乙烯鋼瓶庫可燃氣體檢測報警系統(tǒng)的設計

曹 珩 凡友琴 陳連和 施軍鴻

（湖北省化學工業(yè)研究設計院）

乙烯是一種重要的化工生產原料，可用于生產合成纖維、合成橡膠、合成塑料和合成乙醇，在石化行業(yè)和精細化工行業(yè)中得到了廣泛應用［1］。乙烯與空氣混合能形成爆炸性混合物， 遇明火、高熱或接觸氧化劑， 有引起燃燒爆炸的危險，在火場溫度下易發(fā)生危險的聚合反應，而且具有較強的麻醉作用。 對照《國家安全監(jiān)管總局關于公布首批重點監(jiān)管的危險化學品名錄的通知》（安監(jiān)總管三［2011］95 號），乙烯屬于重點監(jiān)管的危險化學品。 近期筆者參與了某化工廠乙烯鋼瓶庫的施工設計，特此將該項目可燃氣體檢測報警系統(tǒng)設計過程中的心得體會分享給業(yè)內同仁，以期對石化行業(yè)中其他類似工程設計提供一定的幫助和參考，保證生產過程的安全可靠。

1 項目概述

乙烯鋼瓶庫為某化工廠高純度氣體充裝項目的配套設施，用于存放乙烯產品。 該乙烯鋼瓶庫屬于地上一層鋼筋混凝土封閉式排架輕鋼屋蓋結構，建筑使用面積358.04m2，建筑高度4.5m，乙烯最大存放量3t。 其火災危險性屬于甲類，建筑耐火等級為二級，設置3 個防火分區(qū)（面積相同）且分區(qū)之間采用防火墻分開，每個防火分區(qū)設置兩個出口。 該乙烯鋼瓶庫存在泄漏乙烯的風險， 根據(jù)GB 50016—2014 《建筑設計防火規(guī)范（2018 年版）》的要求，需要設置可燃氣體檢測報警系統(tǒng)［2］。

2 可燃氣體檢測報警系統(tǒng)設計

可燃氣體檢測報警系統(tǒng)由3 部分組成［3］：

a. 氣體檢測器，用于檢測周邊環(huán)境的可燃氣體濃度，是氣體檢測報警系統(tǒng)的輸入端；

b. 氣體報警控制器，用于接收氣體檢測器的傳輸信號，并通過邏輯控制器將接收的信號按照內置程序進行比較運算，并輸出控制信號進行處理，是氣體檢測報警系統(tǒng)的中央處理單元；

c. 傳輸線路，將氣體檢測器的遠傳信號傳遞給氣體報警控制器，是檢測設備與中央處理單元之間的聯(lián)系通道。

由于氣體報警控制器由氣體檢測器供貨商成套供應， 各生產廠家之間沒有較大的技術差別， 因此只需要采購符合消防3C 認證的產品即可，以保證其使用性能和設備壽命。 傳輸線路只要嚴格遵循設計圖紙和施工規(guī)范，保障傳輸信號的可靠性即可。 可見，可燃氣體檢測報警系統(tǒng)的設計重點在于氣體檢測器選型和安裝高度、安裝位置的確定。

2.1 氣體檢測器選型與原理

氣體傳感器是氣體檢測器的核心元件， 該元件能夠將氣體濃度信號轉換為遠傳電信號， 所以其性能好壞直接關系到氣體檢測器測量結果的準確性和可靠性［4］。 乙烯屬于烯烴，且鋼瓶庫并非缺氧場合，根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》第5.2.2 條建議，乙烯氣體檢測器采用催化燃燒式氣體傳感器［5］。

催化燃燒式氣體傳感器（圖1）利用可燃氣體的催化燃燒反應（該反應為無焰燃燒，不會引爆可燃氣體）使之內部升溫、電阻變大，通過測量線圈電阻值的變化來檢測可燃氣體的濃度［6］。 它對可燃氣體的響應具有廣譜性，而且對于溫濕度的影響不敏感， 在測量范圍內具有很好的線性特性，是一種低成本、高可靠性的氣體傳感器。 其內部由檢測元件、補償元件和兩個高精度恒定電阻組成惠斯通電橋［7］。其中，檢測元件是陶瓷珠包裹的鉑絲線圈，陶瓷珠外層覆涂一層具有大比表面的貴金屬氧化物催化劑（可促使可燃氣體發(fā)生催化燃燒反應）； 補償元件是陶瓷珠包裹的鉑絲線圈，外層無催化劑，不會與任何氣體發(fā)生反應，用于補償環(huán)境溫濕度的變化。 正常工作時，鉑絲線圈通電加熱至450～500℃， 當接觸到可燃氣體后檢測元件催化劑層表面發(fā)生催化燃燒反應，從而加熱陶瓷珠導致鉑絲線圈電阻值變大，通過電橋電流的變化就可以精確測量檢測元件的阻值變化，從而計算出被檢測氣體的濃度。

圖1 催化燃燒式氣體傳感器工作原理

2.2 氣體檢測器安裝高度

由于物理學上乙烯屬于比空氣略輕的氣體，所以導致工程設計中一些經驗不足的工程師將乙烯視為比重小于空氣的可燃氣體，故而發(fā)生將乙烯氣體檢測器安裝在乙烯釋放源上方或者略低于屋頂?shù)腻e誤案例。 實際上， 根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》第2.0.26 條定義［8］，“輕于空氣的氣體”為相對密度小于0.80 的氣體， 同時根據(jù)GB 50493—2009第6.1.1 條的條文解釋［5］，氣體相對密度大于0.97（標準狀態(tài)下）即認為比空氣重。 由于乙烯氣體密度為1.260kg/m3，相對密度為0.98（空氣為1.00），因此從可燃氣體的定義范疇來說，乙烯是比空氣略重的可燃氣體。 根據(jù)相應規(guī)范要求，乙烯氣體檢測器安裝高度需要距地坪 （或樓地板）0.3～0.6m，故該項目中的乙烯氣體檢測器安裝高度取高出鋼瓶庫室內地坪0.5m。

2.3 氣體檢測器安裝位置

乙烯鋼瓶庫為封閉式排架輕鋼屋蓋結構，屬于通風不良的封閉建筑物，根據(jù)GB 50493—2009第4.2.2 條［5］，該區(qū)域的可燃氣體檢測器有效覆蓋水平平面半徑可取7.5m。由于乙烯氣體檢測器需要安裝在高于地坪0.5m 的位置， 因此可利用鋼板和螺栓將它固定在墻體上，既堅固美觀又不會對乙烯鋼瓶的輸送和儲運造成干擾。 鋼瓶庫3 個防火分區(qū)尺寸均為12m×10m（按建筑物外圍平面尺寸36m×10m 計算），故在長度為12m 的墻體一側中點位置安裝氣體檢測器，共計6 個，以滿足規(guī)范要求，確保有效覆蓋所有乙烯釋放源，達到安全要求。

3 其他注意事項

由于氣體檢測器工作電流較大，并且自帶聲光警報器，故建議采用三線制4～20mA 輸出信號，檢測器傳輸線路采用3×1.5mm2計算機專用屏蔽電纜穿鍍鋅鋼管敷設， 最終接入氣體報警控制器。 氣體報警控制器具有報警和控制功能，采用壁掛方式安裝在操作人員常駐的控制室，并且設置UPS 作為應急電源。氣體報警控制器設置二段報警：當乙烯泄漏濃度達到25%LEL（LEL 為最小爆炸下限）時，氣體報警控制器發(fā)出聲光報警，提示操作人員及時前往鋼瓶庫巡檢；當乙烯泄漏濃度達到50%LEL 時，氣體報警控制器發(fā)出聲光報警，提示操作人員采取緊急措施，同時氣體報警控制器輸出開關量啟動鋼瓶庫事故風機，稀釋空氣中的乙烯含量以確?，F(xiàn)場安全。

4 結束語

合理設計可燃氣體檢測報警系統(tǒng)是確保化工廠生產和儲運安全的重要措施。 筆者介紹的乙烯鋼瓶庫相關設計滿足國家設計規(guī)范和法律法規(guī)的相關要求，目前該項目已經通過了應急管理（安監(jiān)、消防）、職業(yè)衛(wèi)生等相關部門的檢查驗收。根據(jù)企業(yè)反饋，該系統(tǒng)在乙烯鋼瓶儲運實踐過程中發(fā)揮了良好的作用。