燃氣體共存時，經驗選取LEL最低的氣體作為探頭的標定氣體，從原理上而言并不準確。為了解釋該觀點，以理論上氫氣和乙炔密度均為比空氣小的氣體進行演算： 當2種氣體同時存在時，乙炔的爆炸體積分數下限為2.5%，氫氣的爆炸體積分數下限為4%，則只設置乙炔標定的可燃氣體探頭。

表1 29種典型可燃氣體熱值計算結果

25%LEL時的熱量362.6 kJ/m3，測得乙炔的體積百分比為0.625%，即25%LEL，可燃氣體探頭因測到25%LEL量程發生報警。假設實際情況是此時泄漏的全為氫氣，乙炔氣體并未發生泄漏。對應產生熱量362.6 kJ/m3時氫氣的體積分數以LEL的形式表示為

(2)

當可燃氣體探頭發生二級報警時，即檢測到50%LEL，電阻值對應檢測到的熱量為725.2 kJ/m3，而此時氫氣的體積分數以LEL的形式表示為

(3)

此時的環境已經處于氫氣的爆炸范圍，隨時可能發生爆炸危險，但可燃氣體報警此時才發出二級報警。因此，該經驗并不適用于氫氣和乙炔氣體都可能泄漏的場合。筆者會對比空氣密度小的幾種氣體都單獨考慮。實際上根據文獻[1]6.1.1條條文說明，乙炔屬于比空氣密度大的氣體，而GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》[4]中 2.0.25,2.0.26條款定義乙炔密度不大于空氣，亦不小于空氣，應酌情考慮。由于規范更新滯后的問題，文獻[1]中6.1.1 條條文解釋標準狀態下相對氣體密度大于0.97 kg/m3，認為比空氣重，標準狀態下相對氣體密度小于0.97 kg/m3，比空氣輕。相對空氣密度為0.97/1.29=0.752，與文獻[4]規定相對密度小于0.8比空氣輕，相對密度大于1.2比空氣重有矛盾。

2.3 選取爆炸下限濃度最低的氣體作為標定氣體的注意事項

工程實踐中,在多種密度大于空氣的可燃氣體同時存在的場合，可以采用選取LEL最低的氣體的經驗方法選取可燃氣體探頭的標定氣體。觀察表1數據發現，烴類氣體的相對分子質量越大，Hm越大；分子中碳氫原子含量越多，Hm越大。而可燃氣體報警器測得的氣體濃度由傳感器所吸收的熱值決定，即單位體積內某種可燃氣體在某濃度值下所含的摩爾數與該物質Hm的乘積決定。因此，多種氣體存在時可燃氣體探頭標定氣體的選擇實質是按25%LEL時所需的熱值最小值選取，該值在文獻[1]中并沒有給出，而實際工程經驗是多種可燃氣體同時存在時選擇LEL最小的氣體作為標定氣體，兩者的選取有差異存在。對29種典型氣體在被可燃氣體探頭測得25%LEL時所需的熱值進行排序，詳見表1所列。對比空氣密度大的氣體選取最不利情況進行計算： 由表1可以看出，丁醇和辛烷同時存在是最不利情況。因為辛烷LEL為1%，丁醇LEL為1.4%，工程實踐中會選取辛烷為可燃氣體的探頭的標定氣體。

當可燃氣體探頭測到25%LEL量程報警時，探頭測得熱量為615.4 kJ/m3，而此時假設全部泄漏氣體為丁醇，計算丁醇在探頭附近的體積分數值以LEL的形式表示為

(4)

當可燃氣體探頭測到50%LEL量程報警時，探頭測得熱量為1 230.8 kJ/m3，而此時假設全部泄漏氣體為丁醇，計算丁醇在探頭附近的體積分數值以LEL的形式表示為

(5)

由上述計算結果可以看出，在所有樣氣中最不利的情況下，即丁醇和辛烷同時存在的場合，選用辛烷可燃氣體探頭卻只探測到丁醇泄漏的情況，當探測到25%LEL量程報警時，丁醇在探頭所處環境的實際體積分數為36.8%LEL，并未發生危險；當發生50%LEL聯鎖時，丁醇在探頭所處環境的體積分數為73.7%LEL，未達到LEL，現場環境仍處于可控狀態。

3 催化燃燒型可燃氣體探頭選用的注意事項

依據文獻[1]中的規定，可燃氣體檢測報警器應取得防爆性能認證[5]和消防認證[6]。催化燃燒型可燃氣體檢測報警器必須滿足氧氣體積分數大于10%的環境才能工作。可燃氣體的檢測常用催化燃燒方式的檢測報警器，若檢測器安裝場所的環境中含有對可燃氣體檢測報警器有影響的有害組分時，可選用普通型或抗毒性檢測器。鹵化物(氟、氯、溴、碘)、硫化物、硅烷及含硅化合物、四乙基鉛等物質能使檢測器元件中毒。含有毒性物質，會降低檢測器的使用壽命；毒性物質的體積分數過高、會使檢測器無法工作。一般檢測可燃氣體的催化燃燒型可燃氣體檢測報警器對氫氣有引爆性，對氫氣的檢測應選用專用的催化燃燒型氫氣檢測器,為了保證現場檢測數據的可靠性，設計選型時，應根據現場的環境條件提出對產品的技術性能要求。檢測器的選用，應考慮使用環境溫度以及被檢測的氣體同安裝環境中可能存在的其他氣體的交叉影響選取最不利情況，并結合現場環境特征，考慮檢測器的防水、防腐、防潮、防塵、防爆和抗防電磁干擾等要求。

4 結束語

綜上所述，在工程實踐中，當多種比空氣密度大的氣體同時存在的情況，按照LEL小的氣體進行選擇標定氣體是一個有效的方法，但氫氣、乙炔氣體應單獨考慮。由于可燃氣體探頭的檢測有時間滯后，以及量程零點漂移等由其他軟硬件或電子元器件及環境因素造成影響，定期檢驗可燃氣體探頭是有必要的。定期檢驗校準可以保證可燃氣體探頭的準確性，確保探頭可以及時報警，盡量減少危險情況的發生。

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