可燃氣體檢測報警儀在冷軋處理線上的應用

王 珂

（寶鋼工程技術集團有限公司 工程技術事業本部，上海 201999）

0 引言

寶山鋼鐵股份有限公司冷軋處理線的爐子大多使用煤氣（主要成分一氧化碳）作為燃氣，也有部分處理線的爐子使用天然氣（主要成分甲烷）作為燃氣，爐子安裝在廠房內，存在燃氣泄漏的可能性。一氧化碳和甲烷是有毒、有害、易燃、易爆氣體，一氧化碳在空氣中濃度超標會使人中毒，甲烷在空氣中濃度超標會使人窒息，嚴重危害人體健康和生命；泄漏燃氣積累到爆炸極限，遇火源可能發生火災及爆炸事故。根據《石油化工企業可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》及《寶鋼分公司在線一氧化碳氣體檢測報警系統設計規定》，對于生產、使用或在生產過程中產生一氧化碳氣體和甲烷氣體的，以及可能有一氧化碳氣體和甲烷氣體泄漏進行檢測時，需設置在線一氧化碳和甲烷氣體檢測報警系統。

圖1 接觸燃燒式基本回路圖Fig.1 Basic circuit diagram of contact combustion

而目前尚未設置一氧化碳和甲烷氣體濃度檢測報警裝置的爐子區域存在安全隱患，不滿足《工業企業煤氣安全規程》GB6222-2005的規定。對冷軋廠未設置一氧化碳、甲烷在線檢測的機組上增設固定式一氧化碳、甲烷氣體檢測報警裝置是必要的。加熱爐、熱處理爐等燃燒器旁易產生煤氣泄漏，造成周圍生產及設備人員的中毒或者發生爆炸，這不僅會對工作人員的人身安全造成極大的危害，同時也給企業帶來重大的經濟損失。

1 可燃氣體檢測報警儀的工作原理及分類

根據工作原理，可燃氣體檢測報警儀主要分為四類。第一種是接觸燃燒型檢測器。這種檢測器是根據一氧化碳、甲烷等可燃氣體與外部環境中的氧氣產生氧化反應，引起敏感元件（如鉑絲）的電阻值因為溫度升高而增大。由于僅僅使用鉑絲的線圈作為檢測元件，會使傳感器的壽命較短，所以一般會在鉑絲圈外面覆蓋一層氧化物作為觸媒。這樣的做法不僅能夠延長傳感器的使用壽命，還能夠提高檢測元件的響應特性。外部環境中的可燃性氣體濃度正常情況下都小于10%，可燃性氣體能夠完全燃燒，因此氧化反應產生的發熱量跟可燃性氣體的濃度相關。外部環境中可燃性氣體的濃度發生變化，會使氧化反應所產生的熱量發生變化，導致敏感元件的電阻值隨溫度變化而相應變化。因此，只要能夠測量出敏感元件電阻的變化值，就能夠得出環境中可燃性氣體的濃度。接觸燃燒型檢測器最關鍵的部件就是惠斯通電橋結構，這種電橋由測量橋、參比橋組成。采取在測量橋涂上燃燒催化劑的方法可以使進入傳感器內的一氧化碳、甲烷等可燃氣體進行充分燃燒。當電壓施加在參比橋和測量橋上時，就能夠使測量橋附近的可燃氣體加速燃燒，引起測量橋溫度升高、電阻下降，與此同時參比橋的溫度在整個燃燒過程中一直保持不變，這樣就可以通過特定的程序計算出可燃氣體的濃度值。接觸燃燒式傳感器基本回路圖如圖1所示。

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure diagram

第二種是紅外吸收型檢測器。紅外吸收型檢測主要是通過紅外光源對外部環境中碳氫類的可燃物吸收來進行紅外傳感。這種傳感器的檢測范圍很廣、精度非常高而且壽命長，缺點是價格非常昂貴[1]；第三種是電化學型檢測器。電化學型檢測的方法主要分為電位電解法和隔膜電極法。這種傳感器的工藝比較成熟，外部環境影響的因素較小，缺點是傳感器值只能夠使用只有1～2年，壽命比較短；第四種是半導體型檢測器。半導體型主要是利用被測氣體的吸附作用來改變半導體的電導率。這種傳感器的特點主要是選擇性好、反應靈敏，但是受到環境的影響比較大，傳感器的使用壽命為 3～4 年。目前常常采用陶瓷彈性膜片作為敏感元件進行檢測。由陶瓷基體和陶瓷彈性膜片作為電容的固定電極和測量電極。一旦彈性膜片受到測量介質傳來的外部壓力就會產生變形，導致兩極的間隙發生變化，引起電容量發生變化。電容量通過變換電路，輸出標準的電壓或者電流信號。這種陶瓷彈性膜片在發生受力小撓度的變形時，電容與壓力的關系近似成線性函數。

催化燃燒型氣體檢測器與紅外光學型氣體檢測器一般用于可燃氣體檢測器，而電化學型和半導體型檢測器一般用作有毒氣體檢測器[2]。

2 可燃氣體檢測報警儀的設備構成

可燃氣體的檢測報警系統最基本的組成應該包括可燃氣體檢測探頭、報警指示單元（現場報警器、控制室報警器）、控制器、HMI，其系統結構圖如圖2所示。

可燃氣體檢測探頭的作用是檢測外部環境中的可燃性氣體濃度，一旦檢測到環境中可燃氣體的濃度等于或高于設置的報警點時，報警指示單元就會啟動報警裝置，發出報警信號。檢測探頭一般選用具有二級報警點輸出的可顯示變送器，當報警指示單元發出報警信號后，即使外部環境的氣體濃度下降至設置的報警點以下，也必須繼續報警直至操作人員確認后，才能夠停止報警。報警控制器安裝的位置一般是現場和控制室內，與檢測探頭一一相對獨立設置，信號輸入模塊也與檢測探頭一一對應設置，用來控制各個監測點。現場報警器要設置在處于這個區域的工作人員從各個角度能夠覺察到聲光報警，保證氣體濃度管理區域、監視區域的人在發生有毒氣體泄漏時退避到安全領域。

表1 常用氣體對應的傳感器Table 1 Sensors corresponding to common gases

3 可燃氣體檢測報警儀在工程設計中需要考慮的問題

3.1 設計原則

在工程設計中，盡量采用在國內其它類似處理線中使用的成熟技術和裝備，確保項目實施后設備能夠運行高效可靠，并在滿足使用功能要求的前提下，盡可能地減少工程量，節約投資。根據在線可燃氣體檢測報警系統設計規定，在釋放源較為集中的煤氣設施、設備區內，在一氧化碳氣體的釋放源附近應設置檢測探頭，檢測探頭與釋放源的距離小于2m，吸入式檢測探頭與釋放源距離小于5m，探頭安裝高度靠近釋放源0.3m～0.6m；釋放源處于封閉或局部通風不良的半敞開廠房內，檢測探頭的間隔一般設置為15m，不宜大于20m；釋放源處于室外或敞開區域時，檢測探頭的間隔一般設置為30m；對于多層煤氣設施、加熱爐上下層之間的檢測探頭設置時，應當考慮相互錯位放置。

3.2 可燃氣體檢測報警儀的選型事項

可燃氣體檢測報警儀主要是合理選用傳感器（即檢測探頭），控制器只要與之配套使用就行了。常用氣體選用情況見表1。

其中，一氧化碳檢測器的檢測原理一般采用電化學型，但是當存在特殊環境的限制時（高濃度一氧化碳氣體存在的場合時），不能選用電化學型，此時可選擇半導體型檢測探頭，同時考慮被檢測氣體同安裝環境中可能存在的其他氣體的交叉影響。

3.3 可燃氣體檢測報警儀外部影響因素及現場安裝注意事項

可燃氣體檢測報警儀為精密儀器，要避免設置在有震動或者有可能發生撞擊的地方，避免設置在有液體附著的場所。可燃氣體檢測報警儀敏感元件電阻率取決于外部環境是否發生變化，一旦環境的溫度、濕度變大或者變小就會引起測量數值發生波動。所以可燃氣體檢測探頭安裝的距離要和制冷、制暖設備盡可能大，從而減少外部環境中的冷、暖變化引起鉑絲的電阻率的變動，導致測量的數值發生波動，出現數據誤報的現象發生。此外，可燃氣體檢測報警儀還應該考慮電磁波的干擾，電源、電纜信號的脈沖以及人體靜電等多種因素的影響[3]。因此，在安裝可燃氣體檢測報警儀時，應將周圍干擾信號源和干擾機器進行隔離（主機及電纜），避免靠近周圍有高強電波、高電壓機器。工廠有室外配線的話，引入室內的配線需要注意防雷。雷電發生時將有巨大的電磁干擾，將對信號源、可燃氣體報警檢測儀本身的電纜等產生很大的破壞性干擾。 防爆區域的檢測探頭應根據使用場所爆炸區域的劃分，選擇防爆檢測探頭，防爆型式可選用隔爆型或本質安全防爆型。

4 結束語

可燃氣體檢測報警儀的型號選擇、檢測探頭的布置以及安裝要遵守相關的技術準則，避免盲目選擇檢測儀的類型和追求數量的做法。冷軋處理線可燃氣體檢測報警儀自實施以來，總體運行穩定、可靠，設備性能能夠得到保證。在加熱爐、熱處理爐等生產設備的安全生產中，對可燃氣體泄漏的監測起到了非常重要的意義，保障了現場生產設備和生產人員的人身、財產安全和企業的經濟效益。