Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Современные автоматические газоанализаторы-сигнализаторы для производственных помещений и открытых установок

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Современные автоматические газоанализаторы-сигнализаторы для производственных помещений и открытых установок

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 является важной задачей. Эту задачу успешно решают газоанализаторы-сигнализаторы, широко используемые в промышленности для применения в помещениях и на открытых технологических установках

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 развития подобных аварий можно разделить на несколько стадий (рис. 1).

Взрывоопасные облака топливно-воздушной смеси (ТВС), как правило, воспламеняются 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 обнаружение загазованности воздушной среды промтерритории потенциально опасных предприятий на ранних стадиях аварии (рис. 1, стадии I и II).

Обычные лабораторные анализы дают информацию только о промежуточном состоянии процесса и, как правило, со значительным опозданием в отношении оперативной оценки сложившейся ситуации.

Автоматический аналитический контроль обеспечивает оперативное определение концентрации контролируемого компонента в анализируемой смеси, показание и (или) запись результата измерения, а при необходимости - выдачу 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) - устройство, в основе которого ручные операции по периодическому забору анализируемой смеси и дополнительной обработке результатов анаприменяться 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, благодаря которым определяют 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.

Сравнительные характеристики основных видов стационарных газоанализаторов приведены в табл. 1.

Конструктивно газоанализатор для промышленных объектов, как правило, имеет многоблочную конструкцию, включающую первичные преобразователи-датчики (блоки датчиков), а также блок сигнализации и питания (пороговое устройство).

В последние годы все большее распространение получают так называемые газоаналитические системы, которые включают в себя набор различных датчиков, имеющих унифицированный выходной сигнал и использующих стандартный канал связи. Они предназначены для измерения уровней загазованности непосредственно в рабочей зоне помещений и открытых пространств вблизи технологического оборудования и выдачи предупредительной и аварийной сигнализации о достижении значений заданных порогов газовоздушной смеси оператору или персоналу объекта, а также для реализации программ автоматической защиты.

Такие системы обладают гибкостью в конфигурации и универсальностью, что позволяет эффективно и экономично использовать их для комплексного контроля и обнаружения на объекте не только взрывоопасных, но и токсичных газов, а также содержания кислорода. Характерным примером таких систем являются СКАПО (ФГУ "СПО "Аналитприбор"), ИГС-98 (ФГУП "НПП "Дельта"), СГАС-ТН (РНИИ "Электронстандарт").

Принцип действия газоанализаторов основан на различных физических или физико-химических эффектах.

Анализаторы, основанные на физических методах контроля, измеряют некоторую физическую величину, для которой точно определена ее 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.

Анализаторы, использующие физико-химические принципы измерения, контролируют параметры, сопровождающие химическую реакцию, в которой определяемое вещество либо само участвует в этом процессе, либо оказывает существенное влияние на его ход.

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 его 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 UС, пропорциональный их концентрации С с различными коэффициентами пропорциональности kп для различных веществ:

UС = kпС.

При горении различных газов и паров термохимический датчик выдает сигналы, разные по величине. Одинаковым уровням (в процентах) 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 взрывоопасности, определяемый суммарным содержанием горючих газов и паров в воздушной смеси. В случае контроля совокупности горючих компонентов, в которой содержание отдельных, заранее известных веществ может колебаться от нуля до какой-то концентрации, это приводит к погрешности контроля даже при нормальных условиях. Данный 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 значение концентрации определяемого компонента, при котором сигнализатор осуществляет измерение с погрешностью, которая не превышает заданную.

Современная промышленность выпускает два типа термохимических газоанализаторов-сигнализаторов: с конвекционно-диффузионной и с принудительной подачей анализируемой среды. Сигнализаторы с конвекционной подачей состоят из блока сигнализации и питания, а также одного или нескольких датчиков в соответствии с количеством каналов. Сигнализаторы с принудительной подачей среды состоят из блока сигнализации и питания, а также одного или нескольких блоков датчика в соответствии с количеством каналов. Блок датчика предназначен для принудительного забора контролируемой среды на анализ. Датчики сигнализатора с конвекционно-диффузионной подачей устанавливаются непосредственно в помещении или на открытых площадках, где необходимо контролировать наличие в воздухе довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров. Устройство конвекционно-диффузионного датчика термохимического сигнализатора показано на рис. 2.

Глубину и скорость реакции окисления устанавливают выбором соответствующих температуры и катализатора.

Чувствительный элемент датчика представляет собой шарик диаметром 1 мм из у-окиси алюминия, пропитанный платинопалладиевым катализатором. Через каталитически активный элемент проходит платиновая спираль, припаянная к токопроводам. Токопровода запрессованы в основание датчика из изоляционного материала. Это основание вместе с газообменным фильтром образует реакционную камеру, в которой находятся чувствительный и компенсирующий элементы датчика (см. рис. 2). Соединение газообменного фильтра с корпусом датчика неразъемное, выполненное путем склеивания 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 поверхности элемента 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 расположены 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 IP00 или IP20 и должны быть установлены за пределами взрывоопасных зон. Датчики и блоки датчика выполнены взрывозащищенными с маркировкой взрывозащиты 1 EхdIICT4 или 1EхdibIICT6 по ГОСТ 12.2.020-76 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 со схемой пневматической принципиальной (рис. 3). 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.

Схема пневматическая 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 Д и через ротаметр ИП и эжектор Н сбрасывается вместе со сжатым воздухом.

В режиме контроля через штуцер "Вход" и кран трехходовой КР в положении "Контроль" чистый воздух или поверочная смесь точно также 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 до +50 °С - для блока датчика и блока сигнализации и питания;
  • относительная влажность окружающей и контролируемой среды до 90% притемпературе 25 °С.

Сигнализаторы, укомплектованные датчиками с принудительной подачей контролируемой среды (блоки 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, ГАЗОТЕСТ-3001/3003.

Оптические датчики-газоанализаторы

Одним из наиболее перспективных является физический оптико-абсорбционный метод, в основе которого контроль поглощения анализируемым газом энергии инфракрасного излучения. На нем основан принцип действия ряда современных датчиков-газоанализаторов. Конструктивно такие датчики состоят из основного герметичного и вводного отделений. Излучение в инфракрасном диапазоне частот из герметичного отделения через специальное окно проникает в негерметизированный вводный отсек, в котором присутствует анализируемая газовая смесь, и, отразившись от зеркала, через то же самое окно возвращается в основное отделение, где попадает на фотоприемник. В основном отделении находится электронная схема, которая анализирует формируемое оптическое излучение и преобразует его в выходной унифицированный электрический токовый сигнал, соответствующий диапазону измеряемых концентраций газов и изменяющийся в пределах от 4 до 20 мА.

При превышении значения выходного тока датчика установленного порогового значения (уставки) формируются выходные сигналы, информирующие о появлении тревожной ситуации на контролируемом объекте. Примером современных оптических датчиков являются преобразователи серии СКВА-01-1Е, ДГО, ДАК различного исполнения, входящие в состав соответствующих газоаналитических систем. Инфракрасные датчики могут эксплуатироваться во взрывоопасных зонах, а также там, где типичные "отравители" катализа нарушают нормальную работу термохимических газоанализаторов. Срок службы таких датчиков практически не ограничен, что позволяет использовать их без замены в течение всего срока службы системы (не менее 10 лет).

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 сигнализаторов 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 взрыво-, пожароопасных свойств обращающихся веществ и технологических особенностей производства.

Согласно ТУ-газ-86 сигнализаторы довзрывоопасных 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 довзрывных 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 помещение, для периодически обслуживаемых помещений - у входа в помещение. Данные сигналы также одновременно подаются 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, устанавливаемого в хорошо обозреваемом месте, отдельно от сигнализации параметров технологического контроля. В производственных помещениях с наличием аварийной вытяжной вентиляции отсеки 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 помещения 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 размещаются по высоте исходя из плотности того компонента смеси, для которого величина соотношения С/НКПР - наибольшая.

Правила размещения датчиков газоанализаторов на открытых технологических установках несколько отличаются от правил размещения датчиков в производственных помещениях. 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, которая приводит 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.).

Доктор технических наук
А. В. Федоров

Доктор технических наук, профессор Академия Государственной противопожарной службы МЧС России
А.Н. Членов

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #3, 2004
Посещений: 21962


  Автор
Федоров А. В.

Федоров А. В.

Доктор технических наук

Всего статей:  4


  Автор
Членов А. Н.

Членов А. Н.

Д. т. н., профессор Академии Государственной противопожарной службы МЧС России

Всего статей:  4

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций