107 高普考高考三級 工業安全 機電防護與防火防爆 考古題詳解

核心觀念

本題評量大型儲槽（儲罐）火災中極具破壞力的燃燒現象——**突沸（Boilover）**之物理化學機制與分類判別。核心概念包含：

1. 突沸之三大先決條件：

• 油品具有寬沸點範圍（Wide boiling range）之多成份烴類混合物（如原油，Crude oil）。
• 燃燒過程能形成向下推進之高溫「熱區」（Hot zone，溫度約 $150^\circ\text{C}\sim 250^\circ\text{C}$，顯著高於水之常壓沸點 $100^\circ\text{C}$）。
• 槽底存有游離水分（底水層，Water heel）或油水界面之乳化水。

2. 水相變化體積膨脹比：液態水轉變為水蒸氣時，體積膨脹約 $1{,}600 \sim 1{,}700$ 倍，產生急遽膨脹的做功能力。
3. 熱傳導與熱波傳播差異：區分「形成黏性下移熱區」之傳統熱區突沸，與「油層厚度小於臨界值、藉由熱傳導全層加熱底水」之薄層突沸。

解題方法

1. 第 (一) 子題（機制論述）：

• 採「條件具備 $\rightarrow$ 動態進程 $\rightarrow$ 破壞成因」之因果鏈論述。
• 分為「輕質組分優先蒸發燃燒」、「高溫熱區形成與下移」、「接觸槽底水分瞬間沸騰汽化」、「蒸氣劇烈膨脹活塞式噴射拋出」四階段，層次清晰。

2. 第 (二) 子題（差異比較）：

• 先分別定義兩種突沸之物理狀態，再以標準化對比構面（適用油品、油層厚度條件、熱量傳遞途徑、發生時機與孕育時間、噴濺危害規模）進行差異化橫向對比。
• 輔以整合對照架構，使閱卷委員能快速辨識得分關鍵詞。

選項分析

本題為純申論題（非選擇題）。申論閱卷採「分項評分標準」：

• 第 (一) 小題（突沸機制）：重點在於是否寫出「高溫熱區溫度大於水沸點」與「水急遽汽化膨脹 $1{,}600$ 倍以上」之關鍵物理機制。若僅寫「水滾了溢出來」，屬低分描述。
• 第 (二) 小題（薄層 vs 熱區）：重點在於釐清「熱區波前（Heat wave front）」是否存在，以及「油層厚度是否達到臨界薄層」。考生常誤將薄層突沸（Thin-layer boilover）與潑濺（Slopover）混淆，需精準區分兩者熱力學機制。

解題技巧

1. 專有名詞辨析（防混淆矩陣）：

• 突沸（Boilover）：槽底底水受熱區或熱傳加熱而急遽沸騰，將整層油品向上拋擲出槽外。
• 潑濺（Slopover）：滅火注水或泡沫射入熱油表面，表面水分受熱微沸產生起泡溢出（侷限於油表）。
• 泡沸（Frothover）：非火災狀態下，高溫重油注入含有水分之槽內引起發泡溢出。
• 薄層突沸（Thin-layer boilover）：油層厚度極薄時，無需熱波下移，直接藉熱傳導加熱底水引發之沸騰噴濺。

2. 答題結構化：使用條列並搭配黑體字標籤，申論給分關鍵字（如：蒸發潛熱、比容積、熱波速度、活塞效應）務必明確列出。

【答案】

(一) 突沸（Boilover）現象之發生機制

核心觀念

本題旨在測驗工業安全與防災工程中「火災早期偵測技術」之核心原理與工程應用能力。

1. 火災四階段發展歷程：火災初期依序經歷「無形熱解（Incipient/Pyrolysis）$\rightarrow$ 悶燒（Smoldering）$\rightarrow$ 有焰燃燒（Flaming）$\rightarrow$ 劇烈燃燒（Heat）」階段。傳統偵煙探測器多在悶燒後期或有焰階段動作，而極早型偵煙系統則針對「無形熱解至微微粒階段」即進行預警。
2. 光散亂與主動採樣原理：利用廷得耳效應（Tyndall Effect）之雷射光散亂技術，配合主動連續抽氣管網（Active Air Sampling），測量空氣樣本之減光率（Obscuration rate，單位為 $\% \text{ obs/m}$）。
3. 法規依據：以命題當年（民國 107 年）之《各類場所消防安全設備設置標準》為準，屬「空氣吸入型火警探測設備」（規範於第 114 條、第 121 條等相關規定）。現行法後續已針對高挑空間與特殊場所之免設條件及技術規範進行微幅修正文字，但系統核心技術要求一致。

解題方法

本題為標準申論題，答題切入點應分為兩大主軸：

1. 原理說明：採「系統組成與運作歷程」由外而內、由淺入深展開，依序說明「主動抽氣管網取樣 $\rightarrow$ 雙重過濾機制 $\rightarrow$ 雷射腔室光散亂偵測 $\rightarrow$ 訊號微處理與多階警報」，展現完整的物理機制與工程邏輯。
2. 優缺點剖析：從「靈敏度、環境適應性、維護便利性、經濟成本、技術門檻」等面向進行對比（特別與傳統點型光電式探測器對照），使論述結構均衡、要點明確。

選項分析

本題為非選擇題之申論題，閱卷評分重點在於考生能否精準區隔 VESDA 與傳統點型偵煙器之技術差異：

• 原理部分：必須明確點出「主動抽氣（非被動擴散）」、「雷射光源散射」及「多階段預警」，缺少任一項即無法取得高分。
• 優點部分：應涵蓋「高靈敏度（熱障礙突破）」、「受高氣流環境影響小（機房/無塵室）」及「地面集中維護（免登高）」。
• 缺點部分：應涵蓋「初期造價昂貴」、「管網流體力學設計限制嚴格（傳輸延遲時間）」及「濾網定期更換成本」。

解題技巧

1. 原理口訣化：記憶「抽（主動抽氣）、濾（粉塵過濾）、照（雷射照射/散亂）、算（演算法多階報警）」，四步驟串聯即可完整涵蓋作答要點。
2. 避開常見陷阱：

• 誤將 VESDA 答成離子式探測器（VESDA 本質為高靈敏度光電雷射式）。
• 誤以為靈敏度高就會頻繁誤報（漏答其具備「氣流偵測」、「微粒過濾」及「智慧分析」以降低誤報）。
• 遺漏「主動抽氣」對「煙層分層現象（Thermal Stratification，即高挑天花板熱障礙）」的克服能力。

【答案】

一、極早型偵煙探測器（VESDA）之工作原理

VESDA（Very Early Smoke Detection Apparatus，吸氣式極早期火警偵煙探測系統）是一種主動式、連續取樣的高靈敏度雷射偵煙系統，其運作流程如下：

1. 主動採樣管網（Active Sampling Pipe Network）：

核心觀念

本題評量工業安全領域中「燃燒與爆炸防護」的核心理論，重點在於可燃性氣體之燃燒界線圖（Flammability Diagram / 三元燃燒圖）之判讀與氣體置換／惰化防爆技術（Purging and Inerting Techniques）。

1. 可燃界線（Flammability Limits）：

• 可燃下限（Lower Flammable Limit, LFL / LEL）：可燃性氣體與助燃氣體（空氣或氧氣）混合時，能維持火焰傳播的最低可燃物濃度（通常以體積百分比 $\text{vol}\%$ 表示）。
• 可燃上限（Upper Flammable Limit, UFL / UEL）：能維持火焰傳播的最高可燃物濃度。高於此濃度時，因氧氣不足而無法燃燒。
• 氧氣對可燃界線之影響：氧氣濃度增加時，燃燒反應速率提高、燃燒放熱增加，導致可燃上限（UFL）大幅上升，而可燃下限（LFL）幾乎維持不變（因下限主要由反應放熱達到維持火焰傳播之臨界溫度決定，此時已處於大幅過氧狀態）。

2. 烯類烴類物性特徵：

• 題目明確限定為「烯類（Alkene）」。常見低碳數烯類包括乙烯（$C_2H_4$）、丙烯（$C_3H_6$）、丁烯（$C_4H_8$）等。
• 其中丙烯在空氣中的可燃範圍約為 $2.4\% \sim 11\%$，丁烯約為 $1.6\% \sim 10\%$；唯有**乙烯（Ethylene, $C_2H_4$）**具吸熱生成熱（Endothermic compound，標準生成焓 $\Delta H_f^\circ > 0$）及活潑的碳碳雙鍵，具有異常寬廣的可燃範圍（空氣中約 $3\% \sim 32\%$，純氧中高達約 $80\%$），且在高濃度下可能發生放熱分解反應（對應圖中 Transition Boundary 轉化/分解邊界標示）。

3. 安全吹驅路徑與極限氧濃度（LOC / MOC）：

• 設備由高濃度可燃性氣體轉換為含氧環境時，其混合物組成變化在三元圖上呈現為一條連線。若操作不當，該直線必將穿越可燃區（Flammable Region），極易因著火源引發爆炸。
• 利用不燃性惰性氣體（如氮氣 $N_2$）進行稀釋吹驅，控制系統氧氣濃度在**極限氧濃度（Limiting Oxygen Concentration, LOC）**以下，並使成分軌跡完全避開可燃區，為化工製程安全標準防護程序（如 NFPA 69 規範）。

解題方法

1. 子題 (一) 圖表讀取與物質推判定案：

• 空氣中可燃界線判讀：圖中在空氣基準線（Air Line，含約 $21\%$ $O_2$、$79\%$ $N_2$）與可燃區的交點，下交點數值為 $3$（即 $\text{LFL} = 3\%$），上交點數值標示為 $32$（即 $\text{UEL} = 32\%$）。
• 純氧中可燃界線判讀：在縱軸（無氮氣之純燃料—純氧二元混合軸）上，下交點為燃料濃度 $3\%$（對應氧氣濃度為 $100\% - 3\% = 97\%$，圖中標示 $97$ 與 $3$）；上交點標示可燃區上限為 $80\%$（或介於過渡邊界 $75\% \sim 80\%$ 之間，其標示上限數值為 $80\%$）。
• 物質鑑定推導：比對工業常用烯類化學品之燃燒物理常數：
• 乙烯（$C_2H_4$）：$\text{LFL} \approx 2.7\% \sim 3.1\%$（圖中取整數標示 $3\%$），$\text{UFL}_{\text{air}} \approx 32\%$（文獻值介於 $32\% \sim 36\%$，圖中精確標示 $32\%$），$\text{UFL}_{O_2} \approx 80\%$。
• 丙烯（$C_3H_6$）：$\text{LFL} \approx 2.4\%$，$\text{UFL}_{\text{air}} \approx 11\%$。
• 丁烯（$C_4H_8$）：$\text{LFL} \approx 1.6\%$，$\text{UFL}_{\text{air}} \approx 10\%$。 圖形數值與乙烯完全吻合。

2. 子題 (二) 先通氮後通氧之目的與原理分析：

• 目的：建立本質安全的氣體置換路徑，防止可燃性物質與氧氣在混合過程中落入可燃爆炸範圍內，杜絕火災爆炸災害。
• 原理解構：
• 幾何濃度軌跡分析：在三元圖上，從 $100\%$ 乙烯狀態直接加入氧氣，組成連線必由純燃料直通純氧，中途橫跨極寬之可燃區（$3\% \sim 80\%$）；若先通入氮氣，系統組成沿向純氮點方向直線移動，將乙烯濃度大幅稀釋至安全濃度（低於 LFL 3% 以下的安全操作點）；隨後再通入氧氣時，組成點從「高氮、極低乙烯」狀態朝向氧氣點移動，該路徑始終在可燃界線包絡線下方（完全位於非燃燒區），絕不進入可燃區。
• 物理抑爆機理：氮氣兼具「稀釋可燃物與助燃物濃度」及「熱沈吸熱（Heat Sink）」作用，吸收燃燒反應熱，降低系統絕熱火焰溫度，阻斷鏈反應自由基之連鎖傳播。

核心觀念

1. 法規與標準依據： 本題以命題當年（民國 107 年）法規為準，當時我國主要依據《屋內線路裝置規則》（現行法已修正並更名為《用戶用電設備裝置規則》）第五編「特殊場所」之規定，以及經濟部標準檢驗局國家標準 CNS 3376-10-1（現為 CNS 60079-10-1，對應國際電工委員會標準 IEC 60079-10-1）《爆發性環境－第 10-1 部：場所劃分－爆炸性氣體環境》。
2. 危險場所區域劃分哲學： 危險場所劃分的核心在於「風險匹配原則」。根據爆炸性物質在空間中出現的「頻率（Frequency）」與「持續時間（Duration）」，評估其點燃危險性，進而選配適當防爆構造等級（Equipment Protection Level, EPL）的電氣設備。
3. 區域劃分（Classification of Zones）與範圍（Extent of Zones）之區別：

• 區域等級（Zone）：由「釋放源等級」（連續級、一級、二級）與「通風程度及有效性」共同決定，代表危險氣體出現的機率。
• 區域範圍（Extent）：指自釋放源起，爆炸性混合物稀釋至爆炸下限（LEL）以下所需擴散距離的物理空間包絡面，由「釋放率」、「物質物化特性」及「環境通風與擴散條件」決定。

解題方法

1. 第 (一) 子題（各區之原理）：

• 採「定義與出現機率 $\times$ 釋放源等級 $\times$ 實務典型範例」三維結構論述。
• 我國危險場所依物質形態分為「氣體／蒸氣」與「粉塵」兩大系統，答題應以最常考之「氣體／蒸氣危險場所（0 區、1 區、2 區）」為論述主軸，並提綱挈領補充「可燃性粉塵危險場所（20 區、21 區、22 區）」，展現宏觀完整的專業架構。
• 帶出國際標準量化參考時數（每年累計出現時數），建立答案的公信力與專業深度。

2. 第 (二) 子題（影響危險場所區域範圍之因素）：

• 採用系統工程分析法，將影響範圍的因子依「源頭釋放特性」、「物質化學與物理性質」、「流場環境與通風阻礙」三大構面展開，避免雜亂無章的條列。
• 每個因素均具體說明「如何影響」（正相關、負相關或幾何分布），不可僅列名詞。

解題技巧

1. 記憶口訣：

• 影響區域範圍的因素可提煉為「源、物、通、境」四字訣：
• 源：釋放率（壓力、管徑、液體蒸發面）、釋放速度。
• 物：爆炸下限（LEL）、蒸氣相對密度、蒸氣壓與沸點（揮發性）。
• 通：通風型式、通風速率與有效性。
• 境：地形障礙、屏障、設備密集度（死角聚積）。

2. 常見陷阱與防範：

• 混淆等級與範圍：考生常把「通風」直接說成劃分區域的唯一因素，忽略「範圍（Extent）」主要受「蒸發／釋放速率」與「稀釋能力」支配。
• 遺漏蒸氣相對密度之幾何效應：比空氣重的氣體（如丙烷、甲苯）易沿地面低窪處蓄積，水平延伸範圍大；比空氣輕的氣體（如氫氣、甲烷）則垂直向上擴散，垂直範圍大。答題時務必點出「擴散形狀的幾何差異」。
• 美規與歐規混淆：題目要求「區域等級（Zone）」，切勿只寫 Class I, Division 1 / Division 2，必須以 0 區、1 區、2 區（Zone 0, Zone 1, Zone 2）為答題主幹。

【答案】

(一) 各區之原理

我國危險場所劃分主要依據 CNS 3376 系列標準及法規規範，其劃分原理係依據爆炸性物質釋放源之特性、通風狀態，評估危險氣氛「存在的頻率」與「持續時間之長短」，區分為下列等級：

1. 氣體及蒸氣危險場所（Zone 0、Zone 1、Zone 2）

• 0 區（Zone 0）：

• 原理：指爆炸性氣體、蒸氣或薄霧環境「連續存在」、「長時間存在」或「頻繁出現」之場所。在量化評估上，通常指一年中累積存在時間大於 $1,000\text{ 小時/年}$（時基比率 $> 10\%$）。
• 釋放源：主要由「連續級釋放源（Continuous Grade of Release）」所形成。
• 典型場所：固定頂儲槽內部蒸氣空間、密閉反應槽內部、連續排氣之通氣口邊緣鄰近區域。

• 1 區（Zone 1）：

• 原理：指在「正常運轉」狀況下，「可能偶爾出現」爆炸性氣體環境之場所。