苯泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

楊偉超

（惠生工程（中國）有限公司，上海 201210）

0 引言

常溫常壓下苯是一種無色、有芳香氣味的透明液體，沸點(diǎn)是80℃，閃點(diǎn)-11℃。大氣中的苯含量是各國安全部門和相關(guān)法規(guī)關(guān)注的重點(diǎn)。在GB 50493-2009[1]中，被定義為高毒物品；在沙特基礎(chǔ)化工安全規(guī)范中被定義為致癌物。沙特基礎(chǔ)化工的某脫瓶頸項(xiàng)目中，環(huán)境溫度最高達(dá)到50℃。因此，泄漏在大氣中的苯通常情況下為氣體。業(yè)主要求設(shè)計(jì)一套苯泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對苯回收裝置區(qū)空氣中的苯含量進(jìn)行監(jiān)測。

本項(xiàng)目中，業(yè)主對苯泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)要求如下：8小時加權(quán)平均容許濃度是1ppm，短時間容許接觸濃度是5ppm，用于采取防護(hù)行動的報(bào)警值是2.5ppm，最低精度報(bào)警值為0.25ppm，同時要求該系統(tǒng)可以生成時間加權(quán)平均值的報(bào)告。裝置區(qū)內(nèi)苯泄漏點(diǎn)的位置如圖1中圓點(diǎn)所示。

根據(jù)苯的理化特性，設(shè)計(jì)3種方案對裝置區(qū)大氣中的苯含量進(jìn)行監(jiān)測，分別是：①有毒氣體檢測器；②氣相色譜分析儀；③光學(xué)分析儀。然后根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和苯泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求，從精確度、響應(yīng)時間、現(xiàn)場工作量、成本、供貨周期等多個方面綜合分析3種方案的利弊，選擇最優(yōu)方案開展工作，并為以后的苯泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 苯泄漏點(diǎn)平面布置圖Fig.1 Plane layout of benzene leakage point

1 苯檢測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

1.1 有毒氣體檢測器

利用有毒氣體檢測器對大氣中的苯含量進(jìn)行監(jiān)測是目前應(yīng)用較為廣泛的一種方案。結(jié)合業(yè)主安全規(guī)范和GB 50493-2009，根據(jù)泄漏位置確定監(jiān)測點(diǎn)，在離地面或平臺0.4m處，設(shè)置26個氣體檢測器對裝置內(nèi)的氣態(tài)苯進(jìn)行監(jiān)測。在氣體檢測器的選擇上，通過對已知的多家產(chǎn)品進(jìn)行比對，選擇精度較高的光致電離型氣體檢測器。氣體檢測器的信號接入到控制系統(tǒng)，并在中控室生成報(bào)告，供安全管理部門做數(shù)據(jù)分析。

光致電離型氣體檢測器基于光致電離（PID）原理[2]制造，使用真空紫外燈發(fā)射具有特定能量的紫外光，使具有特定電離能的電子發(fā)生躍遷，從而使有機(jī)物分子發(fā)生電離，形成數(shù)量相同的正負(fù)離子，正負(fù)離子在電場作用下被吸引到一對電極上，形成電流。電流強(qiáng)度反映被檢測氣體的濃度。該電流經(jīng)過放大器處理后可以遠(yuǎn)傳到控制室，獲得氣體濃度曲線和相關(guān)報(bào)告；也可在檢測器的表頭直接顯示當(dāng)前濃度的數(shù)值，既可以遠(yuǎn)程監(jiān)控也可以在現(xiàn)場指示。光致電離型氣體檢測器尤其適合于芳烴類有機(jī)物的檢測。

參考GB 50493-2009的5.3.3一節(jié)，將氣體檢測器的量程設(shè)置為0ppm～15ppm，一級報(bào)警設(shè)定值是2.5ppm，二級報(bào)警設(shè)定值是5ppm。

1.2 氣相色譜分析儀

氣相色譜分析儀是基于色譜原理[3]制造的在線分析儀器，利用不同的氣體在色譜柱上移動速度不同的原理，將工藝過程中取出的樣品，在載氣的作用下，通過固定的色譜柱，分離成多種單一組分。出口處利用檢測器分別測量各組分的濃度，得到電信號，信號經(jīng)過放大電路和處理器后顯示在液晶屏上，通過定性定量分析曲線可以獲得氣體組分。

采用氣體檢測器方案中設(shè)置的26個檢測點(diǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。在檢測點(diǎn)附近離地面或平臺0.4m高度處開始敷設(shè)不銹鋼Tube管到分析小屋外的預(yù)處理系統(tǒng)，將檢測點(diǎn)附近的氣體吸入位于分析小屋內(nèi)的色譜分析儀，對空氣中苯含量進(jìn)行在線監(jiān)測。

苯裝置區(qū)內(nèi)泄漏點(diǎn)到分析小屋外預(yù)處理系統(tǒng)的最遠(yuǎn)距離是150m，在切換到該流路時，需要啟動一臺泵將附近的氣體吸到分析小屋以保證分析時間。通過咨詢多家大型分析儀表生產(chǎn)廠商發(fā)現(xiàn)，每個分析流路的平均分析時間是90s。分析儀可以通過全場的分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測信息通訊到控制室并生成報(bào)告。

由于現(xiàn)場已經(jīng)存在分析小屋，該色譜分析儀只需安裝在原有小屋的預(yù)留位置，并安裝好相應(yīng)的取樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)即可使用，不需要額外考慮小屋及小屋內(nèi)公共工程的設(shè)計(jì)制造等問題。因此，作為重點(diǎn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3 DOAS光學(xué)分析儀

差分光學(xué)吸收光譜法（DOAS）[4]是利用各種氣體分子在紫外和可見波段的特征吸收光譜來反映其在大氣中濃度的一種方法，目前發(fā)展成熟，基于此原理制造的各類光學(xué)儀器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類污染氣體的監(jiān)測。差分光學(xué)吸收光譜的基本原理可用下面的公式描述：

其中，I(λ)——被測氣體吸收之后的光強(qiáng)；I0(λ)——發(fā)射前的光強(qiáng)；L——為光路長度；α(λ)——波長λ的光線的吸收系數(shù)；C——分子濃度。

在選定光柵的測定介質(zhì)為苯之后，相關(guān)參數(shù)也相應(yīng)地確定，通過比較發(fā)射端和接收端的光強(qiáng)，便可確定大氣中苯的濃度。

目前，市面上位于業(yè)主供應(yīng)商名錄內(nèi)的光學(xué)儀器廠家所制造的發(fā)射器（即氙氣燈）無法滿足防爆要求，經(jīng)過多次現(xiàn)場踏勘并結(jié)合業(yè)主意見，將整個監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置為圍欄式：將發(fā)射器與接收器合為一體，與分析儀一起安裝在爆炸危險(xiǎn)區(qū)界限外邊緣，通過四路光線將整個裝置區(qū)合圍，并在裝置區(qū)內(nèi)部安裝多棱角反射鏡，對苯回收裝置進(jìn)行監(jiān)測。由于當(dāng)?shù)靥栔鄙錅囟雀哌_(dá)90℃并且沙塵暴頻繁，需要為分析儀考慮降溫和防沙措施。用于連接分析儀和接收器的光纖的有效傳輸距離小于100m，無法將分析儀放置在已有的分析小屋內(nèi)。因此，在發(fā)射器附近單獨(dú)為分析儀配置小屋。小屋位于爆炸危險(xiǎn)區(qū)外，并且對公用工程的需求很低，所以造價(jià)較過程分析小屋要低。最終通過設(shè)置兩臺分析儀分析7條光路，實(shí)現(xiàn)對整個裝置大氣中苯含量的監(jiān)測。DOAS方案的平面布置如圖2所示。

當(dāng)某一條光路檢測到苯含量達(dá)到警戒值時，做好防護(hù)準(zhǔn)備的操作工需要攜帶便攜式氣體檢測器在該條光路附近找到準(zhǔn)確的泄漏點(diǎn)并采取相應(yīng)措施。

表1 主要技術(shù)參數(shù)比較Table 1 Comparison of main technical parameters

圖2 DOAS平面布置圖Fig.2 DOAS Floor layout plan

分析儀可以實(shí)時將檢測到的苯含量傳輸?shù)娇刂剖疫M(jìn)行監(jiān)控，并按照安全部門的要求生成報(bào)告。

2 苯泄漏監(jiān)測系統(tǒng)方案的比較

對3種方案進(jìn)行了多次的比較和詢價(jià)，從技術(shù)參數(shù)、施工工作量、經(jīng)濟(jì)投入等多個方面綜合評比，列出3種設(shè)計(jì)方案的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

綜合對比各參數(shù)不難發(fā)現(xiàn)，氣體檢測器安裝方便，響應(yīng)速度快，直接應(yīng)用于爆炸危險(xiǎn)區(qū)就地指示報(bào)警，能夠及時提醒操作人員撤離，并且施工工作量最小，適用于大多數(shù)項(xiàng)目。但本項(xiàng)目的測量精度要求較高，同時由于量程范圍較大，報(bào)警值設(shè)定較低（0.25 ppm）時，會出現(xiàn)頻繁的誤報(bào)警[5]。加之光致電離型氣體檢測器的使用壽命一般在3年左右，更換頻次較高，因此不適用于本項(xiàng)目。

氣相色譜分析儀配備氫火焰離子化檢測器（FID），其測量精度可達(dá)到0.01ppm，最低量程、精度內(nèi)最低報(bào)警值均可以滿足技術(shù)要求；安裝位置、公用工程均可利用現(xiàn)場原有分析小屋的空間和各種備用量。因此，前期投入少。氣體組分的分析結(jié)果，可以利用原有分析系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳送到中控室，控制系統(tǒng)側(cè)僅需要做相應(yīng)的畫面配置即可接收檢測數(shù)據(jù)并生成報(bào)告，系統(tǒng)側(cè)工作量較低。但是由于單條流路平均分析時長高達(dá)90s，導(dǎo)致系統(tǒng)滯后相當(dāng)嚴(yán)重，無法及時保護(hù)現(xiàn)場操作人員；并且3000m不銹鋼tube管的敷設(shè)，對于已建成并投入運(yùn)行的裝置來說，其路徑規(guī)劃和安裝空間的選擇難度都非常大，對于現(xiàn)場是很大的施工量。因此，不適用于本項(xiàng)目。

基于DOAS原理制造的光學(xué)分析儀，其各項(xiàng)參數(shù)均遠(yuǎn)高于業(yè)主對苯泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求，7條光路由兩臺分析儀進(jìn)行分析，響應(yīng)時間大幅度優(yōu)于氣相色譜分析儀。通過測量一條線上的氣體濃度并取平均值作為最后結(jié)果，DOAS光學(xué)分析儀比點(diǎn)式測量結(jié)果更穩(wěn)定。由于檢測原理為非接觸式，所以除了供電之外，不需要常規(guī)過程分析儀表標(biāo)配的預(yù)處理系統(tǒng)、載氣、伴熱蒸汽、儀表風(fēng)、排廢排污管線等公用工程，相應(yīng)的維護(hù)工作也較過程分析儀少。位于爆炸危險(xiǎn)區(qū)外的分析小屋只承擔(dān)保持恒溫和阻擋惡劣天氣的作用，因而小屋無需公用工程接口和預(yù)留操作空間，內(nèi)部電器無需防爆設(shè)計(jì)，尺寸和造價(jià)遠(yuǎn)低于過程分析小屋。因此，最終選擇該方案作為本項(xiàng)目的苯泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

選擇DOAS光學(xué)分析儀是基于項(xiàng)目本身的特點(diǎn)，其本身的局限性也需要在后續(xù)應(yīng)用中考慮：其發(fā)射器無法應(yīng)用于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，會限制其適用范圍；信號受到光纖長度的影響無法遠(yuǎn)距離傳輸；需要配合便攜式設(shè)備定位泄漏點(diǎn)位置。在前期投入較少，對測量精度沒有特別高要求的情況下，可以優(yōu)先考慮PID氣體檢測器，而氣相色譜分析儀則更適用于監(jiān)測點(diǎn)數(shù)較少，監(jiān)測區(qū)域相對集中的情況，可以快速高精度地實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量的監(jiān)測。

因此，根據(jù)不同的項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇不同的設(shè)計(jì)方案，才能夠保證既滿足項(xiàng)目要求，又能夠最大程度地節(jié)省項(xiàng)目成本。