Безжични датчици за течове на газ

Промишлените процеси, осъществявани в предприятията от нефтената и газовата индустрия, рафинериите, заводите за химикали и електроцентралите, често включват токсични и запалими газове, които представляват сериозен риск, ако бъдат изпуснати в атмосферата. Сероводородът и метанът са едни от най-често отделяните и най-опасните промишлени газове.

За да се сведе до минимум рискът за служителите и безопасността на завода, е необходимо да се използват устройства за ранно предупреждение като системи за детекция на газ например, които изискват скъпа инфраструктура и рядко обхващат всички потенциални точки, в които може да възникне теч. С увеличаване на загрижеността за безопасността на предприятията и обществеността обаче, нараства и интересът към разширяване на обхвата на тези системи.

Тази загриженост насочва тенденцията към увеличаване обхвата на съществуващите системи за детекция на газ посредством безжични датчици, с които целта може да бъде постигната с минимални допълнителни инвестиции. За тази тенденция на преминаване към безжични устройства допринася и еволюиращият Индустриален интернет на нещата (IIoT), при който компаниите не само събират повече данни от различни точки, но и вече се специализират в стратегическото им използване.

Основни принципи на датчиците за газ

Един типичен газов детектор идентифицира и следи за течове на газ и подава електронен сигнал, например 4-20 mA, HART или Modbus сигнал, към определена система за пожаробезопасност, контролер, PLC или контролна зала, които задействат аларми или задават корективни действия. За токсични газове тези сигнали означават наличие на газ в ppm, а за запалими газове - процента на долната граница на взривяемост.

За детекцията на газове се използват редица технологии. С инфрачервената технология, която е една от най-често прилаганите, се следи за концентрацията на газа на принципа на инфрачервената абсорбция. Газове като метана поглъщат инфрачервената светлина при определени дължини на вълната. Електронният модул използва това и изчислява концентрацията на газа на база на количеството погълната светлина.

При електрохимичното отчитане, друга широко прилагана технология, се измерва концентрацията на целевия газ посредством реакция с него и генериране на електрически сигнал, пропорционален на концентрацията на газа. Типичният електрохимичен сензор се състои от отчитащ електрод и референтен електрод, разделени със слой електролит.

Технологиите за детекция се различават по надеждност в зависимост от свойствата, които измерват, и вида на газовете. Електрохимичните детектори например обикновено са по-надеждни за определени газове като сероводород, но може да загубят от ефективността си след продължителна експозиция. Инфрачервените технологии, от друга страна, са по-надеждни за отчитане на долните граници на взривяемост и могат да функционират добре в продължение на пет или повече години.

Освен сензорни елементи, системите за детекция включват и контролер или противопожарна система с потребителски интерфейс, алармени системи и релета, свързани към вентили, помпи или други крайни компоненти, необходими за потискане на теча на газ, и/или пожарогасителна инсталация.

Архитектура на системите за газова детекция

Системите за газова детекция изискват електроенергия и трябва да са свързани към захранващ източник. Разходите за това, включващи средствата, необходими за планирането, проектирането и прокарването на захранващите и сигналните кабели, могат да са много големи.

На етап технически проект на завода обикновено се специфицират системи за газова детекция, покриващи всички критични точки, но обхващането им обикновено не е осъществимо от финансова гледна точка. Освен това повечето от вече действащите системи за газова детекция са специфицирани преди разширявания на заводите и повишаване на изискванията за безопасност.

Поради случили се значими аварии, завишаване на стандартите за безопасност и остаряване на системите, нуждата от по-ефективно следене за течове на газ става все по-голяма. Използването на жични датчици за задоволяване на тази потребност не е препоръчително не само заради скъпото окабеляване, но и поради изискването за пространство за кабелите и другата необходима инфраструктура.

Персоналните или носими газови детектори могат да осигурят някаква възможност за защита, но обикновено те се характеризират с ниска точност (20-25%). Затова експертите препоръчват освен персонални детектори в потенциално опасните зони да се използват и по-надеждни стационарни датчици за газ. В допълнение, независимо дали една компания ползва стационарни или персонални детектори, те трябва да са свързани в мрежа, за да могат работниците, намиращи се в близост до опасната ситуация, също да бъдат предупредени за нея.

Безжично свързване

Безжичната технология премахва физичните и икономическите бариери, свързани с жичните устройства за газова детекция. Тя може да позволи реализирането на до 90% спестявания от разходите и времето за инсталиране, както и засичането на течове, които иначе могат да не бъдат регистрирани от разположените на голямо разстояние едно от друго жични устройства.

Почти всяка сензорна технология може да бъде адаптирана за безжични датчици, като някои устройства дори съчетават инфрачервената с електрохимичната например. На ниво датчик разликите между базовата технология на жичните и безжичните газови детектори са малки. Използването на жични датчици за напълно безжично приложение (без захранващи и сигнални кабели) обаче не е практично, тъй като батериите им ще трябва да бъдат сменяни на няколко месеца вместо на няколко години.

Безжичните газови детектори обикновено са с вградени защити, необходими за ползването им в открити или закрити опасни зони. Устройствата са с антена, чрез която се осъществява комуникацията с приемника. Те имат и графичен дисплей, показващ концентрацията на газа, мрежата, калибрацията, температурата и статуса на батерията.

След извършването на замерване, безжичните устройства изпращат сигнали до безжичен гейтуей, който може да бъде свързан към система за пожаробезопасност, разпределена система за управление или програмируем логически контролер, които ги обработват. Безжичните сигнали могат да използват всеки мрежов протокол, но стандартните отворени протоколи като WirelessHART имат някои специфични предимства.

Приложение

За разлика от жичните системи за газова детекция, изискващи скъпа инфраструктура, безжичните решения могат да бъдат използвани навсякъде, където съществува риск от възникване на теч на газ. Обикновено приложенията включват дистанционна и локална детекция, временни ситуации и мониторинг с цел подобряване управлението на активите.

Безжичната газова детекция намира приложение на площадки за резервоари, в производствени предприятия от нефтената и газовата индустрия, рафинерии, газопроводи и др. Резервоарите за съхранение са едни от най-редовните източници на изтичания на газ. Те винаги са разположени на някакво разстояние от централното съоръжение, а понякога и в близост до жилищни райони. Ако вятърът духа в посока не към датчиците, операторите може и да не разберат за възникнал теч, докато жители не се оплачат от миризмата. Множеството сензори могат да обхванат повече резервоари и могат да бъдат свързани с общ гейтуей.

Безжичните регистратори могат да осигурят допълнителна защита за работниците в рафинериите. Ако жичната система за детекция не отговаря на актуалните стандарти и/или не обхваща целия завод поради извършени разширения, служителите и обществеността може да са в риск. Типично приложение е включването на локален полеви PLC, управляващ вентилационна система или задаващ команда за изключване на база сигнал от безжичния регистратор.

Тръбопроводите, по които се транспортират въглеводородни продукти до и от кладенци, резервоари, преработващи инсталации и складови съоръжения, също често са източник на течове. Пробивите в тях не са рядкост, тъй като помпите, вентилите, фланците, тръбите и уплътненията са уязвими на стареене, грешки при монтажа и повреди. Също така някои от тези компоненти са разположени под земята, което затруднява още повече откриването им. При наличие на стотици километри тръбопроводи не е практично да се инсталират хиляди локални детектори за течове на газ.

Използването на множество безжични датчици осигурява и възможност за прогнозна и превантивна поддръжка - нещо, което жичните системи не предлагат по рентабилен начин. Измерването на фоновата концентрация на сероводород и метан във въздуха и сравняването на резултатите в рамките на определен период може да даде възможност за ранно засичане на проблем.

Датчикът ще го регистрира и ще изпрати сигнал до приложение за управление на активите, което може да проследява завишените нива на метан и/или сероводород и да ги сравнява с други зони или с нормите от предходни периоди. Анализът на измененията може да разкрие потенциално опасни тенденции достатъчно рано, че да могат да бъдат предприети корективни действия. Екипи по поддръжката могат да бъдат изпратени към засегнатите зони за детайлно обследване и ремонтиране при необходимост.

Експлоатационни проблеми

Освен базовата сензорна технология, от критично значение при безжичния газов мониторинг са и животът на батериите и свързаността.

Експлоатационният живот е ключова променлива както за разходите, така и за техническите характеристики на един безжичен регистратор. Колкото по-отдалечена е следената зона, толкова по-важна е ролята на батерията в осигуряването на максимална сигурност при ниски разходи.

По-новите системи използват литиеви технологии, които, в комбинация със слаботокови компоненти и усъвършенствани захранващи модули, могат да удължат живота на батерията до много над пет години. Освен от вида на батерията, експлоатационният й живот се определя и от честотата на подаване на сигнали и скоростта на предаването им.

Обикновено газовите регистратори могат да бъдат конфигурирани така, че да изпращат отчитанията на определен интервал, от няколко секунди до часове или дни в зависимост от необходимостта от информация, желаната продължителност на живот на батериите и скоростта, с която датчиците могат да събират данни. Добре обмисленото и подходящо разположение на датчиците също може да удължи живота на батериите.

Как датчиците се свързват със системата за управление зависи от избрания безжичен протокол. Едно устройство, поддържащо WirelessHART например, може автоматично да се присъедини към съществуваща HART мрежа. WirelessHART е глобално одобрен стандарт (IEC 62591), който препоръчва сигурна, надеждна и лесна за употреба мрежова технология.

Един такъв комуникационен протокол подобрява надеждността, като позволява намирането на най-добрите трасета за сигналите за предоставяне на богата диагностична информация за газовия детектор. Поддържащите WirelessHART датчици могат да предават информация не само за стойностите на концентрацията в ppm и процента долни граници на взривяемост, но и за статуса на батерията, температурата и датата на последната калибрация.