Детекция на запалими газове и пламък

• При изпускане на запалими газове на промишлената площадка може да се стигне да задушаване на персонала, възникване на пожар или взрив
  
  
• Макар да има хиляди запалими газове, в повечето индустриални сектори се използват много малка част от тях, предимно въглеводородни газове, водород и др.
  
  
• Пелисторите и инфрачервените сензорни технологии доминират при персоналните и зоналните детектори за запалими газове

Редица индустриални процеси са свързани с риска от изпускане на запалими газове, като този риск е един от най-големите, пред които може да се изправи едно предприятие. При изпускане на запалими газове на промишлената площадка може да се стигне да задушаване на персонала, възникване на пожар или взрив. В екстремни случаи тези събития могат да окажат въздействие и върху обществото чрез директно излагане на пожар или взрив или чрез индиректни ефекти като ограничени доставки на съществено важни продукти като бензин например.

В индустриалните сектори с риск от експозиция на запалими газове се изисква работниците да използват устройства, които предоставят ранно предупреждение за потенциално излагане на газове и дават възможност за безопасна евакуация, преди нивата на газовете да са станали опасни. Това е един от ключовите компоненти на всяка стабилна програма за индустриална безопасност.

Видове запалими газове

Макар да има хиляди запалими газове, в повечето индустриални сектори се използват много малка част от тях, предимно въглеводородни газове, водород и др.
Съществуват множество запалими газове, които представляват риск за безопасността на работното място. Повечето от тях са въглеводородни съединения. Те се запалват, когато въглеводородното съединение, например метан, се смеси с кислород и се нагрее до достатъчно висока температура за протичането на реакция.

Топлинният източник разрушава въглеводородните връзки и се получават въглероден диоксид и вода. При формирането на тези продукти се отделя енергия под формата на топлина. Запалването на водорода е подобно на описаната реакция за въглеводородните газове, като основната химична разлика е, че се получава само вода, без въглероден диоксид.

Няколко други газа, които често се срещат в индустриалните процеси, също мога да бъдат запалими. Като цяло притесненията за тези газове по отношение на безопасността на работниците са свързани повече с тяхната токсичност, отколкото с тяхната запалимост. Сероводородът например се смята за непосредствено опасен за живота и здравето при концентрация от 100 ppm. Той достига концентрация на запалимост при 4 обемни процента или 40 000 ppm. Това означава, че работниците ще бъдат засегнати от токсичността на газа много преди да се появи вероятност за пожар или взрив.

Принципи на детекцията на запалими газове

Предвид нивото на риск, свързано със запалимите газове, детекцията им е сред основните съображения за безопасност на всяко съоръжение, в което те присъстват. Целите на мониторинговата програма за газова детекция са няколко. На първо място това е предоставянето на ранно предупреждение на работниците за изтичане на газ и задействането на протоколите за безопасност, за да се гарантира евакуацията на персонала на безопасно място при наличие на теч. На второ място е предотвратяването на събития, засягащи безопасността на площадката. Ранната детекция на наличието на запалим газ и задействането на протоколите за безопасност може да предотврати възникването на пожар или взрив вследствие на изтичането на газ.

Типове детектори

Една цялостна програма за газова детекция включва различни системи, за да се гарантира резервираност и надеждност. Има три основни категории газови детектори – персонални, зонални и за фиксиран монтаж.

Личните газови детектори са последната линия на защита срещу събития, свързани с експозиция на газове. Работниците на промишлена площадка с рискове от изтичане на запалими газове носят персонални газови монитори в дихателната си зона, за да следят въздуха, на който са изложени пряко. Когато концентрацията на газ достигне предварително зададено ниво, личният детектор известява работника за това и той трябва да се евакуира и да потърси свеж въздух. На пазара се предлагат и свързани персонални детектори, които могат да известяват и наблюдаващ персонал, в случай че работникът не може да реагира самостоятелно.

В зони с известен, непрекъснат риск от наличие на запалими газове фиксираните детектори често са първата линия на защита. В тези случаи постоянно функциониращ сензор се поставя на подходящо място, за да предоставя ранно предупреждение за експозиция на газове. Тези датчици работят непрекъснато и комуникират с други системи в предприятието, за да се автоматизират процедури по безопасност като изключване на оборудването или евакуация на работниците.

В зони, където използването на фиксирани газови детектори не е практично, или в рамките на временни процедури или аварии се прилагат зонални детектори, които предоставят ползите на фиксираните независимо от установената инфраструктура на площадката. Те са предназначени да осигурят ранно предупреждение за събитие, свързано със запалими газове, в близост до работниците или обществото. Свързаността, животът на батерията, издръжливостта и лекотата на внедряване са сред критично важните съображения при избора на зонален детектор. Сред основните ситуации, при които е необходим зонален мониторинг, са реагиране на аварии, навлизане в затворени пространства, изключване и поддръжка на оборудването, отдалечени зони и др.

Съвременни сензорни технологии

Детекцията на запалими газове не се е променила съществено през последните 40 години. Пелисторите и инфрачервените сензорни технологии доминират при персоналните и зоналните детектори за запалими газове. Тези технологии отбелязват минимални подобрения през последните няколко десетилетия, но основната концепция не се е променила.

Пелисторите се използват от няколко десетилетия и все още се употребяват и днес. Технологията е добре позната, а основното им предимство е, че могат да засекат всеки запалим газ. Пелисторният сензор се състои от двойка нагрети метални зърна, затворени в огнеупорен корпус. Всяко метално зърно съдържа платинена намотка, способна да го загрее до повърхностна температура от 500°C. Тези зърна са разположени в двата противоположни края на Уитстонов мост, който измерва промените в електрическото съпротивление между двете зърна. Каталитичното зърно е покрито с катализатор, който кара газа да гори при по-ниски концентрации и температури, отколкото в нормален въздух. Референтното зърно, или компенсатор, няма каталитично покритие, което означава, че газът, който се сблъска с него, няма да гори преди да се достигне долната граница на експлозивност.

Когато запалимият газ влезе в контакт с каталитичното зърно, протича реакция, при която се отделя енергия под формата на топлина. Това води до промяна в съпротивлението на каталитичното зърно, докато компенсаторът поддържа стабилно съпротивление. Тази вариация в съпротивлението се измерва от Уитстоновия мост, което дава индикация за наличието на запалим газ.

Тъй като пелисторните датчици използват свойство, общо за всички запалими газове (че горят при прилагане на топлина), те могат да регистрират широка гама от запалими газове. Понеже тези газове горят при различни температури и концентрации, показанието е изцяло точно само за газа, за който е калибриран сензорът.

Недисперсионните инфрачервени сензори (NDIR) традиционно са единствената алтернатива на пелисторната технология. Вместо да разчитат на запалването на целевия газ, инфрачервените сензори използват абсорбция на инфрачервено излъчване за засичане на газа. Както бе споменато, повечето срещани в индустрията запалими газове са въглеводородни съединения. Инфрачервената сензорна технология използва тази обща характеристика за засичане на наличието на газ.

Въглеводородните съединения поглъщат инфрачервената светлина при определена дължина на вълната. Когато светлината се сблъска с молекула, възникват вибрации на молекулярно ниво и част от енергията й се поглъща. Конструкцията на инфрачервените сензори се възползва от тази характеристика. Основните компоненти на един инфрачервен сензор са инфрачервена лампа, рефлектори в сензорната камера и двоен детектор. Инфрачервената светлина се предава на две различни дължини на вълната. Първата е абсорбционната лента на въглеводородните газове, а втората е референтна дължина на вълната. Когато газът навлезе в сензора, той започва да поглъща инфрачервената светлина от абсорбционната лента. След като светлината премине през сензорната камера, интензитетът на всяка дължина на вълната се измерва чрез двойния детектор. Наличието на газ се индикира от понижението в интензитета на светлината при абсорбционната дължина на вълната.

Въпреки че въглеводородните съединения представляват голяма част от запалимите газове в индустриална среда, има и изключения от това правило – водорода и ацетилена например. Тези газове поглъщат инфрачервена светлина при различни спектри в сравнение с въглеводородите и следователно не могат да бъдат засечени от инфрачервен сензор, предназначен за въглеводородни газове.

Индустриални детектори за пламък

Работният принцип на детекторите за пламък се основава на наличието на инфрачервена и ултравиолетова светлина. В индустриална среда обаче има и други светлинни източници, които допринасят за емисиите на инфрачервена и ултравиолетова светлина и влияят на ефективността на детекторите за пламък, което води до фалшиви аларми. Примери за такива светлинни източници са светкавици, електродъгово заваръчно оборудване, шлифоване на метал, нагорещени турбини, реактори и много други.

На пазара се предлага богата гама от детектори за пламък, предназначени за употреба в индустриална среда. Тя включва инфрачервени, ултравиолетови, двойни и тройни инфрачервени сензори, както и видео детектори.