ST Ochrona przeciwwybuchowa SYSTEMY DETEKCJI GAZOWEJ

Transkrypt

1 ST Ochrona przeciwwybuchowa SYSTEMY DETEKCJI GAZOWEJ

2 02 Źródłem zagrożeń wybuchowych są głównie gazy i pary palne Zamiast unikania ich zapłonu przez zastosowanie środków ochrony przeciwwybuchowej, preferowana być może ich detekcja zanim staną się zapalne. ZAGROŻENIE WYBUCHEM CZAI SIĘ WSZĘDZIE Wszędzie, gdzie istnieją sytuacje zagrożenia wynikające z obecności gazów i par łatwopalnych, np. przy eksploracji złóż oraz magazynowaniu ropy i gazu, transporcie i magazynowaniu gazów oraz cieczy palnych, procesach wykorzystujących rozpuszczalniki lub przy przetwarzaniu tworzyw sztucznych, spotkać można zawsze środki ochrony przeciwwybuchowej zwykle regulowane prawnie utrzymujące bezpieczeństwo personelu i zakładu. W zależności od zastosowania istnieje możliwość wykorzystania różnych zasad pomiarowych do detekcji gazów i par dostępne są sensory katalityczne, detektory punktowe lub systemy podczerwone typu open-path. Gdy detektory używane są w połączeniu ze sterownikiem centralnym, takim jak Dräger REGARD, możliwa jest wczesna detekcja gazów i par palnych, gdy stężenia są na tyle niskie, iż pozwalają na niezawodne zażegnanie stanów niebezpiecznych ryzyka wybuchu. METODOLOGIA OCHRONY PRZECIWWYBUCHOWEJ Gazy i pary łatwopalne mogą zostać zapalone wyłącznie przez źródło zapłonu o wystarczająco wysokiej energii lub wystarczająco wysokiej temperaturze jeśli w warunkach atmosferycznych występują w wystarczająco wysokich stężeniach w mieszaninie z tlenem atmosferycznym. To stężenie mieszaniny nazywane jest DGW, tj. dolną granicą wybuchowości. Aby uzyskać zapłon, konieczne jest spełnienie trzech warunków: 1. Stężenie gazu palnego lub pary powyżej DGW. 2. Wystarczająco wysokie stężenie tlenu. 3. Wystarczająco wysoka temperatura lub wystarczająca energia źródła zapłonu. Patrząc z drugiej strony, zasada brzmi: jeśli nie zostanie spełniony jeden z tych trzech warunków, można zagwarantować, iż nie wystąpi zapłon lub wybuch. Tak więc środkami ochrony przeciwwybuchowej mogą być: 1. Ograniczanie stężeń. 2. Inertyzacja. 3. Użycie sprzętu Ex.

3 03 Powietrze/tlen w wystarczająco wysokim stężeniu Gaz/para w wystarczająco wysokim stężeniu (powyżej DGW) Źródło zapłonu np. iskra o wystarczającej energii lub wystarczająco wysokiej temperaturze ST Ochrona przeciwwybuchowa oznacza niezawodne wykluczenie przynajmniej jednego z trzech warunków wstępnych zapłonu. Najbezpieczniejszą metodą ograniczania stężeń jest usunięcie gazów i par palnych z procesu zwykle nie jest to jednak praktyczne. Tam, gdzie stosowane są gazy i pary palne, do ograniczania stężeń używane są zwykle systemy detekcji gazowej. Akceptowalne jest również przekroczenie przez gazy i pary palne poziomu DGW w zamkniętych procesach i utrzymanie stężenia tlenu wystarczająco nisko do kontrolowania ryzyka wybuchu (inertyzacja). Jeśli jednak powyższe środki nie są wystarczające, konieczne jest zaprojektowanie wszystkich używanych urządzeń elektrycznych zgodnie z pewnymi normami ochrony przeciwwybuchowej, tak aby nie stały się one źródłami zapłonu przy uwolnieniu gazów lub par palnych. Dalsze porady dotyczące tej metodologii znaleźć można w normie zharmonizowanej EN

4 04 Atmosfery niebezpieczne ST ST %DGW 20 %DGW 0 %DGW Zakres alarmowy 2 Zakres alarmowy 1 Zakres bezpieczny Aktywacja środków obowiązkowych (np. zatrzymanie) Aktywacja środków zaradczych (np. wentylacji) Progi alarmowe Jeśli wzrasta stężenie gazu, aktywacja środków zaradczych ma miejsce przy osiągnięciu zakresu alarmowego 1. Jeśli środek zaradczy jest skuteczny, stężenie gazu maleje (niebieski wykres). Jeśli jednak środek zaradczy nie jest skuteczny, stężenie nadal wzrasta (czerwony wykres). Przy osiągnięciu zakresu alarmowego 2, aktywowane są środki obowiązkowe. Prawidłowo zaprojektowane systemy detekcji gazowej rzadko lub nigdy nie osiągają zakresu alarmowego 2.

5 05 15,5 % obj. Amoniak Skala DGW Im niższe DGW, tym bardziej niebezpieczna substancja ponieważ łatwiej mogą tworzyć się stężenia zapalne. 15,0 % obj. 11,0 % obj. Tlenek węgla 10,5 % obj. 10,0 % obj. Kwas mrówkowy Zapobieganie potencjalnie wybuchowym atmosferom podstawowe środki ochrony przeciwwybuchowej. 9,5 % obj. 9,0 % obj. 8,5 % obj. 1,2-Dichloroeten Bromometan 8,0 % obj. 1,1,1-Trichloroetan PONIŻEJ DGW BRAK ZAGROŻENIA WYBUCHEM Ograniczanie stężeń (1) i inertyzacja (2) nazywane są także środkami podstawowymi, ponieważ zapobiegają tworzeniu stężeń zapalnych. Natomiast zastosowanie urządzeń w wykonaniu przeciwwybuchowym (3) określane jest mianem środka wtórnego, gdyż nie zapobiega tworzeniu stężeń zapalnych, lecz jedynie ich zapłonowi. 7,5 % obj. 7,0 % obj. 6,5 % obj. 6,0% obj. Chlorometan Chlorek acetylu Formaldehyd 1,1-Dichloroeten 1,2-Dichloroetan Metanol Ograniczanie stężeń oznacza aktywne rozcieńczanie, np. przez automatyczne wentylowanie strefy zagrożenia świeżym powietrzem jeśli stężenie wzrasta powyżej progu 20% DGW. Jeśli w wyniku nieskuteczności środka zaradczego stężenie nadal wzrasta, konieczne jest wyłączenie urządzeń i sprzętu niezabezpieczonych przed wybuchem. Systemy detekcji gazowej używane w tym celu muszą posiadać dopuszczenia typu jednostki notyfikowanej w odniesieniu do ich zgodności z normami europejskimi (dawnej wg EN 50054ff lub EN 61779, aktualnie wg EN ). Dotyczy to zarówno sensora i przetwornika pomiarowego, jak również centralnej jednostki sterującej. Ponieważ inertyzacja jest zapobiegawczym środkiem ochrony przeciwwybuchowej, sprzęt do pomiarów tlenu sterujący procesem inertyzacji musi również posiadać dopuszczenia typu dla takiego zastosowania na terenie Europy i spełniać odpowiednie normy zharmonizowane (np. EN ). ST ,5 % obj. 5,0 % obj. 4,5 % obj. 4,0 % obj. 3,5 % obj. 3,0 % obj. 2,5 % obj. 2,0 % obj. 1,5 % obj. 1,0 % obj. 0,5 % obj. 1,1-Dichloroetan Cyjanowodór Metyloamina Hydrazyna Metan Wodór Chlorek winylu Etyloamina Etanol Acetonitryl Akrylonitryl Eter dimetylowy Etylen Dimetyloformamid Izopropanol Propan Izobutan n-butan Octan n-butylu n-heksan n-oktan n-nonan n-dekan

6 06 ST Istotne dla bezpieczeństwa dane gazów i par palnych. DOLNA GRANICA WYBUCHOWOŚCI DGW Substancje palne posiadają dolne stężenie wymagane do zapłonu. Poniżej takiej wartości granicznej mieszanina danej substancji z powietrzem nie może ulec zapłonowi z powodu niedoboru paliwa. Ta właśnie wartość graniczna nazywana jest dolną granicą wybuchowości lub DGW. DGW nie może zostać obliczone to wartość określana empirycznie z użyciem metod znormalizowanych. Z pewnymi wyjątkami wartość DGW leży pomiędzy 0,5 i 15% obj. GAZY I DGW Materia powyżej swojej temperatury wrzenia jest zwykle nazywana gazem. Ciśnienie czystego, skroplonego gazu jest zawsze wyższe do ciśnienia atmosferycznego i uwolnione gazy mogą bardzo szybko osiągnąć stężenia powyżej DGW tworzące niebezpieczne, zapalne mieszaniny gaz/powietrze. PARY CIECZY PALNYCH I TEMPERATURA ZAPŁONU Materia poniżej swojej temperatury wrzenia jest nie tylko gazowa, lecz istnieje w stanie równowagi ze swoją cieczą (i także swoją fazą stałą) zależnej od temperatury. Część gazowa nazywana jest wtedy parą. Ciśnienie pary jest zawsze niższe od ciśnienia atmosferycznego i w zależności od temperatury cieczy możliwe jest utworzenie tylko pewnych określonych, maksymalnych stężeń. W szczególności zaś maksymalne ciśnienie par cieczy palnej może być tak niskie, że przekroczenie stężenia DGW możliwe będzie wyłącznie przy określonej temperaturze. Tylko powyżej tej pewnej temperatury para cieczy palnej staje się zapalna. Taka empiryczna i określona z użyciem znormalizowanych metod temperatura nazywana jest temperaturą zapłonu i stanowi istotną dla bezpieczeństwa wartość umożliwiającą ocenę zagrożenia ze strony cieczy palnych. Przykład: temperaturą zapłonu czystego etanolu jest 12 C (zaś etanol jest palny przy 20 C), a temperatura zapłonu n-butanolu to 35 C tak więc pary n-butanolu nie mogą ulec zapłonowi przy temperaturze otaczającej 20 C, lecz mogą powyżej 35 C. I rzeczywiście: za podstawowy środek ochrony przeciwwybuchowej uważane jest utrzymywanie temperatury cieczy palnej kilka stopni poniżej temperatury zapłonu! TEMPERATURA ZAPŁONU I MINIMALNA ENERGIA ZAPŁONU Iskry i łuki wytwarzane elektrycznie (lub mechanicznie) oraz gorące powierzchnie są najlepiej znanymi z 13 różnych źródeł zapłonu. Aby zapalić mieszaniny gazów lub par palnych z powietrzem, źródło zapłonu musi posiadać temperaturę wyższą od empirycznej temperatury zapłonu lub iskry posiadać muszą energię wyższą od empirycznej, minimalnej energii zapłonu. Obie charakterystyki, tj. temperatura zapłonu i energia zapłonu, określane są z użyciem znormalizowanych metod i stanowią istotny czynnik przy projektowaniu oraz wyborze urządzeń w wykonaniu przeciwwybuchowym.

7 07 STL LISTA ISTOTNYCH DLA BEZPIECZEŃSTWA PARAMETRÓW WYBRANYCH GAZÓW I PAR PALNYCH 80 C 70 C 60 C 50 C 40 C 30 C 20 C 10 C 0 C 10 C 20 C 30 C Nitrobenzen Metylopyrolidon Tetrahydronaftalen Dimetyloacetamid Cykloheksanol Dimetyloformamid Trimetylobenzen Glikol etylenowy n-butanol Nonan Chlorobenzen Etylobenzen Octan i-butylu Etanol Metanol Toluen Acetonitryl Octan etylu Metyloetyloketon Cykloheksan Heksan Alliloamina Skala temperatur zapłonu Im niższa temperatura zapłonu, tym bardziej niebezpieczna i zapalna ciecz. Temperatura Ciśnienie Temperatura Gaz / Para DGW % obj. DGW g/m 3 zapłonu* pary* samozapłonu Aceton 2,5 60,6 < 20 C 246mbar 535 C Acetylen 2,3 24,9 Gaz Gaz 305 C Akrylonitryl 2,8 61,9-5 C 117mbar 480 C Amoniak 15,4 109,1 Gaz Gaz 630 C Benzen 1,2 39,1 11 C 100mbar 655 C 1,3-Butadien 1,4 31,6 Gaz Gaz 415 C i-butan 1,5 36,3 Gaz Gaz 460 C n-butan 1,4 33,9 Gaz Gaz 365 C n-butanol 1,7 52,5 35 C 7mbar 325 C n-buten 1,2 28,1 Gaz Gaz 360 C Chlorobenzen 1,3 61,0 28 C 12mbar 590 C Chlorometan 7,6 159,9 Gaz Gaz 625 C Cykloheksan 1,0 35,1 18 C 104mbar 260 C Cyklopentan 1,4 40,9 51 C 346mbar 320 C 1,4-Dioksan 1,9 69,7 11 C 38mbar 375 C Epichlorohydryna 2,3 88,6 28 C 16mbar 385 C Etanol 3,1 59,5 12 C 58mbar 400 C Eter dietylowy 1,7 52,5 40 C 586mbar 175 C Eter dimetylowy 2,7 51,9 Gaz Gaz 240 C Etylen 2,4 28,1 Gaz Gaz 440 C Etylobenzen 1,0 44,3 23 C 10mbar 430 C i-propanol 2,0 50,1 12 C 43mbar 425 C Metakrylan metylu 1,7 70,9 10 C 40mbar 430 C Metan 4,4 29,3 Gaz Gaz 595 C Metanol 6,0 80,0 9 C 129mbar 440 C Metyloetyloketon 1,5 45,1 10 C 105mbar 475 C n-heksan 1,0 35,9 22 C 160mbar 240 C n-nonan 0,7 37,4 31 C 5mbar 205 C n-oktan 0,8 38,1 12 C 14mbar 205 C n-pentan 1,4 42,1 40 C 562mbar 260 C Octan etylu 2,0 73,4 4 C 98mbar 470 C Octan n-butylu 1,2 58,1 27 C 11mbar 390 C Propan 1,7 31,2 Gaz Gaz 470 C Propylen 1,8 31,6 Gaz Gaz 485 C Styren 1,0 43,4 32 C 7mbar 490 C Tlenek etylenu 2,6 47,8 Gaz Gaz 435 C Toluen 1,1 42,2 6 C 29mbar 535 C Wodór 4,0 3,3 Gaz Gaz 560 C * Temperatura zapłonu określana tylko dla cieczy, podawanie ciśnienia pary przy 20 C ma sens tylko dla cieczy

8 08 ST Unikanie efektywnych źródeł zapłonu wtórna ochrona przeciwwybuchowa Bez źródła zapłonu nie istnieje niebezpieczeństwo wybuchu. Jeśli nie można bezpiecznie zażegnać lub skutecznie zapobiec (np. przez użycie systemów detekcji gazowej) utworzeniu atmosfer zapalnych, sprzęt elektryczny użyty w danej strefie nie może stać się źródłem zapłonu: konieczne jest takie jego zaprojektowanie, aby jego użycie nie powodowało zapłonu atmosfer łatwopalnych. TYPY OCHRONY W detekcji gazowej stosowane są cztery z siedmiu znormalizowanych typów ochrony: ognioszczelność (d), iskrobezpieczność (i), hermetyzacja (m) oraz wzmocnienie budowy (e). Hermetyzacja zapobiega gorącym powierzchniom i iskrom mechanicznie, natomiast w urządzeniach iskrobezpiecznych stosowane jest ograniczenie mocy elektrycznej. Ogólnie w osłonach ognioszczelnych dopuszczalne są wybuchy wewnętrzne są one jednak zaprojektowane tak, aby były odporne na ciśnienie wybuchu i niezawodnie zapobiegały przeskokom. Wzmocnienie budowy jest ograniczone do urządzeń pasywnych, takich jak skrzynki przyłączeniowe, zaciskowe i dławiki kablowe, które posiadają budowę znacznie redukującą ryzyko utworzenia gorących powierzchni lub iskier. Urządzenia i sprzęt w wykonaniu przeciwwybuchowym muszą posiadać dopuszczenia typu i certyfikację jednostki notyfikowanej. OCHRONA EX JEST WYMOGIEM PRAWNYM Ochrona przeciwwybuchowa stała się wymogiem prawnym poprzez przekształcenie dyrektyw UE 94/9/WE i 99/92/WE, znanych także jako ATEX 95 i ATEX 137, w rozporządzenia krajowe. Producenci urządzeń w wykonaniu przeciwwybuchowym muszą oznaczać swoje urządzenia jednolicie według kategorii urządzenia wskazującej dozwolony zakres zastosowań, natomiast użytkownicy takich urządzeń zobowiązani są do klasyfikacji miejsc z potencjalnie wybuchowymi atmosferami na strefy w zależności od prawdopodobieństwa wystąpienia atmosfer palnych i charakterystyki substancji palnej: gazów lub par (G) oraz pyłów (D). Przykład: II 2 GD to typowa kategoria dla urządzeń, które mogą zostać zastosowane w strefie 1 i strefie 2, jak również w strefie 21 i 22, podczas gdy urządzenia używane w strefie 2 posiadać muszą oznakowanie przynajmniej II 3 G. W USA ochrona przeciwwybuchowa regulowana jest normą NEC 505, zaś stosowne oznakowanie sugeruje także wskazówki dotyczące zastosowania z użyciem terminów klasa i dział. W USA preferowane są urządzenia wykorzystujące do ochrony ognioszczelność lub iskrobezpieczność. Większość krajów uznaje europejskie lub amerykańskie normy ochrony przeciwwybuchowej. W ostatnich latach zauważalna jest tendencja zmierzająca w stronę norm ochrony IEC-Ex opartych na normach ochrony przeciwwybuchowej IEC. Sprzęt detekcji gazowej Dräger spełnia wymagania ochrony przeciwwybuchowej CENELEC (ATEX, Europa), UL (USA), CSA (Kanada) i IEC-Ex (ogólnoświatowe).

9 ST Kategoria urządzenia II 2 GD Dopuszczenia typu wg 94/9/WE KLASY TEMPERATUROWE I GRUPY WYBUCHOWOŚCI ORAZ TYPOWE GAZY I PARY Klasa temperaturowa i maks. dozwolona temp. powierzchni T1 450 C T2 300 C T3 200 C T4 135 C T5 100 C T6 85 C Grupa wybuchowości IIA energia zapłonu > 0,18 mj Aceton, amoniak, benzen, octan etylu, metan, metanol, propan, toluen Octan i-amylu, n-butan, n-butanol, 1-buten, Octan propylu, i-propanol, chlorek winylu Alkohol amylowy, olej opałowy, benzyny, olej napędowy, n-heksan Aldehyd octowy IIB IIC Kategoria urządzenia energia zapłonu 0,06 do 0,18 mj energia zapłonu < 0,06 mj Kategoria urządzenia Cyjanowodór, gaz miejski Wodór II 2 GD 1,3-Butadien, 1,4-dioksan, etylen, tlenek etylenu Dopuszczenia typu wg 94/9/WE Eter dimetylowy, glikol etylowy, siarkowodór Eter dietylowy Kategoria urządzenia Kategoria urządzenia II (2) G AcetylenDopuszczenia typu wg 94/9/WE Klasa temperaturowa Grupa wybuchowości Typ ochrony II (2) G Dwusiarczek węgla Ex dem IIC T4 Przykład: jeśli potencjalnie wybuchowa atmosfera spowodowana jest dwusiarczkiem węgla, urządzenie elektryczne jest odpowiednie do użycia w takiej atmosferze tylko, jeśli zostało oznakowane IIC i T6, natomiast dla atmosfer z n-heksanem wystarczająco chronione są urządzenia elektryczne z oznakowaniem IIA T3. II 2 GD Dopuszczenia typu wg 94/9/WE Ochrona przeciwwybuchowa Dopuszczenia typu wg 94/9/WE Klasa temperaturowa Kategoria urządzenia Kategoria urządzenia II 2 GD II (2) G Dopuszczenia typu wg 94/9/WE Dopuszczenia typu wg 94/9/WE Typowe oznakowanie przetwornika do detekcji gazowej wg 94/9/WE: urządzenie Kategoria dla strefy 1, 2, 21 i 22. urządzenia II (2) G Dopuszczenia typu wg 94/9/WE Typowe oznakowanie dla bariery bezpieczeństwa lub dopuszczonego sterownika centralnego z połączeniami elektrycznymi do strefy Klasazagrożenia temperaturowa (strefy 1 lubgrupa 2) niezainstalowanego wybuchowości ochrony w strefietypzagrożenia. Ex dem IIC T4 Ochrona przeciwwybuchowa Klasa temperaturowa Grupa wybuchowości Grupa wybuchowości Typ ochrony Ex dem IIC T4 Ochrona przeciwwybuchowa Typowe oznakowanie ochrony przeciwwybuchowej sprzętu elektrycznego (np. przetwornika Klasagazowej) temperaturowa do detekcji Grupa wybuchowości Typ ochrony Ex ib IIC T4 Ochrona przeciwwybuchowa Klasa temperaturowa Grupa wybuchowości Typ ochrony Ex ib IIC T4 Ochrona przeciwwybuchowa Oznakowanie urządzenia wg IEC-Ex. Urządzenia oznakowane w ten sposób używać można tylko w krajach nienależących do Wspólnoty Europejskiej.

10 10 ST ST Obowiązkowy znak ostrzegawczy Obowiązkowy znak ostrzegawczy dla miejsc, gdzie wystąpić mogą atmosfery wybuchowe (strefy). Należy stosować środki organizacyjne.

11 11 Obszary zagrożenia Zastosowanie systemów detekcji gazowej redukuje prawdopodobieństwo utworzenia atmosfer wybuchowych Kurczą się obszary zagrożenia: strefa 1 staje się strefą 2. Według dyrektywy 99/92/WE (ATEX 137) użytkownik musi przeprowadzić ocenę ryzyka obszaru zagrożenia i sklasyfikować tenże obszar na strefy w zależności od prawdopodobieństwa wystąpienia potencjalnie wybuchowych atmosfer. Konieczne jest także wdrożenie organizacyjnych środków bezpieczeństwa i odpowiednie udowodnienie tego faktu za pomocą dokumentacji ochrony przeciwwybuchowej. W pewnych strefach możliwe jest użycie wyłącznie odpowiednich do tego urządzeń. Zastosowanie systemów detekcji gazowej niezawodnie zapobiegających wystąpieniu atmosfer zapalnych redukuje prawdopodobieństwo wystąpienia atmosfer łatwopalnych ich pojawienie się nie jest dłużej prawdopodobne podczas normalnej pracy, co określane jest jako strefa 2. Innymi słowy: za pomocą odpowiedniego systemu detekcji gazowej strefa 1 zamienia się w strefę 2, gdzie możliwe jest użycie urządzeń o mniej skomplikowanej budowie i zwykle także tańszych (np. lampy, maszyny, telefony przenośne, podnośniki, etc.). Ważnym wymogiem jest jednak, aby środki zaradcze aktywowane przez system detekcji gazowej należycie zapobiegały utworzeniu stężeń łatwopalnych. Może się tak nie dziać w bezpośrednim sąsiedztwie wycieku gazu, jeśli gaz uwalniany jest szybciej niż usuwany lub rozcieńczany przez wentylację. Choć więc obszar najbliższy wycieku nadal jest strefą 1, dzięki zastosowaniu systemu detekcji gazowej obszar strefy 1 kurczy się drastycznie, co stanowi wielką zaletę dla klienta. DEFINICJE STREF WG DYREKTYWY 99/92/WE Miejsca niebezpieczne sklasyfikowane na strefy na podstawie Wymagania minimalne Strefa częstotliwości i czasu występowania atmosfer wybuchowych dla kategorii urządzenia Gazy 0 Miejsce, gdzie atmosfera wybuchowa składająca się z mieszaniny powietrza II 1G z substancjami palnymi w postaci gazu, par lub mgły jest obecna stale, przez długie okresy lub często. 1 Miejsce, gdzie podczas normalnej pracy prawdopodobne jest wystąpienie II 2G atmosfery wybuchowej składającej się z mieszaniny powietrza z substancjami palnymi w postaci gazu, par lub mgły. 2 Miejsce, gdzie podczas normalnej pracy nie jest prawdopodobne wystąpienie atmosfery II 3G wybuchowej składającej się z mieszaniny powietrza z substancjami palnymi w postaci gazu, pary lub mgły, zaś w wypadku wystąpienia okres jej utrzymania będzie krótki. Pyły 20 Miejsce, gdzie atmosfera wybuchowa w postaci chmury pyłów palnych w II 1D powietrzu jest stale obecna, obecna przez długie okresy lub często. 21 Miejsce, gdzie podczas normalnej pracy czasami możliwe jest wystąpienie II 2D atmosfery wybuchowej w postaci chmury pyłów palnych w powietrzu. 22 Miejsce, gdzie podczas normalnej pracy nie jest prawdopodobne wystąpienie II 3D atmosfery wybuchowej w postaci chmury pyłów palnych w powietrzu, zaś w wypadku wystąpienia okres jej utrzymania będzie krótki. Przykład: jeśli urządzenie ma zostać użyte w strefie 21, stosownym oznakowaniem musi być przynajmniej II 2D.

12 12 Użycie systemów detekcji gazowej Sprawdzone od dziesięcioleci w detekcji gazowej: sensory pellistorowe i podczerwone. SENSORY PELLISTOROWE Sensor pellistorowy (lub sensor katalityczny) to stosunkowo niekosztowny sensor ognioszczelny, którego zasada pomiarowa oparta jest na reakcji chemicznej z tlenem i tym samym wymaga przynajmniej 12% obj. Sensor pellistorowy nie dostarcza odczytu bez tlenu - jednak w wypadku niedoboru tlenu brak także zagrożenia wybuchem. Sensor pellistorowy umożliwia przeprowadzenie pomiarów wielu gazów i par, jednak z różnymi czułościami. Jeśli czułość na daną substancję jest zbyt niska, sensor może nie zapewniać właściwej zasady pomiarowej dla niezawodnego systemu detekcji gazowej. W takim wypadku lepsze może okazać się zastosowanie sensorów podczerwonych. Katalityczna zasada pomiarowa Zasada ciepła reakcji oparta jest na fakcie zachodzenia bezpłomieniowej reakcji utleniania gazów i par łatwopalnych poniżej stężenia DGW w obecności tlenu atmosferycznego i odpowiedniego gorącego katalizatora. Dodatkowe wyzwolone ciepło reakcji jest miarą stężenia gazu. ST Pellistor aktywny (rysunek przedstawia element przecięty) Przenikające cząsteczki metanu reagują przy pomocy ogrzanego materiału katalitycznego z tlenem atmosferycznym i tworzą parę wodną oraz dwutlenek węgla. Uwolnione ciepło reakcji powoduje mierzalny wzrost oporności osadzonej cewki platynowej. Sensor pellistorowy mieści dwa małe elementy pomiarowe nazywane pellistorami (termin powstały z połączenia wyrazów pellet i resistor ) używanych jako precyzyjne, zależne od temperatury rezystory pomiarowe. Oba pellistory wykonane są z bardzo porowatego materiału ceramicznego z osadzonymi cewkami z drutu platynowego. Pellistor aktywny zawiera ponadto materiał katalityczny. Przy pomocy prądu elektrycznego ok. 270 ma cewka platynowa ogrzewa element ceramiczny do ok. 450 C, jednocześnie pełniąc rolę rezystora pomiarowego

13 13 ST ST zależnego od temperatury elementu ceramicznego. Przenikające do elementu katalitycznego cząsteczki gazu palnego reagują z aktywowanym tlenem atmosferycznym absorbowanym przez materiał ceramiczny, zaś wynikające ciepło reakcji zwiększa temperaturę pellistora, np. o około 2 C dla 10% DGW oktanu. Powstałe zwiększenie oporności pellistora mierzące kilka miliomów jest proporcjonalne do stężenia gazu. Warunki środowiskowe Wzrost temperatury zależny od stężenia gazu może być jednak użyty jako sygnał pomiarowy tylko przy kompensacji czasami znacznie większych zmian temperatury otaczającej. Przeprowadzane jest to z użyciem drugiego pellistora, który w odróżnieniu od opisanego nie zawiera materiału katalitycznego i tym samym mierzy tylko temperaturę otaczającą. Stanowiący część mostka Wheatsone a pellistor pasywny kompensuje wpływy środowiskowe, szczególnie temperatury otaczającej. Aby uzyskać zoptymalizowane zachowanie oba pellistory muszą być jak najlepiej dopasowane do ich parametru pomiarowego i są odpowiednio dobierane parami podczas produkcji. Odporność na zatrucia Dräger produkuje od dziesięcioleci odporne na zatrucia pellistory typu PR. Dzięki specjalnej budowie sensory tego typu posiadają dłuższy okres eksploatacji w porównaniu z konwencjonalnymi sensorami przy narażeniu na atmosfery przemysłowe zawierające trucizny katalizatorów, takie jak związki siarki, fosforu, ołowiu i krzemu. SENSORY PODCZERWONE W odróżnieniu od sensorów katalitycznych, sensory podczerwone wykorzystujące czysto fizyczną zasadę pomiarową nie są podatne na zatrucia i nie polegają na obecności tlenu do przeprowadzania pomiarów. Dzięki szczelnym oknom optycznym, sensory podczerwone są oddzielone od wykrywanego gazu. Sensory podczerwone mogą jednak posiadać skrajnie różne czułości na gazy i pary, zaś niektórych substancji łatwopalnych, takich jak chlorek winylu lub acetonitryl, nie można wbrew oczekiwaniom wcale wykryć. Laboratorium zastosowań Dräger posiada duże doświadczenie i opracowało dane czułości ponad 300 różnych gazów i par dla różnych przetworników pomiarowych IR. Pomiary w podczerwieni oparte są na fakcie, iż cząsteczki gazów i par palnych poza kilkoma wyjątkami (np. H 2, NH 3, CO, CS 2, HCN, H 2 S oraz wodorki) to głównie węglowodory, których wiązanie CH można pobudzić do wibracji pewnymi długościami fal (częstotliwościami) widma IR, co powoduje absorpcję energii. Jeśli promieniowanie IR kierowane jest do systemu optycznego wypełnionego gazem absorbującym promieniowanie IR, możliwa będzie detekcja zwiększenia absorpcji w pewnym zakresie długości fal, gdyż zwykłe powietrze nie pochłania promieniowania IR. Generowanie stabilnego widma promieniowania bliskiej podczerwieni realizowanie jest z łatwością z użyciem lamp jarzeniowych działających pod niskim napięciem, zaś budowa specyficznego dla długości fal detektora pomiarowego IR jest bardziej skom-

14 14 plikowana: kryształy piroelektyrczne zabudowane filtrem interferencji optycznych wytwarzają niewielkie zmiany napięcia zależne od intensywności przy wystawieniu na działanie promieniowania pulsacyjnego. Wynikające zmiany napięcie są wzmacniane, linearyzowane i na koniec konwertowane na sygnał 4-20 ma proporcjonalny do stężenia gazu. Mierzalna intensywność promieniowania IR jest redukowana nie tylko przez gaz intensywność jest także tłumiona przez zabrudzenie systemu optycznego pyłami lub błotem. Ich wpływ kompensowany jest drugim detektorem pomiarowym promieniowania IR (referencyjnym) otrzymującym informacje optyczne z dzielnika wiązki i wykrywającym intensywność promieniowania w zakresie długości fal, w którym gazy łatwopalne nie pochłaniają promieniowania IR. Jeśli zarówno detektor pomiarowy, jak i detektor referencyjny wskazują znaczną absorpcję promieniowania IR, nie będzie to spowodowane gazem, lecz np. zapylonymi reflektorami. Dzięki takiej kompensacji sygnał sensora staje się odporny na zabrudzenia, jak również umożliwia dodatkowe generowanie sygnału blokady wiązki lub konserwacyjnego przy pewnym stopniu zabrudzenia. W wypadku Dräger PIR 7000 możliwe zmiany detektorów IR są również kompensowane drugim źródłem promieniowania IR ( 4-wiązkowa metoda kompensacji ). ST ST ST ST Przetwornik pomiarowy IR Fakt, iż w normalnych warunkach (brak gazu absorbującego promieniowanie IR) występuje wysoki sygnał pomiarowy, umożliwia implementację procesu diagnostyki: głowica IR potrafi wykryć np. awarię źródła promieniowania IR lub blokadę systemu optycznego. Przetwornik jest fail-safe w kontekście normy IEC/EN i tym samym odpowiedni do użycia w łańcuchach bezpieczeństwa SIL-2. Filtrowanie i mierzenie intensywności dotyczy tylko zielonej części promieniowania świetlnego. Jeśli gaz pochłania zieloną część promieniowania świetlnego, intensywność jest mierzalnie zredukowana. Im większy system optyczny, tym więcej cząsteczek gazu i wyższa absorpcja promieniowania IR. Dzięki zastosowaniu większych systemów optycznych możliwe jest osiągnięcie niższych zakresów pomiarowych, np. 10% DGW w celu detekcji wycieków na wczesnych etapach.

15 15 ST %DGW Propan Aceton 70 n-heksan 60 Octan etylu n-oktan 50 Toluen 40 n-nonan Metan Wodór Etylen n-pentan %DGW Sensor pellistorowy Różne czułości sensora pellistorowego kalibrowanego na propan (wykres): 50% DGW n-nonanu daje wartość pomiarową 23% DGW propanu, zaś 50% DGW etylenu daje wartość pomiarową 62% DGW. D Wyświetlona wartość pomiarowa w %DGW PIR 7000 typ 334 czułości skrośne na propan (DGW=1,70) IEC %DGW PL-V Stężenie substancji do wykrycia w %DGW %DGW 1: Propan (DGW=1,70) 6: n-pentan (DGW=1,10) 2: Metanol (DGW=6,00) 7: n-nonan (DGW=0,70) 3: Tlenek etylenu (DGW=2,60) 8: Etylen (DGW=2,30) 4: Chlorometan (DGW=7,60) 9: Chlorobenzen (DGW=1,30) 5: Octan etylu (DGW=2,00) Sensor podczerwony Różne czułości sensora podczerwonego kalibrowanego na propan (Dräger Polytron IR Ex, wykres): 50% DGW octanu etylu daje wartość pomiarową tylko 22% DGW propanu, zaś 50% DGW metanolu daje wartość pomiarową 76% DGW. Kalibrowany na propan IR Ex jest stosunkowo mało czuły na metan. Detekcja wodoru z użyciem techniki IR jest niemożliwa. Tylko prawidłowa kalibracja i właściwe umiejscowienie sensora gwarantują niezawodność systemu detekcji gazowej KALIBRACJA Tylko kalibracja gazem docelowym (tj. gazem, który ma być wykrywany) przetwornika pomiarowego umożliwia uzyskanie odczytów poszczególnych stężeń gazowych. Jeśli wykrywanych ma być kilka gazów lub par, przetwornik pomiarowy należy skalibrować na substancję, na którą jest on najmniej czuły. Prawidłowo przeprowadzona procedura kalibracji jest niezbędna dla niezawodności systemu detekcji gazowej. UMIEJSCOWIENIE SENSORÓW Patrz także: IEC/EN , rozdział 8 Kryteria rozmieszczania sensorów i punktów próbkowania. Istnieją trzy różne strategie rozmieszczania sensorów: 1. Monitorowanie punktowe: potencjalne źródła wycieków (np. zawory, dysze napełniające, kryzy, miechy) są znane i możliwe do zlokalizowania. Sensory można rozmieścić w taki sposób, aby wycieki były wykrywane wcześnie i niezawodnie. 2. Monitorowanie strefowe: potencjalne źródła wycieku są rozłożone na dużym obszarze i nie jest możliwe ich zlokalizowanie (np. w magazynach towarów niebezpiecznych). Konieczne jest więc rozmieszczenie sensorów w równych odstępach na całym obszarze. 3. Monitorowanie ogrodzeniowe: nie można zlokalizować potencjalnych źródeł wycieku i brak źródeł zapłonu na danym obszarze. Sensory należy więc rozmieścić na granicy zewnętrznej w celu monitorowania przekraczania stężeń gazów niebezpiecznych do stref sąsiadujących. Poza doświadczeniem operacyjnym lokalnych inżynierów zakładu na temat rozmieszczenia sensorów, szereg porad dotyczących prawidłowego umieszczenia sensorów zawiera także IEC/EN Wytyczne wyboru, instalacji, użycia i konserwacji urządzeń do detekcji i pomiarów gazów palnych oraz tlenu. Choć wydaje się to trywialne, jedną rzecz należy niezbędnie wiedzieć przy projektowaniu systemu detekcji gazowej: detektor gazowy wykryć może tylko gazy znajdujące się w bezpośrednim sąsiedztwie, które mogą przeniknąć do elementów sensora. Należy więc pamiętać, iż pary cieczy łatwopalnych są zawsze cięższe od powietrza, rozprzestrzeniają się przy podłożu zamiast wznosić się i mogą nawet ulec kondensacji w innych lokalizacjach przy spadku temperatury. Ponadto pary cieczy łatwopalnych nie mogą tworzyć stężeń palnych jeśli temperatura otaczająca jest niższa od ich temperatury zapłonu. Przetworniki pomiarowe do detekcji par łatwopalnych i ciężkich gazów łatwopalnych (w szczególności do tej grupy należą propan i butan) należy rozmieszczać tam, gdzie substancje te mogą się akumulować, jak również tak nisko, jak możliwe nad podłożem i/lub poniżej wycieku. Z drugiej strony dobrze znane są trzy gazy znacznie lżejsze od powietrza: wodór, metan i amoniak. Gazy te będę zwykle w normalnych warunkach wznosić się i sensory należy umieszczać nad miejscem wycieku.

16 16 Obszar niebezpieczeństwa (np. strefa 1) Obszar bezpieczny II 2G II 2G II 2G Detektor gazowy wykrywa wysokie stężenie par Aktywowany przez system detekcji gazowej wentylator wtłacza świeże powietrze Stężenie chmury par jest rozcieńczane i zastępowane świeżym powietrzem Wyciek odparowuje Alarm wizualny II (2) G Sterownik centralny zauważa wysokie stężenie par i wyzwala alarmy Jako środek zaradczy włączana jest wentylacja Alarm akustyczny Sterowniki centralne centralny punkt bezpieczeństwa Systemy detekcji gazowej. Systemy detekcji gazowej składają się zwykle ze zdalnych przetworników pomiarowych w wykonaniu przeciwwybuchowym (głowice) instalowanych w strefie zagrożenia, jednostki sterownika centralnego w strefie bezpiecznej przetwarzającej sygnały sensora i wyzwalającej alarmy oraz środki zaradcze, jak również optycznych i akustycznych urządzeń alarmowych, które mogą być również zainstalowane w strefie zagrożenia. CENTRALNE JEDNOSTKI STERUJĄCE Centralne jednostki sterujące instalowane są w obszarze bezpiecznym i poza zasilaniem podłączonych przetworników pomiarowych w niezbędne napięcie otrzymują sygnały pomiarowe i informacje stanu w celu ich przetwarzania i sygnalizowania. Jeśli przekroczone zostaną ustawione wcześniej progi alarmowe, sterowniki centralne wyzwalają alarmy. W celu uzyskania wysokiej dostępności sterowniki centralne są często także wyposażane w awaryjne źródło zasilania. Sterowniki centralne mogą być niewielkimi jednostkami 1-kanałowym do podłączenia tylko jednej głowicy, jak również pełnymi szafami z wbudowanymi półkami dla wielu modułów wtykowych (modułów kanałowych) podłączonymi do wielu głowic z indywidualnymi podpiętymi układami alarmowymi. Moduły kanałowe zapewniają zwykle kilka przekaźników z zestykami beznapięciowymi. W zależności od tego czy przekaźniki są zasilane podczas normalnej pracy, czy też w wypadku alarmu, zestyki beznapięciowe można skonfigurować jako styki NO (normalnie otwarte = zwarte w wypadku alarmu) lub styki NC (normalnie zwarte otwarte w wypadku alarmu). W wypadku systemów ochrony podstawowej przynajmniej jeden przekaźnik urządzenia alarmowego musi być zasilany podczas normalnej pracy (zasada fail-safe ), tak aby możliwe było wykrycie awarii zasilania. W wypadku przekaźników z funkcją bezpieczeństwa zalecane jest ponadto, aby przekaźniki takie również działały w trybie fail-safe (niezasilane w wypadku alarmu lub wyłączenia). Styki przekaźnikowe w razie potrzeby rozszerzone o dodatkowe przekaźniki w celu uzyskania zestyków redundantnych mogą być użyte do aktywacji środków zaradczych (włączenie/wyłączenie wentylacji, otwarcie/zamknięcie klapy wentylacyjnej, włączenie/wyłącznie zasilania w gaz, aktywacja zatrzymania procesu, etc.) i alarmów wizualnych tak, aby informować osobę obsługującą o stanie alarmowym nawet przy wyłączonym alarmie akustycznym. Wyłączanie oznacza kwitowanie oraz potwierdzenie, zaś równolegle ze środkami automatycznymi klient jeśli to konieczne musi zastosować środki organizacyjne. System detekcji gazowej zapewnia także często wyjścia 4-20 ma ( wtórniki sygnału ), np. do wydruku lub wizualizacji bieżących stężeń gazowych oraz do celów dokumentacyjnych. Modułowa koncepcja sterownika centralnego Dräger REGARD oferuje liczne opcje dostosowania budowy: rozmaite kombinacje modułów Dräger REGARD Ex i 4-20 ma, karty Master do kwitowania specjalnych konfiguracji alarmów i połączeń ze sterownikami PLC, karty HART i ModBus-Gateway dla połączeń magistralowych do systemów sterowania procesami i komputerów PC z 32-bitowymi systemami operacyjnymi do wskazywania pomiarów i rejestracji danych.

17 17 D ST Przetwornik pomiarowy Dräger oferuje szeroki zakres różnych przetworników pomiarowych do detekcji gazów i par palnych wykorzystujących technologię sensorów katalitycznych oraz podczerwonych. STEROWNIKI CENTRALNE Dräger PEX 3000 Przetwornik pomiarowy 4-20mA z sensorem katalitycznym DrägerSensor DD, wbudowanym konwerterem 4-20mA w wykonaniu przeciwwybuchowym, 7-segmentowym wyświetlaczem i obsługą 2-przyciskową (do kalibracji), podłączany do sterowników centralnych z wejściami 4-20mA. D Dräger Polytron SE Ex Głowica czujnikowa bez elektroniki, wyposażona w sensor pellistorowy z sygnałem pomiarowym mv, podłączana do specjalnych sterowników centralnych, zakres pomiarowy lub 0-10% DGW, dostępna również wersja wysokotemperaturowa do 150 C. D DrägerSensor IR Sensor IR w wykonaniu przeciwwybuchowym w obudowie ognioszczelnej, podobny do Dräger PIR 3000, lecz wyposażony w emulację sensora pellistorowego w celu zamiany pellistorów, posiada specjalne wyjście mv podłączane do specjalnych sterowników centralnych. ST Dräger PIR 7000 Solidny przetwornik pomiarowy IR w wykonaniu przeciwwybuchowym z sensorem IR w ognioszczelnej obudowie ze stali nierdzewnej dla sterowników centralnych z wejściem 4-20mA, odpowiedni dla systemów bezpieczeństwa wg SIL2, certyfikowany zgodnie z IEC 61508, dopuszczenia ATEX, IECEx i UL. ST Dräger PIR 3000 Przetwornik pomiarowy w wykonaniu przeciwwybuchowym z sensorem IR w obudowie ognioszczelnej, podłączany do sterowników centralnych z wejściem 4-20mA, dopuszczenia ATEX, IECEx i UL. ST Dräger Polytron Pulsar Detektor gazowy Open Path w wykonaniu przeciwwybuchowym do detekcji stężeń gazowych wzdłuż linii widzenia do 200m. D Polytron 8700 Ognioszczelny przetwornik pomiarowy IR do podłączenia do sterowników centralnych z wejściem 4-20mA, odpowiedni dla systemów SIL2, posiada dopuszczenia UL, ATEX, CSA i IECEx oraz znak CE. D

18 18 ST ST Sterowniki centralne Dräger oferuje jednostki sterujące oparte na różnych koncepcjach, które w połączeniu z odpowiednimi detektorami gazowymi przeznaczone są do niezawodnej detekcji gazu w celach ochrony przeciwwybuchowej: półki z modułami kanałowymi lub montowane na szynach DIN sterowniki do instalacji w obudowach naściennych lub szafach, jak również autonomiczne jednostki sterujące w obudowach IP65 z ABS. STEROWNIKI CENTRALNE Dräger REGARD System Półka dla do 16 różnych modułów do instalacji w szafach, panelach lub obudowach naściennych. Moduły kanałowe posiadają 4-znakowe wyświetlacze matrycowe i przyciski do konfiguracji. ST Dräger REGARD 1 Samodzielny sterownik 1-kanałowy w obudowie z ABS wyposażony w LCD i diody LED stanu, obsługuje głowice czujnikowe SE Ex, przetworniki pomiarowe 4-20mA, pięć przekaźników, trzy progi alarmowe i baterię podtrzymującą. ST Dräger REGARD 3900 Samodzielny sterownik centralny z obudową ABS dla 1 do 16 kanałów, posiada LCD i cztery diody LED stanu dla każdego kanału, w pełni konfigurowalny z użyciem laptopa lub PC, obsługuje przetworniki 4-20mA. ST Dräger REGARD 2400 Samodzielny sterownik centralny do montażu naściennego i pracy z maks. czterema przetwornikami pomiarowymi. ST Dräger REGARD 2410 Sterownik centralny do wpięcia na szynę DIN do podłączenia maks. czterech przetworników pomiarowych. ST

19 19 Ochrona przeciwwybuchowa z systemami detekcji gazowej OCHRONA PRZECIWWYBUCHOWA Z DRÄGER Technika detekcji gazowej Dräger oznacza sensory, przetworniki pomiarowe, sterowniki centralne i kompetentne wsparcie nasi inżynierowie zaprojektują właściwy system detekcji gazowej dla Państwa zastosowania. ST ST Dräger REGARD Przykładowy system detekcji gazowej dostosowany do indywidualnych wymagań Dräger REGARD 3900 Samodzielny sterownik centralny w obudowie z ABS dla do 16 kanałów. Oferta produktów detekcji gazowej Dräger obejmuje szereg różnych typów: technologię sensorów katalitycznych lub podczerwonych detekcję punktową lub open path wzmocnioną budowę, iskrobezpieczność lub ognioszczelność sygnał analogowy 4-20mA, sygnał mv, cyfrowy sygnał HART lub RS 485 bez lub z wyświetlaczami na miejscu bez lub ze zintegrowanymi przekaźnikami sprzęt ekonomiczny lub sprzęt wyższej klasy Możliwy wybór pomiędzy różnymi sterownikami centralnymi dostosowanymi do konkretnych zastosowań: sygnał mv lub 4-20mA sterowniki jednokanałowe lub wielokanałowe półki do instalacji w szafach lub jednostki samodzielne w obudowach z ABS bez lub z komunikacją cyfrową konfigurowane ręcznie lub z użyciem PC

20 CENTRALA Drägerwerk AG & Co. KGaA Moislinger Allee Lubeka, Niemcy Producent: Dräger Safety AG & Co. KGaA Revalstraße Lubeka, Niemcy PRZEDSTAWICIELSTWA SIEDZIBA GŁÓWNA BYTOM Dräger Safety Polska sp. z o.o. ul. Chorzowska Bytom Tel Fax BIURO HANDLOWE KATOWICE Dräger Safety Polska sp. z o.o. ul. Żelazna Katowice Tel Fax BIURO HANDLOWE WARSZAWA Dräger Safety Polska sp. z o.o. Al. Jerozolimskie Warszawa Tel Fax BIURO HANDLOWE GŁOGÓW Dräger Safety Polska sp. z o.o. Plac Konstytucji 3 Maja Głogów Tel Fax BIURO HANDLOWE RUMIA Dräger Safety Polska sp. z o.o. ul. Grunwaldzka Rumia Tel Fax Communications & Sales Marketing PL GS Zastrzegamy prawo zmian 2014 Drägerwerk AG & Co. KGaA