CC BY
107
Пожарная безопасность зданий, сооружений, территорий
УДК 681.2
АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ВЗРЫВООПАСНОСГИ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
В. И. Фомин, А. В. Федоров, А. А. Лукьянченко, Д. К. Костюченков
Академия Государственной противопожарной службы МЧС России
В связи с интенсификацией производственных процессов и развитием нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других потенциально опасных отраслей промышленности своевременное обнаружение горючих газов и паров в воздухе производственных помещений и промышленной территории в концентрациях, значительно меньших взрывоопасных, и их локализация являются важной задачей. Эту задачу успешно решают газоанализаторы-сигнализаторы, широко применяемые в промышленности для помещений и открытых технологическихустановок.
Аварийная утечка горючих газов (в том числе
сжиженных), легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), а также их залповый выброс из поврежденной части технологического оборудования являются непосредственными источниками загазованности открытых установок потенциально опасных предприятий. В общем случае ход подобных аварий можно разделить на несколько стадий (табл. 1).
Взрывоопасные облака топливно-воздушной смеси (ТВС) воспламеняются, как правило, через некоторое время после их образования, что позволяет оповестить персонал предприятия и население прилегающих районов о необходимости включения устройств защиты (паровые или водяные завесы для рассеивания) и принятия мер по предотвращению возможных взрывов на соседних объектах. Поэтому весьма актуальным является своевременное обнаружение загазованности воздушной среды промтерритории потенциально опасных предприятий на ранних стадиях аварии (см. табл. 1, стадии I и II).
Обычные лабораторные анализы дают информацию только о промежуточном состоянии процесса, и, зачастую, со значительным опозданием в отношении оперативной оценки сложившейся ситуации, в то время как автоматический аналитический контроль обеспечивает оперативное определение концентрации контролируемого компонента в анализируемой смеси, визуализацию и (или) запись результата измерения, а при необходимости — выда-
чу светозвукового сигнала и команд на исполнительные устройства.
Прибор, автоматически или полуавтоматически определяющий количественный или качественный состав анализируемого вещества на основе измерения параметров, характеризующих его физические или физико-химические свойства, называется анализатором. Полуавтоматический анализатор (индикатор) — это устройство, предполагающее в своей работе наличие ручных операций по периодическому забору анализируемой смеси и дополнительной обработке результатов анализа. Приборы такого типа не могут применяться в качестве элементов регулирующих систем и систем защиты.
Автоматический анализатор действует полностью автоматически и может быть использован в составе автоматических регулирующих систем, а также в схемах автоматической защиты. Он представляет собой стационарное устройство непрерывного действия.
Для определения взрывоопасности газопаровоздушных сред применяют газоанализаторы, определяющие концентрацию в воздухе того или иного горючего газа, пара или их совокупности. Оценка взрывоопасности среды производится путем сопоставления полученных данных со значениями нижних пределов воспламенения этих газов или паров.
Принцип действия газоанализаторов основан на различных физико-химических или физических эффектах.
ТАБЛИЦА 1. Примерные стадии и характеристики развития аварии с выбросом горючих газов
II
III
V
VI
Стадия аварии
Выброс пожаро-взрывоопасных газов
Загазованность промтерритории и образование облака ТВС
IV
Воспламенение
I
Взрыв облака в незамкнутом пространстве
I
Образование взрывной волны
Дальнейшее развитие
аварии на промтер-ритории предприятия и за ее пределами
Характеристика стадии аварии
• Характер истечения
• Ход истечения
• Максимальная масса газа, способная воспламениться
• Местонахождение
и форма взрывоопасной зоны
• Наличие источников зажигания
• Мощность источников зажигания
Масса взрывоопасного газа
Тротиловый эквивалент взрыва
Максимальное значение избыточного давления
Продолжительность существования избыточного давления
Статистические предельные нагрузки Частоты собственных колебаний зданий, установок и их элементов
Анализаторы, использующие физико-химические принципы измерения, контролируют параметры, сопровождающие химическую реакцию, в которой либо участвует само определяемое вещество, либо оно оказывает существенное влияние на ее ход.
Анализаторы, основанные на физических принципах, измеряют некоторую физическую величину, для которой точно определена зависимость от состава анализируемой смеси. Важным свойством таких анализаторов является отсутствие при измерениях количественных изменений анализируемого вещества. Однако дополнительные трудности при их создании и эксплуатации создает зависимость значений измеряемых физических величин от ряда мешающих факторов, например давления, температуры и концентрации сопутствующих компонентов.
Термохимические газоанализаторы-сигнализаторы
Среди методов, применяемых для определения концентрации в атмосферном воздухе горючих газов или паров горючих жидкостей, наибольшее распространение в промышленности получил термохимический метод. Сущность этого метода заключается в измерении теплового эффекта (дополнительного повышения температуры) от реакции окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика и дальнейшем преобразовании полученного сигнала.
Датчик сигнализатора, используя тепловой эффект каталитического окисления горючих газов и паров, формирует электрический сигнал Пс, пропорциональный их концентрации С с различными коэффициентами пропорциональности кп для различных веществ:
Пс = кпС.
При горении различных газов и паров термохимический датчик выдает сигналы, разные по величине. Одинаковым уровням в % от нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР) различных газов и паров в воздушных смесях соответствуют неравные выходные сигналы датчика. Термохимический датчик не избирателен. Его сигнал характеризует уровень взрывоопасно-сти, определяемый суммарным содержанием горючих газов и паров в воздушной смеси.
В случае контроля совокупности компонентов, в которой содержание отдельных, заранее известных горючих составляющих может колебаться от нуля до какой-то концентрации, что приводит к погрешности контроля и при нормальных условиях. Этот фактор учтен заданием границ диапазона сигнальных концентраций и допуском на их изменение - пределом допускаемой основной абсолютной погрешности срабатывания. Пределы измерения сигнализатора — это наименьшее и наибольшее значения концентрации определяемого компонента, в пределах которых сигнализатор осуществляет измерение с погрешностью, не превышающей заданную.
Современная промышленность выпускает два типа термохимических газоанализаторов-сигнализаторов: с конвекционно-диффузионной и принудительной подачей анализируемой среды. Первые состоят из блока сигнализации и питания и одного или нескольких датчиков в соответствии с количеством каналов; вторые — из блока сигнализации и питания, а также одного или нескольких блоков датчика в соответствии с количеством каналов. Блок датчика предназначен для принудительного забора контролируемой смеси на анализ.
Датчики сигнализатора с конвекционно-диффу-зионной подачей смеси на анализ устанавливаются
I
4 к
. \
о сгп и и сг
РИС.1. Устройство датчика термохимического сигнализатора: 1 — газообменный фильтр из пористой металлокерамики; 2 — чувствительный элемент; 3 — компенсирующий элемент;
4 — реакционная камера;
5 —изоляционная колодка
Сжатый ф
РД
н
непосредственно в помещении или на открытых пространствах, где необходимо контролировать наличие в воздухе довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров. Устройство такого датчика показано на рис. 1.
Глубину и скорость реакции окисления выбирают за счет соответствующей температуры и применения соответствующего катализатора.
Чувствительный элемент датчика представляет собой шарик диаметром 1 мм из у-окиси алюминия, пропитанный платино-палладиевым катализатором. Через каталитически активный элемент проходит платиновая спираль, припаянная к токопро-водам. Токопровода запрессованы в основание датчика из изоляционного материала. Это основание вместе с газообменным фильтром образуют реакционную камеру, в которой находятся чувствительный и компенсирующий элементы датчика. Соединение газообменного фильтра с корпусом датчика неразъемное, выполненное склеиванием с дополнительным креплением кожуха.
Платиновая спираль разогревает каталитически активный элемент до температуры 360°С. Сигнал о появлении в воздухе довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров формируется на каталитически активном элементе за счет дополнительного повышения температуры (до 40°С) на его поверхности вследствие окисления горючих газов и увеличения сопротивления платиновой спирали. Компенсирующий элемент выполнен без пропитки катализатором.
Электрическая измерительная схема газоанализаторов-сигнализаторов представляет собой неуравновешенный мост. Чувствительный и компенсирующий элементы расположены в датчике, остальные сопротивления мостовой схемы выполнены из манганина и размещены во вторичном приборе.
Блоки сигнализации и питания сигнализаторов в соответствии с требованиями ГОСТ 12997-84 изготавливаются в обыкновенном исполнении с маркировкой по степени защиты оболочки 1Р00 или 1Р20 и должны быть установлены за пределами взрывоопасных зон. Датчики и блоки датчика выполнены взрывозащищенными с маркировкой взрывозащиты 1БхёПСТ4 или 1Бх&ЪПСТ6 по ГОСТ 12.2.020-76
"АНАЛИЗ" "КОНТРОЛЬ"
РИС.2. Принципиальная пневматическая схема блока датчика с принудительной подачей контролируемой среды: ф — фильтр воздуха; РД — редуктор давления воздуха; Н —эжектор воздушный; В — вентиль точной регулировки расхода смеси; ИП — ротаметр; Д — датчик; КР — кран трехходовой
и могут эксплуатироваться во взрывоопасных зонах помещений всех классов и наружных установок согласно "Правилам устройства электроустановок" (ПУЭ) и другим документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных условиях.
Блок датчика с принудительной подачей выполнен в виде панели, предназначенной для щитового монтажа. На панели размещены элементы блока в соответствии с пневматической принципиальной схемой (рис. 2).
В блоке датчика применяется тот же датчик, что и в сигнализаторах с конвекционной подачей среды. Однако вместо защитного кожуха используется защитный колпак, через штуцеры которого подается контролируемая среда. Пневматическая схема обеспечивает принудительную подачу на датчик: анализируемой среды в режиме анализа; воздуха в режиме контроля нуля; поверочной смеси в режиме поверки сигнализатора. В качестве побудителя расхода используется эжектор воздушный Н, задающий разряжение в тракте. Эжектор включается в линию сжатого воздуха через фильтр воздушный Ф и редуктор давления воздуха РД.
В режиме анализа через штуцер "Газ" и кран трехходовой КР в положении "АНАЛИЗ" контролируемая среда поступает на датчик Ди через ротаметр ИП и эжектор Н сбрасывается вместе со сжатым воздухом. В режиме контроля через штуцер "Вход" и кран трехходовой в положении "КОНТРОЛЬ" чистый воздух или поверочная смесь точно так же подается на датчик и через ротаметр и эжектор на сброс.
Автоматические сигнализаторы могут эксплуатироваться в следующих условиях: • температура окружающей и контролируемой
среды: от -45 до +50°С — для датчиков; от +1
1
3
2
5
до +50°С — для блока датчика и блока сигнализации и питания; • относительная влажность окружающей и контролируемой среды: до 90% при температуре 25°С.
Сигнализаторы, укомплектованные датчиками с принудительной подачей контролируемой среды (блоками датчика), требуют наличия в месте установки датчика линии сжатого воздуха давлением от 0,25 до 0,60 МПа (от 2,5 до 6 кгс/см2). Объемный
расход контролируемой среды через датчик, в соответствии с техническим описанием прибора, устанавливается в пределах 25 - 48 л/ч.
Потребности современной промышленности привели к разработке новых модификаций универсальных приборов на сумму горючих газов и паров — СВК, СТХ, "ЩИТ", СТМ-10, СТМ-30, ГАЗ0ТЕСТ-3001/3003. Сравнительные характеристики стационарных газоанализаторов приведены в табл. 2.
ТАБЛИЦА 2. Автоматические сигнализаторы довзрывных концентраций горючих газов и паров в воздухе
Наименование и тип сигнализатора
Определяемый
компонент нефтепродуктов
Среда, в которой
определяется компонент нефтепродуктов
Диапазон сигнализируемых концентраций, %, и время срабатывания сигнализатора, с
Допустимая погрешность срабатывания сигнализации
Исполнение. Маркировка по взрыво-защите
Сигнализатор термохимический СТХ-6 с датчиками:
ДТХ-118 — конвекци-онно-диффузионный,
ДТХ-119 — с принудительной подачей контролируемой среды
Горючие газы, пары и их смеси
Воздух во
взрывоопасных
помещениях
5-50 % НКПР.
Индикация наличия или отсутствия сигнализируемой концентрации без оценки ее величины. Расход анализируемой смеси — 25 л/ч. Время срабатывания — не более 10 с
25 + 19% НКПР метано-воздушной смеси
1ЕхПСТ6
Сигнализатор термо- Горючие вещества в Воздушная сре- В пределах 6 - 65 % + 7,5% Шхёй^ПВТЗ
химический СТХ-7М воздухе, в том числе: да при темпера- НКПР. НКПР
этиловый спирт туре до 200°С Начало сигнальной (по пове-
(140 - 170°С), зоны соответствует рочному продукту)
бензин "Калоша" диапазону сигналь-
(50 - 100°С), ных концентраций
толуол (20 - 100°С),
ацетон (20 - 100°С)
Сигнализатор термохимический СТХ-11 с датчиками:
ДТХ-135 — конвекционный,
ДТХ-136 — с принудительной подачей контролируемой пробы
Горючие газы, пары и их смеси (134 вещества, в том числе нефть и бензин)
Воздух во взрывоопасных помещениях всех классов и в емкостях
В пределах 0 НКПР.
100%
+ 5% НКПР
1ЕхёМГСТ6
Диапазон сигнальных концентраций
- 18 - 20% НКПР.
Два настраиваемых порога срабатывания, световая и звуковая сигнализация.
Время срабатывания
— не более 10 с
Сигнализатор термо- Этилен, винилхло- Воздух произ- 8 - 50% НКПР. + 7,5% 1Ехё1ЬзПВТ2
химический СТХ-12 рид, пары дихлор- водственных Время срабатывания НКПР
этана, их смеси помещений — не более 25 с
Сигнализатор термохимический "Щит-2" с датчиками:
ДТХ-127 — конвекци-онно-диффузионный,
ДТХ-128 — с принудительной подачей контролируемой среды
Горючие газы, пары и их смеси (102 вещества)
Воздух во взрывоопасных помещениях всех классов и в емкостях
5 - 50% НКПР.
Расход анализируемой смеси — 25 л/ч.
Время выдачи сигнала — до 10 с
+ 5% НКПР с метано-воздушной средой
1-и 5-ка-нальный
1ЕхёМГСТ6
(датчик ДТХ-127); БСиП-ЕхЛПс
Продолжение табл. 2
Наименование и тип сигнализатора
Определяемый
компонент нефтепродуктов
Среда, в которой
определяется компонент нефтепродуктов
Диапазон сигнализируемых концентраций, %, и время срабатывания сигнализатора, с
Допустимая Исполнение.
погрешность Маркировка
срабатывания по взрыво-
сигнализации защите
+ 5% 1-канальный
НКПР, Датчик —
аналоговый 1БхёМ1СТ6
выход (Т3);
4 - 20 мА блок
датчика —
1БхМ1СТ6Х
25,8 + 9,2% 1Ех&Ьз11СТ5Х
НКПР.
Выдается
сигнал при
40% НКПР
и выше, не
выдается —
при 5%
НКПР и
ниже
+ 10% 1Бхё11СТ5
НКПР
Сигнализатор термохимический СТМ-10, СТМ-30-50 с диффузионной (от -60 до +50°С), принудительной (от +1 до +50°С) или пневматической (эжектор) подачей пробы
Горючие газы, пары и их смеси (140 веществ)
Воздух производственных помещений и открытых пространств
0 - 50% НКПР.
Имеется два перестраиваемых уровня срабатывания сигнализации концентрации.
Время срабатывания сигнализации — 7 с
Сигнализатор пламенно-ионизационный СДК-3
Взрывоопасные органические вещества (263 вещества, в том числе: метан, этилен, бензин, бензол, ксилол)
Воздух рабочей зоны. Допускается наличие примесей хлора, хлористого водорода, паров соляной кислоты
Более 14,2% НКПР.
Расход контролируемой среды — 20-26 л/ч.
Время срабатывания — 4, 5, 20 с или не нормировано (в зависимости от определяемого компонента)
Сигнализаторы взры-воопасности искровые пневматические одноточечные СВИП-1, СВИП-4
Горючие газы и пары, а также их смеси, создающие взрывоопасные концентрации
Воздух производственных помещений
Приборы постоянного циклического действия. Длительность цикла — 45 + 5 с.
Сигнальная точка — 20% НКПР.
Время выдачи сигнала — до 30 с (без учета запаздывания в газоподводящих линиях)
Газоанализатор- сигнализатор ГАЗОТЕСТ-3001/3003 То же То же Прибор непрерывного действия, 0 - 100% НКПР + 5% НКПР, аналоговый выход 4 - 20 мА Количество каналов 1-3, 1Ех1Ьз11СТ6
Сигнализатор взрыво-опасности искровой пневматический 4-точечный СВИП-2 Прибор постоянного циклического действия. Длительность цикла — 45 + 5 с. Сигнальная точка — 20% НКПР + 10% НКПР 1Бхё11СТ5
Требования к установке газоанализаторов
Условия эксплуатации, особенности монтажа и порядок установки автоматических стационарных газоанализаторов-сигнализаторов регламентированы "Правилами пожарной безопасности при эксплуатации предприятий химической промышленности", "Общими правилами взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств", "Требованиями к установке сигнализато-
ров и газоанализаторов (ТУ-газ-86)" и инструкциями заводов-изготовителей. В соответствии с этими документами проектные организации определяют тип, количество газоанализаторов и места отбора проб газопаровоздушных смесей с учетом местных условий, физико-химических и взрывопожаро-опасных свойств обращающихся веществ и технологических особенностей производства.
Согласно ТУ-газ-86 сигнализаторы довзрыво-опасных концентраций необходимо устанавливать во взрывоопасных зонах классов В-1а, В-1б, В-1г, а также в заглубленных помещениях с нормальной
средой, куда возможно затекание горючих газов и паров. Вторичные приборы газоанализаторов должны автоматически включать светозвуковую сигнализацию, оповещающую о наличии опасных концентраций взрывоопасных и вредных веществ. При необходимости от импульса датчиков довзрыв-ных концентраций предусматривается автоматическое отключение технологического оборудования или включение системы защиты.
Световой и звуковой сигналы о наличии взрывоопасных концентраций подаются для постоянно обслуживаемых помещений — в загазованное или периодически обслуживаемое помещения — у входа в помещение. Данные сигналы одновременно поступают в операторную или пункт управления производственным комплексом. Сигналы о срабатывании датчика-сигнализатора довзрывных концентраций, установленного на открытой площадке, необходимо подавать в операторную или пункт управления производственным комплексом — световой и звуковой; на открытую площадку — только звуковой.
Световая сигнализация оформляется в виде светового табло, размещаемого в хорошо обозреваемом месте, отдельно от сигнализации параметров технологического контроля.
В производственных помещениях с наличием аварийной вытяжной вентиляции блоки сигнализации и питания блокируются с пуском аварийной вентиляции. Она должна автоматически включаться в работу при срабатывании датчиков газоанализаторов.
Газоанализаторы устанавливаются в производственных помещениях, наиболее опасных с точки зрения возможности образования взрывоопасных смесей (компрессорные горючих газов, насосные сжиженных газов, насосные и складские помеще-
ния легковоспламеняющихся и горючих жидкостей и т.п.). Поэтому отбор проб контролируемого воздуха предусматривается в местах наиболее вероятного выделения и скопления газов и паров в зависимости от их свойств, количества, а также конструктивных особенностей технологического оборудования. Пробоотборные устройства сигнализаторов размещаются с учетом плотности газов и паров относительно воздуха в соответствии с указаниями приложения 1 ТУ-газ-86. При наличии в производственном помещении смеси горючих газов и паров с различными плотностями пробоотборные устройства сигнализаторов располагаются по высоте, исходя из плотности того компонента смеси, для которого величина соотношения С/НКПР — наибольшая.
Правила размещения датчиков газоанализаторов на открытых технологических установках и в производственных помещениях несколько различаются. Эти отличия обусловлены высокой вероятностью образования зон взрывоопасных концентраций на промышленной территории как при нормальном (регламентном) режиме работы технологического оборудования, так и при аварийной разгерметизации (полной или частичной) аппаратов, технологических трубопроводов, приводящей к мгновенному выбросу большого количества углеводородного топлива, загазованности территории и образованию облака ТВС. Кроме того, надежному обнаружению не должна мешать неопределенность времени образования и координат области сигнальной концентрации (5 - 50% НКПР), обусловленная большим числом факторов, которые влияют на рассеивание взрывоопасного облака (скорость и направление ветра на момент аварии, характеристика и производительность источника выброса, рельеф местности, состояние атмосферы и т.д.).
Поступила в редакцию 25.05.04.
