Взрывозащита и система газовой сигнализации

  Опасность взрыва подстерегает нас всюду.  Везде, где возможны опасные ситуации из-за наличия горючих газов и паров, например, при добыче и хранении нефти и газа, транспортировке и хранении горючих жидкостей и газов, в процессах, связанных с использованием растворителей, или при обработке пластмасс, мы всегда будем сталкиваться с измерениями с целью обеспечения взрывобезопасности, которые, в основном, регулируются законодательно, для обеспечения безопасности персонала и оборудования. 

   В зависимости от области применения, для обнаружения газов и паров могут использоваться различные принципы измерения: Датчики с термокаталитическим элементом, локальные или трассовые инфракрасные датчики. Используя детекторы в комбинации с центральным контроллером, например, Drager Polytron или Drager REGARD, можно обнаруживать горючие газы и пары на начальной стадии, когда их концентрации настолько низки, что опасные условия – риск взрыва – можно надежно предотвратить.

  Горючие газы и пары могут поджигаться источником воспламенения с достаточно высокой энергией или высокой температурой только в том случае, если – в атмосферных условиях – они существуют в смеси с атмосферным кислородом с достаточно высокой концентрацией. 

Эта критическая концентрация смеси называется   НПВ: нижний предел взрываемости  (НКПР   -Нижний концентрационный предел распространения пламени). 

Для воспламенения необходимо, чтобы удовлетворялись три условия : 

   1. Концентрация взрывоопасного газа или пара выше   НПВ (НКПР); 

   2. Достаточно высокая концентрация кислорода; 

   3. Достаточно высокая температура или достаточная энергия источника воспламенения.

Рис.1

   Это правило можно трактовать в обратном порядке: если одно из трех условий не удовлетворяется, это надежно гарантирует, что воспламенение или взрыв невозможны. Следовательно, можно принимать следующие меры обеспечения взрывобезопасности: 

  1. Ограничение концентрации; 

  2.  Инертизация; 

  3. Использование взрывозащищенного оборудования 

  Самый безопасный способ ограничения концентрации – удаление горючих газов и паров из технологического процесса – обычно не реализуем на практике. Там, где используются горючие газы и пары, обычно применяют системы обнаружения газов, чтобы ограничить их концентрации. В замкнутых технологических процессах разрешается, чтобы содержание горючих газов или паров превышало уровень  НПВ,  пока концентрация кислорода поддерживается на достаточно низком уровне  (инертизация),   чтобы управлять опасностью взрыва. Однако, если этих мер недостаточно, то все используемые электрические устройства должны быть разработаны в соответствии с определенными стандартами взрывозащиты, чтобы они не служили источником воспламенения при выбросе горючих газов или паров. 

  Дополнительные сведения о методологии можно найти в согласованном стандарте EN 1127-1.

 Рис. 2 Пороги тревог. 

Если концентрация газа возрастает, то при достижении первого порога тревоги активизируются меры противодействия. Если контрмеры эффективны, то концентрация газа уменьшится (синяя кривая). Однако, если контрмеры неэффективны, то концентрация продолжит повышаться (красная кривая). При достижении второго порога тревоги активизируются обязательные меры. 

Должным образом спроектированные системы обнаружения газов будут редко или никогда не достигать второго порога тревоги 2.

 Рис.3 Шкала НПВ. Чем ниже значение НПВ, тем опаснее вещество, поскольку проще образуются взрывоопасные концентрации.

 

Ниже НПВ нет опасности взрыва.

  Ограничение концентрации (1) и   инертизация   (2) называются также первичными мерами, поскольку они предотвращают образование воспламеняемой концентрации. С другой стороны, использование взрывозащищенного оборудования инструментов (3) – вторичная мера, потому что предотвращается не образование взрывоопасных концентраций, но только их воспламенение. 

   Ограничение концентрации означает активное разбавление, например, путем автоматической подачи чистого воздуха во взрывоопасную зону, если концентрация  превысила порог 20 % НПВ. Если концентрации продолжают повышаться, потому что контрмеры неэффективны, то необходимо автоматически активизировать меры отключения оборудования, например, при 40 % НПВ, путем выключения любых невзрывобезопасных инструментов или оборудования. 

  Используемые для этого системы обнаружения газов должны быть сертифицированы уполномоченной организацией на предмет их соответствия Европейским стандартам (раньше с EN 50054ff, теперь с EN 61779). То же относится к сенсору, измерительной головке, а также для блоку центрального контроллера.  

 

  Поскольку   инертизация   также является профилактической мерой обеспечения взрывобезопасности, приборы для измерения концентрации кислорода, контролирующие процесс инертизации, также должны быть сертифицированы (по крайней мере в Европе) и соответствовать уместным стандартам (например, EN 50 104). Важные данные по безопасности для горючих газов и паров.

 Для горючих веществ имеется предельная концентрация, необходимая для ИХ воспламенения. Ниже этого предела смесь вещества в воздухе не может воспламениться из-за дефицита топлива. Этот предел называется нижним пределом взрываемости (НПВ)  или  НКПР.   НПВ не может быть рассчитан: это эмпирическое значение, которое устанавливается стандартизированными методами. С некоторыми исключениями,  НПВ лежит в диапазоне от 0.5 до 15 объемных процентов. 

Газы и НПВ 

  Выше точки кипения вещество обычно называется газом. Давление чистого газа всегда выше, чем атмосферное давление, так что выделяющиеся газы могут очень быстро достигать концентраций выше НПВ,  т.е. образовывать опасные горючие газовоздушные смеси. 

 Ниже точки кипения вещество находится не только в газообразной фазе, но и в равновесии с жидкой (а также твердой) фазой, в зависимости от температуры. 

Газообразный компонент этого вещества называется паром. Давление пара всегда ниже атмосферного давления и в зависимости от температуры жидкости, могут достигаться только определенные максимальные концентрации пара. 

В частности, максимальное давление пара огнеопасной жидкости может быть настолько низким, что концентрация НПВ может превышаться только при определенной температуре. Только выше этой определенной температуры пар огнеопасной жидкости становится горючим. Эта эмпирическая температура, установленная стандартизированными методами, называется температурой вспышки и является очень важным параметром безопасности, позволяющим оценивать опасный характер горючих жидкостей. Например, температура вспышки чистого этанола составляет 12 °C (так что этанол взрывоопасен при 20 °C). Для n-бутанола температура вспышки равна 35°C, так что пары n-бутанола не могут воспламеняться при температуре окружающей среды 20 °C, но горят выше 35 °C. 

Отметим: пока температура огнеопасной жидкости надежно поддерживается на несколько градусов ниже температуры вспышки, это мера первичной взрывозащиты. 

 Температура воспламенения     и минимальная энергия воспламенения 

  Искры и дуги, созданные электрически (или механически) и горячие поверхности являются самыми известными из 13 различных источников воспламенения. Чтобы поджечь смеси горючих газов или паров в воздухе, источник воспламенения должен либо иметь температуру, превышающую эмпирическую   температуру воспламенения,   либо искры должны иметь энергию выше, чем эмпирическая минимальная энергия воспламенения.   Температура воспламенения   и энергия воспламенения определяются стандартизированными методами и должны учитываться при разработке или выборе взрывозащищенных приборов для определенного приложения.

 Рис.4 Шкала значений   температуры вспышки.   Чем ниже   температура вспышки,   тем более опасна и легче воспламеняется жидкость.

 Блокирование эффективных источников воспламенения – вторичная взрывозащита. 

 Если невозможно надежно заблокировать или предотвратить образование горючей атмосферы (например, используя системы обнаружения газов), то электрические устройства, используемые в этой зоне, не должны являться источником воспламенения: Они должны конструироваться так, чтобы устройство не могло воспламенять горючие атмосферы. 

Типы защиты 

  В газосигнализационных системах применяются четыре из семи стандартизированных типов защиты: 

1.зрывозащищенность (d), искробезопасность (i), герметизация (m), и повышенная безопасность (e). При герметизации горячие поверхности и искры предотвращаются механически, тогда как в искробезопасных устройствах это осуществляется путем ограничения электропитания. Обычно взрывозащищенное устройство допускает внутренние взрывы, но сконструировано таким образом, что противостоит давлению внутреннего взрыва и надежно предотвращает проскок пламени. Повышенная безопасность ограничена пассивными элементами, например, соединительными коробками, клеммами и кабельными уплотнителями. Они разработаны так, что риск образования горячих поверхностей или искр очень невелик. Взрывозащищенные устройства должны утверждаться по типу и сертифицироваться уполномоченной организацией. 

 В Европе взрывозащита становится законом путем преобразования ЕС-директив 94/9/EC и 99/92/EC, также известных как ATEX 95 и ATEX 137, в национальные постановления. Изготовители взрывозащищенных устройств должны единообразно маркировать эти устройства согласно категориям оборудования, показывая допустимую область применения, тогда как пользователь этих устройств обязан классифицировать потенциально взрывоопасные атмосферы на зоны в зависимости от вероятности возникновения огнеопасных атмосфер и характера горючего вещества:газов или паров (G) или пыли (D). 

 Например, II 2 GD – это типичная категория оборудования для устройств, которые могут использоваться в зоне 1 и зоне 2, а также в зоне 21 и 22, в то время как устройства, используемые в зоне 2, должны иметь маркировку по крайней мере II 3 G. В США взрывозащита регулируется нормами NEC 505, и соответствующая маркировка также указывает на область использования с помощью таких параметров, как Класс и Раздел. 

 В США предпочитают использовать устройства, в которых применяются либо взрывозащищенные, либо искробезопасные методы защиты. Стандарты взрывозащиты принимаются в большинстве стран Европы или Америки. 

 Недавно появилась тенденция к переходу на стандарты взрывозащиты IEC-Ex, которые основана на международных стандартах взрывозащиты IEC.

 

Рис. 5 Типичная маркировка газоизмерительной головки согл. 94/9/EC: прибор для зоны 1, 2, 21 и 22. 

Рис. 6 Типичная маркировка барьера безопасности или получившего аттестацию характеристик центрального контроллера 

с электрическими соединениями во взрывоопасной зоне (зона 1 или 2), но не для работы во взрывоопасной зоне. 

Рис. 7 Типичная маркировка взрывозащиты электрического устройства. 

Рис. 8 Маркировка устройства согл. IEC-Ex. Устройства, маркированные подобным образом, разрешено эксплуатировать в странах, 

не принадлежащих к Европейскому Экономическому Сообществу. 

Рис. 9 Обязательный предупреждающий знак для мест, где могут возникнуть взрывоопасные атмосферы (зон).

 Необходимо предусмотреть организационные меры. 

    В РФ маркировка взрывозащищенного оборудования регламентируется по ГОСТ Р МЭК 60079-0-2011. Данный стандарт гармонизирован с международным стандартом IEC 60079-0. 

  Опасные области уменьшаются: зона 1 становится зоной 2. В соответствии с директивой 99/92/EC (ATEX 137), оператор должен произвести оценку риска опасной области и классифицировать область на зоны в зависимости от вероятности возникновения потенциально взрывоопасных атмосфер. Он также должен разработать организационные меры предосторожности и подтвердить их соответствующим документом по обеспечению мер взрывобезопасности. В определенных зонах могут использоваться только соответствующие устройства. 

   Использование систем газовой сигнализации, надежно предотвращающих возникновение горючей атмосферы, уменьшает вероятность самого возникновения воспламеняемой среды. Следовательно, снижается вероятность ее возникновения в нормальном режиме, что определяется как зона 2. Другими словами, используя соответствующую систему газовой сигнализации, вы преобразуете область, соответствующую зоне 1, в область зоны 2, где можно применять менее сложное и гораздо более дешевое оборудование (например, лампы, машины, мобильные телефоны, вилочные подъемные приспособления и т.д.).

 Однако, важное требование заключается в том, чтобы меры противодействия, активированные системой обнаружения газа, адекватно предотвращали образование горючих концентраций. Это может не выполняться в непосредственной близости от места утечки газа, если газ вытекает быстрее, чем удаляется или разбавляется вентиляцией. Но, хотя ближайшая область вокруг утечки остается зоной 1, использование системы газовой сигнализации позволяет значительно уменьшить область зоны 1 – большое преимущество для клиента. 

 

 Только при калибровке контролируемым (измеряемым) газом газоизмерительная головка способна давать показания концентрации конкретного газа. Если необходимо обнаруживать несколько газов или паров, то измерительную головку необходимо калибровать газом, к которому она обладает наименьшей чувствительностью: процедура калибровки, выполненная должным образом, важна для обеспечения надежности систем обнаружения газов. 

Размещение датчиков 

См. также EN 50073, гл. 6.3 – Критерии для размещения датчиков и точек забора. 

Имеются три различных стратегии размещения датчиков: 

1. Точечный мониторинг. Потенциальные источники утечки (например, клапаны, заправочные штуцеры, фланцы, сильфоны)и места их установки хорошо известны. Следовательно, датчики можно разместить так, чтобы утечки газа обнаруживались очень рано и надежно. 

2. Мониторинг площади. Потенциальные источники утечки распределены по большой области и не локализованы (например, на складе опасных товаров). При этом сенсоры должны располагаться более или менее равномерно по всей области. 

3. Периферический мониторинг. Потенциальные источники утечки не локализованы и в области нет источников воспламенения. При этом датчики должны располагаться на внешней границе, чтобы контролировать концентрации опасного газа, распространяющегося в соседние области. 

  Кроме эксплуатационного опыта местных заводских инженеров в размещении датчиков см. также EN 50073 “Рекомендации по выбору, монтажу, использованию и техническому обслуживанию устройств для обнаружения и измерения горючих газов или кислорода”. Этот документ содержит много инструкций по надлежащему размещению детекторов газа. 

  Это может показаться тривиальным, но при проектировании системы газовой сигнализации необходимо помнить об одном: детектор газов может обнаруживать только газ, который находится в непосредственной близости, и который может проникнуть в элементы сенсора. Так, следует помнить, что пары горючих жидкостей всегда тяжелее воздуха. Они распространяются по полу, а не поднимаются вверх, и могут даже конденсироваться в других местах при понижении температуры. Кроме того, пары горючих жидкостей не могут образовать горючие концентрации при температуре окружающей среды ниже температуры вспышки. 

  Газоизмерительные головки для обнаружения горючих паров и тяжелых горючих газов (особенно пропана и бутана, принадлежащих к этой группе) должны размещаться там, где эти вещества могут накапливаться, как можно ближе к земле и/или под местом возможной утечки. 

С "лёгкими" газами всё наоборот. Обычно в нормальных условиях эти газы поднимаются вверх, и датчики следует размещать над местом возможной утечки. Всем хорошо известны три горючих газа, которые намного легче воздуха: водород, метан и аммиак. 

  Cистемы газовой сигнализации.  

   Как правило, системы газовой сигнализации включают взрывозащенные удаленные измерительные (газоизмерительные) головки, установленные во взрывоопасных зонах и блок   центрального контроллера,   установленный в безопасной зоне, который обрабатывает сигналы датчиков и активизирует тревоги и меры противодействия, а также световые и звуковые сигнальные устройства, которые также могут устанавливаться во взрывоопасных зонах. 

  Блок центрального контроллера установлен в невзрывоопасной зоне. С одной стороны, он подает необходимое напряжение питания на подключенные газоизмерительные головки, с другой – получает их измерительные сигналы и информацию о состоянии для обработки и индикации. 

 

 При превышении предварительно заданных порогов центральные контроллеры запускают тревоги. Для обеспечения высокой работоспособности центральные контроллеры часто оборудуют аварийным источником электропитания. Центральный контроллер может состоять из небольшого одноканального блока для подключения только одной измерительной головки, а может занимать целый шкаф со встроенными контроллерными стойками для установки большого количества вставных модулей (канальных модулей), подключенных к многим измерительным головкам, включая специализированные схемы генерации тревог. 

 Как правило, канальные модули снабжены несколькими реле с "сухими" контактами. В зависимости от режима включения реле (они могут быть нормально включенными или включаться в случае тревоги), сухие контакты можно настроить как НР (нормально разомкнутые = замыкаются при тревоге) или НЗ (нормально замкнутые – размыкаются при тревоге). 

  Для систем первичной защиты по крайней мере одно реле для тревоги по неисправности прибора должно быть включенным в нормальном режиме (отказоустойчивый принцип), чтобы можно было обнаружить отказ электропитания. Кроме того, для реле, имеющих функцию безопасности, рекомендуется также использовать отказоустойчивый режим (отключение в случае тревоги или отказа электропитания). Контакты реле – при необходимости для увеличения количества контактов можно установить дополнительные реле – можно использовать для активизации мер противодействия (включения/выключения вентиляции, открывания/закрывания вентиляционных заслонок, включения/выключения подачи газа, отключения оборудования, и т.д.) и для включения световых табло, чтобы информировать оператора о состояние тревог даже после отключения звукового сигнала тревоги. Отключение означает квитирование, и параллельно с автоматическими мерами при необходимости клиент должен принимать организационные меры. Кроме того, система газовой сигнализации часто снабжается выходами 4 – 20 мА (повторителями сигнала), например, для распечатки или визуализации текущих концентраций газов для документирования.