Газоанализаторы как инструмент предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей в воздухе |
М.В.Рукин В настоящей статье мы употребляем терминологию, установленную ГОСТ Р 52350.29.1-2010 [1] – см. Приложение 1. Для целей настоящей статьи, и, руководствуясь положениями ГОСТ [2], в дальнейшем под термином "газоанализатор" мы подразумеваем датчики (извещатели), если это не оговорено особо. ВведениеВзрывы и пожары в промышленности происходят намного чаще, чем об этом имеет представление широкая общественность. В результате – происходит остановка производства, повреждается оборудование и строения, иногда и смертельные исходы. Одной из часто встречающихся причин такого рода происшествий является смешение горючих газов и паров с воздухом и различными источниками возгорания. Растворители, химикаты и другие горючие пары и газы присутствуют во множестве процессов заготовки, переработки и производства – они, как правило, активируют и стимулируют возгорания или взрывы. В большинстве промышленных производств присутствует достаточное количество кислорода для того, чтобы вызвать воспламенение. Даже в инертной среде или при очистке внезапное случайное появление воздуха может привести смешению с парами существующих процессов – в результате чего появится горючая смесь. Существует множество потенциальных источников возгорания, которые приводят пожару или взрыву: искры электричества, трения, разряды статического электричества, горячие поверхности, потоки горячего воздуха, прямоточные горелки печей и печей-окислителей. Практически невозможно гарантировать, что даже при соблюдении всех необходимых мер, окружающая среда производства будет избавлена от воздуха или источника возгорания. В связи с этим, самой надежной гарантией предотвращения взрыва/пожара на производстве будет постоянное измерение уровня присутствия горючих газов и паров и его ограничение до безопасного значения. В настоящей статье мы кратко рассмотрим характеристики газоанализаторов, их типы. Особенности применения в различных условиях и производствах. Мы также дадим рекомендации по практическому подбору требуемых приборов и систем. Общие технические положенияГорючие газы и пары встречаются в нашей жизни повседневно – как в быту, так и на производстве. Однако, в бытовых условиях (за исключением отдельных случаев) концентрации их в окружающей атмосфере не очень велики, и как правило, достаточно редко приводят к катастрофическим последствиям. Другой вопрос – промышленное производство. Приведем перечень наиболее часто встречающихся промышленных процессов, в ходе которых возникают горючие газы и пары:
Рассмотрим, в общем виде, какое место занимают газоанализаторы в вопросах предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей в воздухе. Разница между газом и паром состоит в том, что пары возникают из жидкостей, тогда как газы, как правило, существуют в газообразном состоянии. С точки зрения газоанализа, горючие пары создают дополнительные проблемы для отбора проб (например, необходимо принять меры для предотвращения паров от возвращения в жидкое состояние). Для существования опасности возгорания должны присутствовать три элемента: топливо, кислород и источник воспламенения. Таким образом, во избежание опасных ситуаций, необходимо удалить один из этих элементов. Это возможно следующими методами:
Газоанализаторы горючих газов предназначены для использования в ситуациях, когда существует риск для жизни или собственности, вызванный возможным скоплением горючей газовоздушной смеси. Газоанализаторы горючих газов дают возможность снизить риск путем обнаружения горючего газа и выдачи соответствующего звукового или светового предупреждающего сигнала. Они также могут применяться для инициирования мер предупреждения аварии, таких, как остановка работ на предприятии, эвакуация персонала и действия по предотвращению пожара. ГОСТ Р 52350.29.2-2010 [2] Нижний концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) (НКПР) (lower explosive limit, LEL): Объемная доля горючего газа или пара в воздухе, ниже которой взрывоопасная газовая среда не образуется, выражается в процентах Газоанализатор, в общем случае, представляет собой инструмент, который обладает возможностью проведения анализа образцов на наличие в них разновидностей химических газов [3]. При этом, существенной его особенностью является выдача количественных характеристик данного анализа с их отображением в числовом или графическом виде. Существует много видов газоанализаторов, в зависимости от применяемой технологии и метода, например, хроматографические, инфракрасные, пламенно-ионизационные, термокаталитические и пр. В настоящей статье мы не ставим перед собой целью описание принципов действия и работы газоанализаторов. Вместе с тем, мы рассмотрим некоторые из них в общих чертах, приведем информацию о возможностях каждого из типов. Однако, нашей главной задачей является информирование о практических аспектах применения газоанализаторов для работы во взрывоопасных средах. В качестве мониторов состояния НКПР используются различные типы газоанализаторов. При этом, конструктивно, газоанализаторы предназначены для выполнения задач в определенных условиях. Здесь возникает важная задача – правильно определить какой газоанализатор подходит для конкретного производства, сможет ли он обеспечить требуемый уровень безопасности. «Надлежащий уровень безопасности зависит в значительной степени от правильности выбора газоанализатора, места его установки, методов градуировки и периодического обслуживания в сочетании со знаниями ограничений применяемого метода определения» ГОСТ Р 52350.29.2-2010 [2]. 2.1. Общая классификация газоанализаторовРисунок 1. Классификация газоанализаторов (по материалам GasDetection.ru) 2.1.1. Две задачи газоанализаторовКак правило, газоанализаторы решают две задачи: контроль технологического процесса и/или обнаружение утечки (течеискание). Датчики обнаружения утечки иногда вообще не подвергаются воздействиям горючего газа, а если и да – эти величины невелики. Утечки происходят относительно редко; в таких случаях датчики должны сообщить о наличии существенного или необычного значения концентрации горючего газа. При этом, приоритетное значение имеет надежное обнаружение утечки, а не точность определения концентрации опасного вещества. В другом же случае, при контроле технологических процессов определяется концентрация взрывоопасного вещества, как правило, в закрытых, нагреваемых пространствах. При этом, датчики должны быть оборудованы активной системой забора образцов. В ходе технологических процессов используется постоянное высвобождение опасных субстанций – они зачастую позволяют оптимизировать и ускорять процессы. Зачастую значения высвобождаемых веществ находятся вблизи безопасно допустимых. Поэтому, при мониторинге технологических процессов, газоанализаторы должны измерять концентрацию опасных веществ с высокой точностью, которая не нужна для течеискателей. Стандартные требования для газоанализаторов пламени устанавливают минимальные значения, допустимые при их работе. Например, для метана, точность должна быть примерно +/-10% от фактической концентрации газа, а время установления показаний – менее 10-12 секунд. 2.1.2. Время установления показанийВремя установления показаний (Response Time) определяется ГОСТ [2] как временной интервал, измеряемый по окончании времени прогрева газоанализатора, от момента мгновенной замены чистого воздуха на поверочную газовую смесь на входе газоанализатора (или наоборот) до момента, когда выходной сигнал достигнет заданного уровня, в процентах от установившегося значения выходного сигнала при подаче поверочной газовой смеси. Время установления показаний позволяет установить каким образом датчик (откалиброванный для конкретного типа газа) будет реагировать на другой газ. Время установления показаний получается путем тестирования; пользователя они выдаются изготовителем. Для обеспечения надежности работы, часто производится проверка независимой третьей стороной. 2.1.3. КалибровкаДля многих приложений мониторинга процессов, датчик должен быть откалиброван таким образом, чтобы для всех обнаруженных газов определялось значение их фактической концентрации или выше, но ни в коем случае не ниже. Поэтому датчик калибруется для газа с наименьшим значением времени установления показаний. 2.2. Некоторые типы газоанализаторовВ настоящей статье мы рассмотрим несколько типов детекторов, более подробно все они описаны в ГОСТ Р 52350.29.2-2010 [2] 2.2.1. Термокаталитический детекторВнутри находятся две небольшие катушки с нанесенным на них катализатором – одна из них «активна», вторая – контрольная. Через катушки пропускается электрический ток, нагревающий катализатор для температуры, при которой активная катушка реагирует с горючими парами и газами – в форме поверхностного горения. В результате этого повышается температура детектора. Измеряя изменение сопротивления катушки, получаем значения для различных типов смесей. Интенсивность каталитического процесса зависит от типа поступающей смеси и ее концентрации. Поэтому, для работы детектора, необходимо производить его калибровку. В большинстве случаев термокаталитический детекторы имеют ограниченное использование в промышленных процессах. По их природе они относительно медленные устройства. Производители датчиков пытаются сбалансировать преимущества долгого срока службы и надежности и низкого времени установления показаний путем оптимизации массы датчика, каталитических смесей, использования предиктивного анализа сигналов, и другими методами. Преимущества:
Недостатки:
В связи с вышеизложенным, термокаталитические детекторы, как правило, используются для обнаружения утечек горючего газа в домах, офисах, цехах или в промышленных зданиях. Для мониторинга территории и пространств, при допустимых значениях времени реакции – 10-20 секунд, когда в атмосфере не присутствует конденсат, пыль или грязь, в ней нет при обычном состоянии горючих паров. 2.2.2. Недисперсионный инфракрасный детектор (NDIR - Non-Dispersive Infrared Gas Detector)Относится к оптическим детекторам газов, работа которых осуществляется на основе анализа поглощения газом инфракрасного излучения. Поток измеряемой смеси пропускают через основную и эталонную область, заполненную газом, не поглощающим измеряемую смесь. По анализу разности или отношения сигналов определяются требуемые параметры. Такого типа детекторы должны калиброваться для конкретных смесей, а выдаваемые значения для других типов гадов могут быть некорректными. Преимущества
Преимущества
Также, как и термокаталитические, ИК детекторы используются для мониторинга территории и пространств. Детекторы могут широко использоваться там, где требуется высокая чувствительность, как например, при определении опасных газов, анализе выбросов в окружающую среду (выхлопные газы), обнаружении газов в угольных шахтах, мониторинге состояния окружающей среды в жилищах и медицинских учреждениях, мониторинге углекислого газа в теплицах, и в тех местах, где определенные газы трудно обнаружить с помощью газоанализаторов других типов. 2.2.3. Пламенно-ионизационные детекторыПринцип работы пламенно-ионизационных детекторов (ПИД) основан на ионизации смесей в электрическом поле, при их сжигании в пламени водородной горелки. При этом образуется ионное облако, которое перемещается между электродами в камере сгорания. Как результат, возникает электрический ток, пропорциональный содержанию определяемого компонента смеси. Время установления показаний данных детекторов высоко, но для измерения воспламеняемости, необходимо знать тип компонента. Применение
Применение
2.2.4. Инфракрасные пироэлектрические детекторыМетоды ИК-Фурье спектроскопии позволяют осуществлять мониторинг газов в промышленных производствах. Строго говоря, это не газоанализаторы, однако, мы упомянем о них для более полной картины. Более подробную информацию можно получить у источников [4,5]. С помощью пироэлектрических детекторов моно осуществить одновременный мониторинг нескольких газовых смесей в реальном масштабе времени и с высоким качеством. Используется для обнаружения утечек, в детекторах пламени для пожарной безопасности и контроля пламени в печи. Чувствительный элемент в пироэлектрическом датчике покрыт черным поглотителем, которое преобразует инфракрасное излучение падающее на него в тепло. Происходит изменение температуры и возникновение электрического сигнала. Наиболее эффективно их применение во взрывоопасных средах на объектах электроэнергетики, цементных производствах 2.3. Сводные обобщенные данные по газоанализаторамДля получения общего представления о возможностях газоанализаторов (детекторов) приведем две таблицы. Рисунок 2. Краткие сведения об основных принципах измерения (ГОСТ Р 52350.29.2-2010 [2]) На Рис.3. приведены выборочные данные из сводной таблицы, подготовленной компанией Control Instruments Corporation Рисунок 3. Возможности применения основных видов газоанализаторов Примеры конкретного применения газоанализаторов в промышленностиПриведем для иллюстрации пример использования газоанализаторов в промышленной безопасности компанией RAE Systems by Honeywell. Рисунок 4. Использование газоанализаторов в промышленности 3.1. Химическая и фармакологическая промышленностьВ производственных процессах химической и фармакологической промышленности активно применяются разнообразные токсичные газы и растворители. Условия, удовлетворяющие критериям экстремальных (агрессивных) ситуаций, возникают всегда при перевозке, хранении и обработке этих веществ. Для защиты персонала и окружающей среды, с целью предотвращения непреднамеренных утечек, необходимо постоянно контролировать газы и растворители. Основным средством защиты в данном случае является система мониторинга газов. Использование корректной системы позволит не только предотвратить травмы персонала и материальный ущерб, но и повысить эффективность производственных процессов, производительность труда. Объекты: Производства (цеха, заводы), Склады Примеры использования:
Применение газоанализаторов позволит получить практический эффект экономии и повышения качества производства:
3.2. Нефтегазовая промышленностьВсе три составляющих нефтегазовой промышленности (прогноз, поиск, разведка и разработка; переработка, хранение и транспортировка; сбыт нефтепродуктов) используют процессы, в которых необходимо осуществлять мониторинг взрывоопасных газов и паров. Основными объектами являются:
Применяемые газоанализаторы:
Летучие органические соединения (ЛОС). Volatile Organic Compound (VOC) Химические вещества в атмосфере, которые соединяются с окисью азота и озоном. Сегментируются в четыре группы: углеводороды, галогенуглеводороды, азотистые соединения, кислородсодержащие соединения 3.3. Целлюлозно-бумажные производстваГорючие неконденсирующиеся газы являются побочными продуктами процесса производства целлюлозы из древесины. Как правило, выпуск этих газов в атмосферу запрещен. Зачастую они пропускаются через установку для сжигания, либо используются в качестве топлива для котла или лесосушилки. Горючие неконденсирующиеся газы, достигнув предельных концентраций, могут нанести существенный ущерб печам для сжигания отходов, котлам и лесосушилкам. Для мониторинга таких газов необходимо применение пламенно-ионизационных датчиков, что позволит своевременно обнаружить возникновение опасных концентраций. Высокая скорость выборки датчиков значительно улучшает значения времени установления показаний – что является важным фактором для целлюлозно-бумажных приложений. Примеры таких приложений включают в себя:
3.4. Производство полупроводниковЦелый ряд взрывоопасных газов используется в производственных процессах полупроводниковой промышленности. Потенциал возникновения взрывоопасной ситуации существует при всех случаях хранения, транспортировки и применения данных газов в производстве: пожар, взрыв, загрязнение в результате утери или в ходе внепланового профилактического обслуживания. Для обеспечения безопасности, защиты собственности, выполнения нормативных требований, взрывоопасные газы должны находиться под непрерывным контролем. На полупроводниковых производствах мониторинг требует наличия систем обнаружения газа, которые могут реагировать на разнообразные горючих и токсичные. Такие системы могут быть как одиночные, так и сетевые мультисенсорные. Здесь наибольшее применение находят термокаталитические и электрохимические датчики. При этом, осуществляется мониторинг НКПР и единиц загрязнения (ppm). Примеры:
3.5. Производства с печатью на основе растворителейПри цветной печати на бумаге, пластике, пленке и подложке из фольги используются краски и чернила с различными растворителями. Готовая продукция включает в себя все виды оберточной бумаги, обои из пластика или текстиля, пленки на подложках, обертки для конфет, гибкую тару для продуктов, термоусадочные этикетки, журналы, напечатанные в высоком качестве и пр. Перечисленные производства, используют печи или сушилки для удаления растворителей из конечного продукта. В данном случае, существенную опасность представляет возможность взрыва, которая может быть вызвана накоплением паров растворителей в атмосфере печи или сушилки. Такое накопление может явиться результатом неисправности в процессе производства, например, превышение уровня нанесения покрытия, изменение потока вентиляции. В любом из этих случаев, концентрация горючих паров имеет возможность подняться выше безопасных уровней, создавая взрывоопасную смесь. Требования к безопасной работе сушильных печей для работы с растворителями приведены в документах по безопасности и пожарной безопасности. Как правило, они ограничивают максимальную допустимую концентрацию растворителя до 25% НПКР, в самом худшем случае. Однако, при установке газоанализатора горючих газов и паров максимальная допустимая концентрация составляет уже 50% НКПР. Анализаторы также позволяют повысить эффективность процесса и значительно снижают потребление энергии. Примеры применения газоанализаторов:
3.6. Складское хранениеГорючие и воспламеняющиеся жидкости находятся практически в каждом промышленном предприятии. Их количество они могут варьироваться от нескольких грамм в аэрозольных баллончиках до нескольких тысяч литров в резервуарах хранилищ. Основная пожарная угроза для складов и хранилищ связана со случайным выбросом или высвобождением горючих и воспламеняющихся материалов в окружающую среду. Термокаталитические и электрохимические датчики являются наилучшим решением для непрерывного мониторинга мест хранения для обнаружения аварийных выбросов. Примеры применения газоанализаторов:
3.7. Производство стального/алюминиевого проката с полимерным покрытиемТехнология окраски рулонного металла непрерывным способом («койл-коатинг») является современным методом проведения окрасочных работ, при которой нанесение лакокрасочных покрытий осуществляется в поточных автоматизированных линиях. Металлические листы (ленты) рулонного проката вначале подвергаются специальной обработке, а затем лакокрасочные материалы наносятся с помощью валковых машин. Готовые изделия пользуются большим спросом и применяются в строительстве, приборостроении, при производстве внешних панелей бытовой техники и других отраслях промышленности, кроме автомобилестроения. Наиболее эффективными инструментами обеспечения пожарной безопасности являются пламенно-ионизационных датчики, которые осуществляют мониторинг паров растворителя во время процесса сушки. Современные модели таких датчиков способны с высокой точностью измерять состояние смесей при высокой температуре окружающей среды. При технологии «койл-коатинг» печи работают при высокой температуре (выше 4000С), что необходимо для осадки органических полимерных покрытий. Растворители обычно испаряются в начальной зоне печей, затем происходит испарение других элементов – смол, пластификаторов, добавки. Проблемы с мониторингом среды возникают при снижении температуры, когда происходит конденсация этих материалов. Как результат, газоанализатор загрязняется и забивается осадками – как чувствительный элемент, так и каналы забора проб, и насос. Демонтаж анализатора, его чистка приводят к остановке производственных процессов. Во избежание этого, необходимо использовать газоанализаторы, которые удовлетворяют специфическим требованиям технологии «койл-коатинг» - возможность работы при высоких температурах, иметь низкое значение времени установления показаний, стабильно реагировать на широкий диапазон растворителей, быть отказоустойчивым, обладать несложным процессом техобслуживания. 3.8. Очистка сточных водОчистные сооружения имеют высокий потенциал возникновения экстремальных условий, связанных с горючими, токсичными газами и дефицитом кислорода. В результате, вполне вероятно возникновение пожаров и взрывов, которые приведут к большим материальным убыткам и гибели персонала. Согласно существующему законодательству, сбросы горючих или взрывоопасных отходов в системы сточных вод категорически запрещены. Эти отходы не только представляют собой возможный источник воспламенения и взрыва - они могут оказать существенное влияние на всю работу очистных сооружений. Основными объектами, подлежащими защите, на которых наиболее эффективно применение газоанализаторов являются:
Для непрерывного мониторинга потока отходов на выявление горючих газов и паров применяются пламенно-ионизационные датчики. Термокаталитические и электрохимические датчики осуществляют контроль атмосферы очистных сооружений для выявления метана, хлора, сероводорода и недостатка кислорода. Их необходимо размещать на следующих объектах:
3.9. Экологический контрольВ настоящее время большое внимание уделяется сокращению выбросов ЛОС – ставится задача до величины 98%. Для достижения таких значений используются устройства сжигания отходов с контролем загрязнения на базе газоанализаторов. В отношении растворителей используются системы рекуперации. Сжигание отходов/термические окислители Пламенно-ионизационные датчики на выходе из окислителя гарантируют контроль уровня выбросов. Кроме того, возможна установка двух таких датчиков - один на входе и один на выходе. Углеводороды сравниваются до и после обработки, что позволяет судить об эффективности работы. Измерение степени воспламеняемости на входе окислителя путем мониторинга воспламеняемости входящего потока ЛОС служит предотвращению пожаров, взрывов, разрушения катализатора. Такие потоки могут в считанные минут изменить степень содержания энергии – внезапно в нем может произойти перенасыщение, которое приведет к воспламенению или взрыву. Сжигание/факельная свеча Газоанализаторы используются для непрерывного мониторинга потока отходов в факелах - это необходимо для определения минимального значения теплоты сгорания, таким образом контролируя весь процесс. Газоанализатор теплотворной способности газа обеспечивает непрерывный контроль с быстрым временем отклика. Как правило, такие анализаторы работают в широком диапазоне горючих газов и паров, в том числе тяжелых углеводородов, монооксида углерода, водорода и других многочисленных соединений, которые содержатся в газовых потоках отходов. Присутствие негорючих соединений, таких как диоксид углерода, азот и водяной пар не оказывают влияние на результаты анализатора. Системы рекуперации летучих растворителей Системы рекуперации растворителей предназначены для их повторного использования. Воздух, с содержащимися в нем парами растворителя, пропускают через слой активированного угля. Когда угольный слой почти насыщен растворителем, для конденсации растворителя осуществляет воздействие паром. Углерод затем регенерируют для повторного использования. Применяется два слоя активированного угля - один обрабатывает воздух с парами растворителя, а другой в это время регенерируется. Пламенно-ионизационные датчики отслеживают уровни углеводородных углерода слоев в режиме реального времени и позволяют осуществлять их быстрое переключение. 3.10. Газоанализаторы в печах и сушильных камерахВо многих отраслях промышленности существует необходимость в покрытии продуктов материалами на основе растворителей. За этим следует использование печей или сушильных камер для удаления растворителей из конечного продукта. Зачастую, в них происходит накопление паров растворителей, что может привести к возникновению взрывоопасной ситуации. Такое накопление может быть результатом неисправности: внезапное превышение количества покрытия, изменение уровня вентиляции. В любом из этих случаев, концентрация горючих паров имеет возможность подняться выше безопасных уровней, создавая взрывоопасную смесь в воздухе. Требования к безопасной работе сушильных печей для работы с растворителями приведены в документах по безопасности и пожарной безопасности. Как правило, они ограничивают максимальную допустимую концентрацию растворителя до 25% НПКР в самом худшем случае. Однако, при установке газоанализатора горючих газов и паров максимальная допустимая концентрация составляет уже 50% НКПР. Анализаторы также позволяют повысить эффективность процесса и значительно снижают потребление энергии. Примеры
Правильный выбор газоанализатораНесмотря на уверенность многих руководителей и их технических служб в том, что их объекты оборудованы современными и надежными системами пожарной защиты, пожары и взрывы происходят в достаточной степени часто. Во многих случаях, при разработке технических заданий на проектирование, осуществляется неправильный выбор газоанализатора, либо использование некорректного метода отбора пробы. В связи с этим, на наш взгляд, ключевыми моментами обеспечения пожарной безопасности являются выбор правильного типа газоанализатора, в совокупности с достоверным процессом отбора пробы. Следует обратить внимание на следующие положения общего плана:
Более конкретные вопросы рассматриваются после того, как получен ответ на предыдущие:
ЗаключениеПроблемы, связанные с взрывопожаробезопасностью горючих газов и смесей, являются одними из самых актуальных для народного хозяйства России. Не претендуя на всеобъемлющее представление справочного материала, мы попытались в данной краткой статье рассмотреть основные характеристики газоанализаторов, а также другие элементы, необходимые для грамотного решения задач проектирования систем пожарной безопасности. Мы считаем, что идеи и предложения, приведенные в настоящей работе, могут послужить первоначальной основой для дальнейшего планирования работы в данном направлении для руководителей и ответственных за безопасность. Одним из наиболее эффективных газоанализаторов является СЕКТОР - сигнализатор взрывоопасных газов шлейфовый взрывозащищенный. Сектор и Сектор-2 – семейство газовых анализаторов и сигнализаторов. Заменяют аналоги иностранного производства. Предназначены для: непрерывного автоматического контроля довзрывоопасных концентраций метана (СН4), пропана (С3Н8), бутана (С4Н10), пентана (С5Н12) и гексана (С6Н14) в воздухе рабочей зоны; выдачи сигнализации при превышении измеряемой величиной установленных пороговых значений. Область применения сигнализаторов – контроль взрыво- и пожароопасных зон помещений и наружных установок (площадок) предприятий нефтегазового комплекса, энергетики, горнодобывающей, химической, металлургической и других отраслей промышленности, коммунального хозяйства, автозаправочных станций, складов легковоспламеняющихся веществ и других объектов. Список терминологии статьичастичная выдержка из Национального стандарта Российской Федерации. Взрывоопасные среды. ГОСТ Р 52350.29.2-2010 (МЭК 60079-29-2:2007) Взрывоопасные среды. Часть 29-2. Газоанализаторы. Требования к выбору, монтажу, применению и техническому обслуживанию газоанализаторов горючих газов и кислорода
|
< Пред. | След. > |
---|