Detekcja gazów w przemyśle rafineryjnym, bazach paliw i stacjach benzynowych cz. 2/3

872

Część 2  dobór systemu detekcji gazów i oparów wybuchowych Dobór systemu detekcji. SENSORY Pomiary są tylko tak dobre jak sensor użyty do ich realizacji, a węglowodory ciężkie wymagają szczególnego podejścia do ich realizacji. Rynek oferuje 3 technologie pomiarowe gazów palnych: półprzewodnikową, katalityczną i podczerwoną. Ale nie każda z nich jest odpowiednia do zastosowań przemysłowych.

Sensory półprzewodnikowe działają na zasadzie zmiany przewodności elementu półprzewodnikowego (najczęściej ditlenku cyny SnO2) w kontakcie z gazem. Niestety półprzewodnik jest wrażliwy na zmiany temperatury, wilgotności i inne substancje. Brak liniowości powoduje, że nie nadaje się do funkcji pomiarowych. Stąd jego zastosowanie ograniczone jest do czystych pomieszczeń o stabilnej atmosferze z maksymalnie 1 gazem. Do warunków przemysłowych nie jest zalecany.

Najbardziej rozpowszechnioną technologią w przemyśle są sensory katalityczne. Ich działanie polega na spalaniu katalitycznym gazu palnego co powoduje wytworzenie ciepła i zmianę przewodności. Po porównaniu do sygnału kontrolnego, różnica między nimi stanowi pomiar. Technologia z zasady przeznaczona jest dla gazów palnych i tym samym jest najodpowiedniejsza do detekcji ciężkich węglowodorów lub rozpuszczalników jak aceton czy toluen. Zbliżony współczynnik odpowiedzi substancji składowych paliw  powoduje, że możliwy i często stosowany jest specjalistyczny detektor oparów benzyny. Występują także detektory acetonu lub toluenu.

Sensor podczerwony realizuje pomiar za pomocą wysyłania i odbierania światła podczerwonego o odpowiednim zakresie. Część widma zabierana przez gaz trafiający do sensora stanowi sygnał pomiarowy. Sensor IR jest najdroższym z rozwiązań, ale posiada kilka zalet jak np. odporność na przekroczenia zakresu lub praca w środowisku beztlenowym. Jego zastosowanie jest jednak także ograniczone do części gazów i dla ciężkich węglowodorów jest często niewskazane lub niemożliwe. Detektor podczerwony nie powinien być eksploatowany na zewnątrz w środowisku wilgotnym o temperaturach spadających poniżej zera (np. między płaszczami zbiornika, w nalewni czy w dystrybutorach) z powodu kondensacji pary wodnej i jej zamarzania w komorze sensora. Detektory podczerwone znajdą zastosowanie w detekcji propanu-butanu lub metanu, ale nie są w stanie wykrywać wodoru.

Charakterystyka infrastruktury związanej z paliwami wymaga zastosowania konkretnych rozwiązań i nie pozostawia szerokiego wyboru. Główną technologią detekcyjną jest sensor katalityczny. Przy detekcji CNG i LPG mamy możliwość zastosowania także sensorów podczerwonych natomiast sensor półprzewodnikowy raczej nie znajdzie zastosowania w tak wymagającym środowisku. 

GAZ SENSOR KATALITYCZNY SENSOR PODCZERWONY SENSOR PÓŁPRZEWODNIKOWY
opary benzyny ++
heksan ++
wodór ++
aceton ++
toluen ++
LPG ++ ++
CNG ++ ++

(tab.2 Zestawienie zalecanych sensorów w obiektach petrochemicznych. 

— nieodpowiedni  – niezalecany  + dopuszczalny  ++ zalecany)

Dla gazów toksycznych jak siarkowodór oraz dla tlenu wybór sensorów jest ograniczony do stabilnych i liniowych sensorów elektrochemicznych. Wysoka selektywność (brak reakcji wobec innych gazów) oraz czułość (rzędu dziesiątek ppm – parts per milion – części na milion) to główne zalety. Warto jednak pamiętać aby nie przekraczać zakresu temperatur ponieważ prowadzi to do nieodwracalnych uszkodzeń wewnątrz sensora.

Na koniec należy wspomnieć o samej eksploatacji. Standardem w dobrych systemach stało się wykorzystanie technologii wymiennych sensorów co znacznie ułatwia czynności serwisowe.

(Fot.2 Przykładowy cyfrowy detektor wodoru z wyświetlaczem.)

Wartym uwagi rozwiązaniem są także sensory wyniesione (czyli oddalone od bazy detektora na przewodzie). Umożliwia to zastosowanie wielu ułatwień montażowych zapewniających dostęp serwisowy do trudnych miejsc i uniknięcie kosztownych prac wysokościowych lub wynajmu podnośników, które często nie maja wystarczająco miejsca do manewrowania. Ciekawą opcją jest unikatowe rozwiązanie sensora z wpiętym na stałe wężykiem do podawania gazu z zewnątrz pomieszczenia. Rozwiązanie to jest przydatne dla pomieszczeń o ograniczonym dostępie (czystych, objętych strefą Ex lub wymagających czasochłonnego i kosztownego zatrzymania urządzeń).

(Rys.1 Przykładowe zastosowania sensorów wyniesionych.)

KOMUNIKACJA

Cyfrowa era komunikacji ogarnęła także systemy detekcji gazów odsyłając do lamusa analogowe odpowiedniki, w których trzeba było prowadzić przewód do każdego detektora osobno. Standardem stała się cyfrowa transmisja danych w standardzie RS485 umożliwiająca szybką i bezpieczną komunikację 4-żyłową magistralą. Główne zalety to mniejsza ilość przewodów, redukcja kosztów montażu, możliwość tworzenia rozproszonych systemów integrujących wiele lokalnych detektorów oraz nieporównywalnie większe możliwości konfiguracyjno-diagnostyczne w stosunku do systemów analogowych. W jednym systemie, na jednej linii mogą być podłączone adresowalne detektory, sterowniki urządzeń wykonawczych, a całość może być podłączona do systemu nadzorczego obiektu jak np. BMS (Building Management System) za pomocą protokołu RS485 Modbus RTU.

STEROWANIE

Celem każdej instalacji detekcji gazów jest ochrona ludzi i obiektu realizowana przez odpowiednio dobrane urządzenia jak wentylatory rozrzedzające lub wymieniające powietrze, zawory elektromagnetyczne odcinające dopływ czynnika czy sygnalizatory alarmujące osoby w pobliżu o zagrożeniu. Kluczem do prawidłowego zabezpieczenia jest takie ułożenie scenariusza zadziałania urządzeń aby z jednej strony szybko zredukować zagrożenie, a z drugiej uniknąć kosztownych i niepotrzebnych przestojów zakładu lub utraty wartościowego produktu. Starsze systemy dysponowały jedynie 2 progami alarmowymi bez rozróżnienia, który detektor zadziałał co powodowało, że nie zależnie gdzie był problem następowało natychmiastowe zatrzymanie wszelkich procesów i obsługa nie miała szans na reakcję. Stąd ilość progów to parametr o ogromnym znaczeniu dla prawidłowego scenariusza alarmowego. Im więcej progów mamy do dyspozycji tym lepiej możemy sterować urządzeniami i dać personelowi realną szansę na podejmowanie działań tak aby było bezpiecznie i nie dochodziło do strat i przestojów.

Drugim aspektem jest adresowalność czyli odpowiednia reakcja systemu w zależności od tego, który detektor zareagował. System ma uruchamiać urządzenia adekwatnie do pomieszczenia i problemu, a nie wszystko co ma podłączone niezależnie od tego, który detektor zaalarmował. Stąd programowalna konfiguracja stanowi obecnie podstawę systemów detekcji gazów na obiektach przemysłowych. To ta funkcja umożliwia, że detektor X przy progu alarmowym Y załączy wyjście Z. Oznacza to prawie dowolne zaprogramowanie systemu także w zakresie sterowania lokalnego i centralnego czyli detektor na niskim progu załącza wentylację tylko w danym pomieszczeniu, a na wysokim progu zamyka główny zawór dla całej grupy pomieszczeń. Zmieniające się dynamicznie zakłady praktycznie cały czas są w przebudowie. Oznacza to także wiele zmian w systemie detekcji. W systemie programowalnym to tylko kilka kliknięć i system zmienia się tak jak potrzebuje użytkownik.


(Rys.2 Przykładowy schemat cyfrowego systemu detekcji w rafinerii z podziałem na strefy, różne rodzaje gazów oraz z lokalnym sterowaniem urządzeniami wykonawczymi np. wentylacją lub zaworami odcinającymi)

STREFY ZAGROŻENIA WYBUCHEM

Rafinerie, bazy paliw czy nawet stacje benzynowe to w dużym stopniu obiekty objęte strefami zagrożenia wybuchem. Znaczenie ma zarówno kategoria strefy I – kopalnie, II – obiekty pozostałe,  grupa G – gazy, D – pyły, stopień, oraz podgrupa propan – A, siarkowodór to już grupa B, a wodór grupa C. Wybór detektora musi być oczywiście dopasowany do wyznaczonej strefy, ale kolejną kwestią będzie jego obsługa. Urządzeń nie można ot tak sobie rozbierać czy wymieniać w nich elementów i w wielu wypadkach trzeba wyłączać system. Tylko jak przeprowadzić kalibrację na wyłączonym detektorze? Dlatego w takich miejscach należy zastosować detektory z możliwością kalibracji bez otwierania obudowy. Zapewnia to bezpieczny i ekonomiczny serwis.

(Rys.3 Przykładowe strefy zagrożenia wybuchem dla nalewni. Detektory w takich miejscach powinny mieć stopień ochrony IP66 i być wyposażone w wyświetlacz dla obsługi oraz katalityczny sensor)

Rys.4 Przykładowe strefy zagrożenia wybuchem dla zbiornika.)

Bezpieczeństwo

Zabezpieczenie obiektu to oczywiście priorytet, który aby mógł być zrealizowany to urządzenia automatyki i zabezpieczeń same muszą być bezpieczne i zapewniać określony standard zachowań (funkcji informacyjnych). Określa się to za pomocą skali przemysłowego stopnia bezpieczeństwa SIL (Safety Integrity Level). Dla zakładów przemysłowych i petrochemicznych wymagany stopień to SIL2. Tym samym projektując system detekcji należy przewidzieć także urządzenia spełniające ten poziom.

 Parametry pomiarowe

Projektant systemu dobierając rozwiązania bezpieczeństwa obiektu definiuje m.in. wszystkie właściwości detektorów jak zakres pomiarowy czy progi alarmowe. Przykładowe właściwości i schematy sterujące (progi) staramy się przybliżyć w poniższym zestawieniu.

Zakresy pomiarowe i jednostki:

opary benzyny CXHX zakres 0-100%DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości)

(heksan C6H14) zakres 0-100%DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości)

wodór H2 zakres 0-100%DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości)

LPG CXHX zakres 0-100%DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości)

CNG CH4 zakres 0-100%DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości)

aceton C3H6O zakres 0-100%DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości)

toluen C7H8 zakres 0-100%DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości)

siarkowodór H2S zakres 0-50ppm (ppm – część na milion)

tlen O2 zakres 0-25%v/v (objętościowo)

Poziomy alarmowe (progi) stanowią wartości, które spowodują reakcję systemu odpowiednim wyjściem sterującym. Większa liczba progów umożliwia lepszą reakcję samego systemu jak i obsługi, która ma więcej czasu na reakcję adekwatną do zagrożenia. Współczesne 4 progowe systemy zapewniają lepsze stopniowanie reakcji niż stare systemy 2 progowe, redukując liczbę fałszywych alarmów wysokiego poziomu, zapewniając adekwatną informację obsłudze i lepsze dopasowanie reakcji urządzeń wykonawczych (szczególnie wentylacji, która wymaga czasu na wymianę powietrza). W większości wypadków nie należy bowiem dopuszczać do sytuacji, w której zadziałanie wentylacji jest jednocześnie informacją alarmową ponieważ nie daje to szansy wentylacji na redukcję stężenia. Zasadne jest natomiast powiadamianie operatora czy personelu nadzorującego, który może sprawdzić co się stało. Jednocześnie zbyt częste alarmy wysokiego stopnia prowadzą do ignorowania wskazań systemu co stanowi poważne zagrożenie i przyczynę wielu wypadków.

Schematy alarmowe różnią się w zależności od obiektu,  a nawet od pomieszczenia (inny schemat będzie obowiązywał dla przestrzeni międzypłaszczowej zbiorników, a inny dla pompowni). Rozwiązaniem jest wspomniana już adresowalność systemu i programowalna konfiguracja sterowania. Daje to projektantowi ogromną swobodę w projektowaniu rozwiązania systemowego dla obiektu.

 OBIEKTY TECHNOLOGICZNE RAFINERII ORAZ BAZ PALIW

Przykładowe schematy alarmowania detektorów (gazów) dla różnych pomieszczeń mogą być następujące:

 OPARY BENZYNY – OBIEKTY TECHNOLOGICZNE, POMPOWNIE

 0% DGW      – brak alarmu

10% DGW      – alarm poziomu 1  – załączenie I biegu wentylacji

20% DGW      – alarm poziomu 2  – załączenie II biegu wentylacji lub układu wymiany powietrza

                                                  – załączenie optycznego sygnału alarmowego

                                                  – powiadomienie operatora obiektu

30% DGW      – alarm poziomu 3  – załączenie akustycznego sygnału alarmowego

                                                  – powiadomienie wyznaczonych pracowników za pomocą  SMS

40% DGW      – alarm poziomu 4     – zabezpieczenie procesu

                                                    – (opcjonalnie) zamknięcie procesu

                                                    – (opcjonalnie) odłączenie zasilania obiektu

(HEKSAN) – OBIEKTY TECHNOLOGICZNE, POMPOWNIE

  0% DGW      – brak alarmu

10% DGW      – alarm poziomu 1      – załączenie I biegu wentylacji

20% DGW      – alarm poziomu 2      – załączenie II biegu wentylacji lub układu wymiany powietrza

                                                      – załączenie optycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie operatora obiektu

30% DGW      – alarm poziomu 3      – załączenie akustycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie wyznaczonych pracowników za pomocą  SMS

40% DGW      – alarm poziomu 4      – zabezpieczenie procesu

                                                      – (opcjonalnie) zamknięcie procesu

                                                      – (opcjonalnie) odłączenie zasilania obiektu

 WODÓR – OBIEKTY TECHNOLOGICZNE

 0% DGW      – brak alarmu

10% DGW      – alarm poziomu 1      – załączenie I biegu wentylacji

15% DGW      – alarm poziomu 2      – załączenie II biegu wentylacji lub układu wymiany powietrza

                                                      – załączenie optycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie operatora obiektu

20% DGW      – alarm poziomu 3      – załączenie akustycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie wyznaczonych pracowników za pomocą  SMS

30% DGW      – alarm poziomu 4      – zabezpieczenie procesu

                                                      – (opcjonalnie) zamknięcie procesu

                                                      – (opcjonalnie) odłączenie zasilania obiektu

WODÓR – ŁADOWALNIE AKUMULATORÓW

  0% DGW      – brak alarmu             – pracuje I bieg wentylacji (podstawowa wydajność)

10% DGW      – alarm poziomu 1      – załączenie II biegu wentylacji (maksymalna wydajność)

20% DGW      – alarm poziomu 2      – załączenie optycznego sygnału alarmowego

30% DGW      – alarm poziomu 3      – odłączenie prostowników

                                                              (nadal postępuje proces gazowania)

40% DGW      – alarm poziomu 4      – odłączenie zasilania obiektu oraz załączenie akustycznej sygnalizacji alarmowej.

 

ACETON – OBIEKTY TECHNOLOGICZNE

  0% DGW      – brak alarmu

10% DGW      – alarm poziomu 1      – załączenie I biegu wentylacji

20% DGW      – alarm poziomu 2      – załączenie II biegu wentylacji lub układu wymiany powietrza

                                                      – załączenie optycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie operatora obiektu

30% DGW      – alarm poziomu 3      – załączenie akustycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie wyznaczonych pracowników za pomocą SMS

40% DGW      – alarm poziomu 4      – zabezpieczenie procesu

                                                      – (opcjonalnie) zamknięcie procesu

                                                      – (opcjonalnie) odłączenie zasilania obiektu

TOLUEN – OBIEKTY TECHNOLOGICZNE

  0% DGW      – brak alarmu

10% DGW      – alarm poziomu 1      – załączenie I biegu wentylacji

20% DGW      – alarm poziomu 2      – załączenie II biegu wentylacji lub układu wymiany powietrza

                                                      – załączenie optycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie operatora obiektu

30% DGW      – alarm poziomu 3      – załączenie akustycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie wyznaczonych pracowników za pomocą SMS

40% DGW      – alarm poziomu 4      – zabezpieczenie procesu

                                                      – (opcjonalnie) zamknięcie procesu

                                                      – (opcjonalnie) odłączenie zasilania obiektu

Powyższy przykładowy schemat pokazuje niektóre ważne punkty. Najniższy poziom umożliwia zmniejszenie ilości fałszywych alarmów wywoływanych np. przez zanieczyszczenia powietrza mogące powodować reakcję detektorów. Kolejny (drugi) próg alarmowy to już próg ostrzegawczy. Powiadomienie operatora daje obsłudze możliwość reakcji i zweryfikowania przyczyn problemu. Poziom trzeci najczęściej stanowi ostrzeżenie dla osób znajdujących się w otoczeniu oraz  osób wyznaczonych (np. brygadzistów), o sytuacji potencjalnie niebezpiecznej. Dzięki rozgraniczeniu stref w systemie cyfrowym powiadamiane mogą być odpowiednie osoby (także w zakresie SMS).

Dodatkowo systemy stacjonarne powinny być wspierane systemami bezpieczeństwa pracowników samodzielnych tzw. systemami blackline (ang. czarna lina) czyli personalnymi urządzeniami bezpieczeństwa zawierającymi detektor wielogazowy, czujnik upadku, czujnik bezruchu, alarm SOS i cykliczne zgłoszenia pracowników. Tego typu urządzenia bezpieczeństwa zawierają lokalizatory oraz możliwość komunikacji głosowej GSM jak i powiadomień tekstowych, a nawet komunikacji Push-To-Talk (PTT) przez co są doskonałym uzupełnieniem wszystkich systemów bezpieczeństwa (m.in. gazowego, pożarowego). Operator może mieć bezpośredni podgląd czujników osobistych oraz może się komunikować bezpośrednio z ich użytkownikami. Czwarty (najwyższy) poziom czyli wysoki alarm z reguły jest sprzężony z funkcją zabezpieczającą obiektu jak np. zawór odcinający lub odłączenie zasilania, które z reguły oznaczają zatrzymanie procesu.

Wieloprogowa charakterystyka systemu umożliwia płynne sterowanie urządzeniami wykonawczymi (szczególnie przy zastosowaniu wentylacji wielostopniowej) oraz zapewnia prawidłowe reakcje personelu.

OPARY BENZYNY – PRZESTRZENIE MIĘDZYPŁASZCZOWE ZBIORNIKÓW

  0% DGW      – brak alarmu

10% DGW      – alarm poziomu 1      – powiadomienie operatora obiektu

20% DGW      – alarm poziomu 2      – załączenie optycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie wyznaczonych pracowników za pomocą SMS

30% DGW      – alarm poziomu 3      – załączenie akustycznego sygnału alarmowego

40% DGW      – alarm poziomu 4      – zabezpieczenie procesu

 (HEKSAN) – PRZESTRZENIE MIĘDZYPŁASZCZOWE ZBIORNIKÓW

  0% DGW      – brak alarmu

10% DGW      – alarm poziomu 1      – powiadomienie operatora obiektu

20% DGW      – alarm poziomu 2      – załączenie optycznego sygnału alarmowego

                                                      – powiadomienie wyznaczonych pracowników za pomocą  SMS

30% DGW      – alarm poziomu 3      – załączenie akustycznego sygnału alarmowego

40% DGW      – alarm poziomu 4      – zabezpieczenie procesu

 2-płaszczowe zbiorniki mogą mieć zainstalowany system detekcji umiejscowiony między płaszczami dopasowany do zastosowania zbiornika. Nieco inny jest jednak tryb alarmowania w stosunku do obiektów technologicznych ze względu na inny charakter obiektu i ewentualne zabezpieczenia. Jak pokazuje praktyka należy zwrócić uwagę na warunki pracy detektorów. Przestrzeń międzypłaszczowa nie jest osłonięta przez co urządzenia są narażone na warunki zewnętrzne i powinny być wyposażone w sensor katalityczny ze względu na kondensację pary wodnej i możliwe zamarzanie wnętrza komory sensora. W takich miejscach wymagany jest stopień ochrony IP66 stanowiący ochronę przez opadami atmosferycznymi i warunkami zewnętrznymi. Istotnym problemem jest brak odwodnienia przestrzeni podczas opadów co niejednokrotnie powodowało zalewanie detektorów. Cyfrowe systemy detekcji umożliwiają wpięcie lokalnego detektora zalania przez wejście 4-20mA co może zapewnić odpowiedni sygnał dla obsługi.

(Rys.5 Detektory w przestrzeni międzypłaszczowej zbiornika paliw płynnych.)

Informacje podane w artykule mają charakter poglądowy. P.T.SIGNAL oraz autor nie biorą odpowiedzialności za ich wykorzystywanie w jakikolwiek sposób w jakimkolwiek celu.

Źródło: Michał Domin, www.detektory.pl

Zapraszamy do przeczytania wszystkich części artykułu!

Część 1  Zagrożenia gazowe, regulacje prawne i rola systemu detekcji gazów

Już wkrótce!

Część 3  dobór systemu detekcji gazów toksycznych i tlenu, lokalizacja detektorów, sygnalizacja, wizualizacja, uruchomienie i przeglądy techniczne

 

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Wprowadź swój komentarz!
Wprowadź swoje imię