王 濤，李建立，朱小鋒

(1 北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617；2 北京市勞動保護科學研究所，北京 100054)

石化、制藥、能源、建材、冶煉、市政等領域廣泛使用承壓設備及管道。這些承壓設備及管道盛裝介質及工作條件差異很大，在安裝調試、運行維護和檢維修時，作業(yè)環(huán)境必須安全，且有完備的應急預案?？扇細鈾z測與通風換氣耦合裝置適用于作業(yè)環(huán)境快速檢測及通風換氣，為使用承壓設備和管道的各種生產過程及場合提供安全保障?，F有檢測可燃氣體泄漏的方法有直接巡視法、空氣檢測法、泄漏電纜檢測法、流量判斷法、壓力點分析法、聲波檢測法等[1]，這些方法存在成本較高、誤差較大、費時費力等弊端。本文根據相關規(guī)范和標準設計一種固定式可燃氣檢測及通風換氣耦合裝置，用于某化工企業(yè)加氫裂化裝置的分餾塔裙座內部空間的可燃氣檢測報警及快速檢維修作業(yè)環(huán)境保障。

1 可燃氣檢測模塊設計

1.1 傳感器選型

目前有兩種主要的可燃氣濃度檢測技術，即催化燃燒式[2-3]和紅外光學式[2,4]。前者無論對有機氣體還是無機氣體，對烷烴類還是非烷烴類均有較好的響應，應用最普遍。后者則局限于烷烴類可燃氣體的檢測。加氫裂化裝置中可能出現的可燃氣體有干氣、氣態(tài)烴、氫氣、液化石油氣等，種類復雜，故選擇催化燃燒式傳感器。據測算，某化工企業(yè)加氫裂化裝置分餾塔裙座內混合氣體爆炸極限為3.426%。根據文獻[5]，固定式可燃氣體檢測報警裝置的一級報警高限設定值≤25% LEL，二級報警高限設定值≤50% LEL。故此處要求傳感器的一級報警高限設定值≤0.8565%(即25% LEL)，二級報警高限設定值≤1.713%(即50% LEL)。

表1列舉了三種常用催化燃燒式傳感器的特點和適用場合。本文選用MJC4 2.5J型傳感器。該傳感器探頭可現場更換，具有性能穩(wěn)定，檢測可燃氣體種類多，維護成本低，受溫度、風、粉塵及環(huán)境濕度影響小等特點。圖1是MJC4 2.5J型傳感器的內部結構及實物。

表1 三種常用催化燃燒式傳感器的特點和適用場合

圖1 MJC4 2.5J傳感器內部結構(左)及實物(右)

1.2 傳感器隔爆外殼設計

催化燃燒式傳感器工作時表面溫度達200～300 ℃，需將傳感器的護套做成隔爆型。根據文獻[6]并參照市面使用較多的隔爆結構設計的隔爆外殼如圖2所示。

圖2 可燃氣體檢測模塊組成

在圖2中，檢測模塊左側為預留采樣孔，利用絲堵和O型圈密封，右側用梯形四氟墊(圖3a)，對有機氣體幾乎無吸附性。梯形四氟墊與不銹鋼轉接口配合，將可燃性氣體阻擋在殼體外部，實現電路板與外界可燃氣體隔絕以防爆的目的。根據MJC4 2.5J傳感器的形狀，設計了一個四氟底座(圖3b)，當轉接口和連接口配合后，亦可起到一定的密封和絕緣作用，同時還可限制傳感器元件的周向運動。傳感器前端設有金屬粉末冶金濾網(圖3c)，厚度3.2 mm，空氣可通過滲透作用進入傳感器室。殼體內部為安裝電路板設置了三個M4的螺紋孔，側面設置了M3的螺紋孔來滿足接地要求。

圖3 梯形四氟墊、傳感器固定件和金屬粉末冶金濾網

2 單片機控制模塊設計

用單片機(圖4)采集傳感器信號，并對聲光報警和通風機的工作狀態(tài)進行切換和控制。采用德州儀器公司生產的工業(yè)級16位芯片MSP430作為主芯片，3.4 V供電，功耗低。單片機有信號采集、復位、時鐘、聲光報警控制和通風機控制等五個外圍電路。存儲系統(tǒng)采用EEPROM芯片24CL64，存儲傳感器標定的值、報警限和異常濃度值及發(fā)生的時間等信息。

圖4 單片機系統(tǒng)設計

2.1 傳感器信號采集

圖5 利用單片機檢測可燃氣體濃度

將傳感器輸出信號放大后進行AD采集，圖5是具體的采集電路。采用TPS73625芯片將3.4 V直流電源轉換為2.5 V穩(wěn)壓直流電，再通過MAX660芯片將2.5 V直流電反相。得到±2.5 V雙電源為LM324芯片供電。在圖5中，對傳感器和對照橋臂輸出信號分別用一級放大器進行了電壓跟隨，增大了下一級放大電路的輸入阻抗，使電路更加穩(wěn)定。對電路進行分析，整體放大倍數見式1。

A=2R/RA+2

(1)

輸出電壓與輸入電壓之間的關系見式(2)。

Vout=A·(V+-V-)

(2)

在新鮮空氣中可通過調節(jié)變阻器W1進行系統(tǒng)調零。當傳感器檢測到可燃氣時，輸出V+增大，最終輸出Vout隨之成倍增大。選用的傳感器采用2.5 V穩(wěn)壓源供電，在新鮮空氣中輸出基本電壓1.25 V，根據式(2)零點電壓V-一般也需調至1.25 V。當可燃氣濃度從0～100% LEL遞增時，傳感器輸出變化的絕對幅值約為100 mV。AD采集的上限為2500 mV。取定R=100 k，RA=10 k，則放大倍數A=22。此時輸入單片機的最大電壓見式(3)。

Voutmax=A·(V+-V-)=22×100=2200 mV

(3)

該值滿足AD采集使用要求。對于10位的AD，整體分辨率如式(4)所示。

(4)

這說明可燃氣%LEL每變化1，單片機采集的數值變化9，完全滿足檢測的精度要求。

2.2 聲光報警和通風機耦合控制

聲光報警器選購兼容性強、易于安裝更換且使用壽命長的成熟產品。分餾塔裙座內部空間約50 m3，選用功率為800 W的旋渦式風機，流量約1000 L/min，可在1 h內將氣體置換一遍。通過以下定義實現當濃度到達設定值時啟動聲光報警或使報警器與通風換氣設備聯動：

(1)超限值25%時工作流程(圖6)：t0時刻開機，t1時刻濃度超限值25%，聲光報警啟動，t2時刻濃度低于限值25%，聲光報警關閉。

圖6 超限值25%時工作流程

圖7 超限值50%時工作流程

(2)超限值50%時工作流程(圖7)：t0時刻開機，t1時刻濃度超限值25%，聲光報警啟動，t3時刻濃度超限值50%，聲光報警繼續(xù)工作同時開啟通風換氣設備，t4時刻濃度低于限值25%，聲光報警關閉，通風換氣設備延時30 min后關閉。

圖8 可燃氣體報警器正常工作流程

(3)正常工作流程(圖8)：t1時刻，濃度檢測達到25% LEL，啟動聲光報警；t2時刻，濃度檢測低于25% LEL，關閉聲光報警；t3時刻，濃度檢測達到25% LEL，啟動聲光報警；t4時刻，濃度檢測達到50% LEL，聲光報警，啟動通風換氣設備。

3 控制箱結構設計

控制箱頂部開有直徑22 mm的孔用來固定聲光報警器。聲光報警器由單片機I/O口驅動，報警能力較弱，在控制箱底部還預留了遠程聲光報警系統(tǒng)的接線端子，以適配滿足報警要求的聲光報警系統(tǒng)?？刂葡涞撞块_有連接通風機的接口，該接口亦可連接電磁閥將壓縮空氣通入受限空間完成氣體置換。因催化燃燒式傳感器需定期維護(一般為90～180天)，在控制箱頂部預留了DB9串口，以方便檢定校準工作的進行以及報警記錄的導出?？刂葡鋬蓚乳_設百葉窗孔以實現機箱內部的散熱。在控制箱箱門距底邊100 mm、右邊25 mm的位置開有Φ25 mm的通孔來裝轉舌鎖。中間距底邊70 mm位置開Φ22 mm的通孔，用來設置消音按鍵。在控制箱箱門的中間靠上部分設有LCD屏，方便工作人員讀取當前環(huán)境中可燃氣濃度及裝置當前的狀態(tài)。顯示屏下方設有5個薄膜按鈕，用于人機交互。

圖9 控制箱箱體(a)和前蓋(b)

控制箱整體尺寸為寬200 mm×高280 mm×厚70 mm，采用1.2 mm厚Q235鈑金和整體黑噴塑，底部用防水接頭分別連接電源線、傳感器連接線、通風機連接線和報警器連接線。背部點焊有兩個鈑金連接件方便控制箱的安裝。

圖10 控制箱整體結構

4 耦合裝置性能測定

4.1 初始化

初始化的內容主要是零點標定和量程標定。從標準氣瓶內將氣體充入5 L的儲氣袋，再用流量為500 mL/min的微型氣泵將儲氣袋內的氣體泵送至可燃氣報警器中，通氣30 s后打開可燃氣報警器，通過面板上的按鈕將顯示屏上的數值調為0% LEL。重復操作3次完成零點標定。利用動態(tài)配氣法配置濃度為1%、2%、4%、5%的甲烷標準氣，再將標準氣用上述方式引導至傳感器處，通入氣體30 s后打開報警器，通過面板上的按鈕將顯示屏上的數值分別調整為20% LEL、40% LEL和80% LEL，即可完成量程標定。

4.2 性能測試

根據文獻[7]對可燃氣檢測報警及通風換氣耦合裝置的基本功能進行了測試，對報警動作值、示值誤差、響應時間、零點和量程漂移進行了檢定。

4.2.1 基本功能測試

如圖11所示，將體積濃度5%的甲烷標準氣置于通風櫥內，用硅膠管將標準氣引至檢測器入口。給裝置上電，打開氣瓶閥門，關上通風櫥進行實驗，結果如下：①當濃度達到25% LEL時，聲光報警器啟動；②當濃度繼續(xù)升高至50% LEL時，聲光報警器繼續(xù)工作，同時通風機啟動；③當濃度低于50% LEL時，通風機繼續(xù)工作；④當濃度低于25% LEL時，聲光報警器關閉，通風機繼續(xù)工作一定時間后關閉。裝置基本功能符合設計要求。

圖11 基本功能測試

4.2.2 儀器參數檢定

對聲光報警器和通風機動作值的檢定：將濃度為4%的甲烷標準氣用硅膠管引至傳感器探頭處，使報警器出現報警動作，觀察其是否正常工作，并記錄報警時顯示屏上的示值。撤去標準氣，待顯示屏上示值為0時，向傳感器繼續(xù)通2%甲烷標準氣，觀察通風機是否工作正常，并記錄報警時顯示屏上示值，重復操作3次，取算術平均值為動作值。

對示值誤差的檢定：報警器先通電預熱至系統(tǒng)穩(wěn)定后，用500 mL/min微型氣泵分別將濃度為10% LEL、40% LEL、60% LEL的甲烷標準氣泵送到傳感器內，待報警器顯示屏上示值穩(wěn)定后記錄數據。每個濃度測3次。按式(5)計算每點的ΔC取絕對值最大者為示值誤差。

(5)

C0——通入報警器內標準氣的濃度值

R——報警器的滿量程(即100% LEL)

對響應時間檢定：先將報警器初始化，再通入濃度為40% LEL的甲烷標準氣，讀取報警器上的穩(wěn)定示值，停止通氣，待報警器顯示屏上的數值回到零點。再通入上述標準氣，同時啟動秒表，待示值升至上述穩(wěn)定值的90%時，停秒表，記下秒表顯示的時間。按上述方法重復測3次，取算術平均值為報警器響應時間。

對零點漂移和量程漂移的檢定：通入零點氣至報警器顯示屏上的示值穩(wěn)定后，記錄LCD屏顯示值Z0，然后通入濃度約為60% LEL的標準氣，待讀數穩(wěn)定后，記錄LCD屏示值S0，撤去標準氣。每隔10 min重復上述步驟一次，做3組實驗并計算每組零點漂移和量程漂移，取絕對值最大者為儀器的零點和量程漂移。

表2 報警動作值、示值誤差、響應時間、零點漂移和量程漂移的檢定結果

表2匯總了報警動作值、示值誤差、響應時間、零點漂移和量程漂移的檢定結果。由表2可知：①聲光報警器和通風機的動作值滿足要求，4.2.1節(jié)的實驗也表明了這一點；②當環(huán)境中存在可燃氣體時，檢測報警裝置可在25.3 s內做出響應，滿足文獻[7]中對擴散式傳感器響應時間≤60 s的要求；③對環(huán)境中可燃氣濃度檢測的誤差，無論是高濃度還是低濃度都不超過1%，精度滿足文獻[7]中≤±5%的要求。

5 結 論

根據相關規(guī)范和標準設計了一種固定式可燃氣檢測報警及通風換氣耦合裝置，用于某化工企業(yè)加氫裂化裝置的分餾塔裙座內部空間的可燃氣檢測報警及快速檢維修作業(yè)環(huán)境保障。采用MJC4 2.5J型傳感器檢測可燃氣體，傳感器輸出信號通過A/D轉換電路轉換為數字信號后傳輸給單片機；主控單元選擇MSP430型單片機；通風機選擇旋渦式風機，氣量約1000 L/min。傳感器、單片機、風機等硬件集成于專門設計的控制箱中。性能測試表明：聲光報警器和通風機的動作值滿足要求；當環(huán)境中存在可燃氣體時，檢測報警裝置可在25.3 s內做出響應，可燃氣濃度檢測誤差不超過1%。