Научные подходы мониторинга и контроля концентрации опасных газов

Современные потенциально опасные предприятия газоперерабатывающей и нефтехимической промышленности являются одними из основных источников пожаровзрывоопасности. Развитие газоперерабатывающих комплексов, обладающих высокой энергонасыщенностью, может сопровождаться ростом количества и масштабов пожаров и объемных взрывов. Таким образом, контроль концентрации опасных газов на ранней стадии возникновения чрезвычайной ситуации.

Леонид Волков, заместитель генерального директора по техническим вопросам ООО НПК "ОЛЬДАМ"

Александр Лукьянченко, ведущий научный сотрудник ООО "ГазпромВНИИГАЗ", к.т.н.

Андрей Соколов, главный инженер ООО "НИИИТ"

Никита Лукьянченко, техник-оператор ООО НПК "ОЛЬДАМ"

В представленной статье:

• рассматриваются научные подходы мониторинга и контроля концентрации опасных газов на ранней стадии возникновения техногенных аварий, пожаров, взрывов;
• представлены теоретические основы метода детектирования наличия контролируемых газов на начальной стадии образования (возникновения) техногенной аварии, начальной стадии развития взрыва (пожара), фиксирования нарастающей взрывоопасной концентрации и осуществления мониторинга контролируемого объема;
• выявлена и обоснована необходимость использования данной технологии как элемента газоаналитической системы раннего обнаружения аварийных ситуаций до начала возникновения пожаровзрывоопасных состояний в составе АСУ объектов нефтегазовой отрасли;
• рассмотрены критерии и характеристики сенсорных модулей для работы в условиях низких температур, в том числе при производстве сжиженного природного газа;
• предложена обобщенная структура состава системы раннего обнаружения аварии, пожара, взрыва на такого рода объектах и приведено описание комплекса технических средств.

В настоящее время ведется создание и внедрение высокоинтенсивных технологических процессов переработки газа, таких как производство сжиженных углеводородных газов (СУГ) и сжиженного природного газа (СПГ), который имеет температуру кипения до -163 °С, и при испарении 1 куб. м пролитого сжиженного природного газа образуется более 600 куб. м газообразного метана, то есть порядка 6  тыс. куб. м опасной стехиометрической газовоздушной смеси и порядка 12 тыс. куб. м пожаровзрывоопасной смеси [4].

Вероятность воспламенения и зона взрыва такого объема горючей смеси зависят исключительно от параметров атмосферы (скорости ветра, температуры воздуха над поверхностью пролитого СПГ) и времени появления источника зажигания (воспламенения) газовоздушной смеси на площади и объеме образования опасной концентрации.

При разливах больших объемов СПГ и СУГ физико-химическое поведение еще научно и практически мало изучено, но с уверенностью можно определить, что зона поражения и наличия пожаровзрывоопасной концентрации возрастет на математические порядки [4].

Актуальность разработки новых методов раннего обнаружения пожара

Ключевая роль в обеспечении производственной безопасности газоперерабатывающих предприятий отводится системам газового контроля, позволяющим проводить постоянный мониторинг помещений и территорий объекта, а при возникновении развивающейся опасной ситуации – выполнять необходимые действия по управлению инженерными системами, системами оповещения персонала для предотвращения дальнейшего ее развития.

Исследование причин раннего возникновения пожаров и взрывов на основе научно обоснованной и экспериментально подтвержденной методологии позволяет обеспечивать обнаружение опасных концентраций на ранней стадии их образования, зон их образования и воздействия на контролируемый производственный объем.

Новые методы мониторинга и контроля концентрации опасных газов на ранней стадии возникновения техногенных аварийных ситуаций способствуют внедрению новых технологий обеспечения безопасности и оптимизации мер и средств предупреждения развития и локализации аварий, практически обеспечивая производственную безопасность.

На сегодняшний день для раннего обнаружения аварии, пожара, взрыва требуются высокотехнологичные сенсорные модули, которые входят в состав газоанализаторов и должны удовлетворять высоким требованиям по селективности, надежности и живучести. Кроме того, раннее обнаружение аварии, пожара, взрыва невозможно без программного обеспечения, при котором должен реализовываться интеллектуальный математический и физико-технологический подход.

Второй важнейшей задачей является разработка интеллектуальной газоаналитической системы на основе газоанализаторов с функцией раннего обнаружения аварии, пожара, взрыва.

В настоящее время реализуются крупные проекты по производству СПГ, для обеспечения безопасности которых потребуются современные системы и приборы регистрации, измерения и контроля, системы передачи и обработки данных.

Испытания датчика кислорода при низких температурах (– 60 °С)

Сжиженный природный газ относится к криогенным жидкостям и имеет низкую температуру кипения. Одним из критериев повышения безопасности такого производства является разработка приборов обнаружения газа с низкой температурой эксплуатации, которые устанавливаются в непосредственной близости от возможного источника выделения (образования).

На рисунке представлены экспериментальные исследования сенсорных ячеек, которые сохраняют работоспособность при воздействии низких температур.

Рисунок. Исследование термокаталитических и оптических сенсорных ячеек для СН4

Для разработки интегрированной интеллектуальной системы раннего обнаружения аварии пожара (взрыва) требуется совокупность контроля нескольких параметров (критериев), при изменении которых можно с уверенностью диагностировать начальную стадию образования опасной ситуации.

Для решения указанных задач в интеллектуальную систему целесообразно включать систему газоанализа, систему обнаружения пламени, систему контроля и измерения температуры.

Система должна взаимодействовать с различными уровнями информационных и управляющих систем, объединяя данные, поступающие с объектов регулирования в реальном времени, и на основе накопленной информации осуществлять построение математической модели процесса, базирующейся на прогнозировании и анализе данных для выработки управляющих воздействий упреждающего характера.

Система должна выполнять следующие функции:

• постоянное измерение наличия концентрации контролируемых газов;
• постоянное измерение температуры окружающей среды в зоне контроля;
• программную обработку с использованием интеллектуальных методов обработки и измерения;
• формирование управляющих команд и воздействий на исполняющие механизмы установок, инженерного оборудования;
• взаимодействие с верхним уровнем управления АСУ;
• контроль выполнения команд и управляющих воздействий на исполнительные механизмы;
• контроль работоспособности газоаналитического оборудования;
• контроль работоспособности тепловых извещателей;
• контроль работоспособности извещателей пламени;
• дистанционную проверку работоспособности сенсорных модулей газоанализаторов;
• дистанционную проверку работоспособности газоанализаторов;
• сбор и обработку контролируемых показателей, поступающих от приборов контроля;
• прием информации от смежных систем, интегрируемых в АСУ;
• выдачу команд на исполнительные механизмы, управляемые непосредственно от АСУ;
• передачу в смежные системы команд управления на исполнительные механизмы, управление которыми предусматривается по алгоритму обеспечения безопасности;
• определение интегральных показателей функционирования.

Испытательный стенд для измерений технико-физических характеристик сенсорных модулей

Основные функции алгоритма обработки данных

1. Формирование аварийного сигнала в случае резкого понижения температуры окружающей среды в зоне контроля, так как в случае разгерметизации технологических участков (систем), повлекших утечку СПГ, в зоне контроля произойдет скачкообразное изменение температуры.
2. Формирование аварийного сигнала в случае резкого повышения концентраций метана в зоне контроля, так как в случае разгерметизации технологических участков (систем), повлекших утечку СПГ, в зоне контроля произойдет скачкообразное изменение газовой концентрации.
3. Формирование аварийного сигнала в случае аварийного режима работы оптических газоанализаторов, так как в случае разгерметизации технологических систем, повлекших утечку СПГ, в зоне контроля будет скачкообразное изменение температуры, что повлечет возникновение конденсата на оптических элементах газоанализаторов, что приведет к нарушению их работоспособности.

Заключение

Все вышеперечисленные факторы должны рационально программно-логически взаимодействовать и работать в режиме "и/или". Математический, технологический и логический алгоритмы газоанализаторов необходимо формировать на базе проведенных НИОКР.

Для обеспечения безопасной работы объектов сжижения, транспортирования и хранения СПГ рекомендуется обеспечить визуальный контроль за контролируемой зоной для контроля возможных утечек и быстрое реагирование дежурным персоналом. Данное требование может быть обеспечено при использовании извещателей пламени с встроенной видеокамерой высокого разрешения и "черным ящиком" регистрируемого видеоряда.

Список литературы

1. Федеральный закон № 69-ФЗ "О пожарной безопасности".
2. Федеральный закон № 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности".
3. Абросимов А.А. Экология переработки углеводородных систем. М.: Химия. 2002.
   С. 608.
4. Абдурагимов И.М., Куприн Г.Н. Нерешенные проблемы пожаровзрывобезопасности энергоресурсов (СУГ и СПГ) как оборотная сторона успехов энергетической стратегии Российской Федерации // Пожаровзрывобезопасность. 2014. № 4. С. 43.
5. Обнаружение реальных пожаров детекторами угарного газа – зарубежный опыт. Результаты 10-летних исследований приводят к прыжку в технологии обнаружения пожара. Статья David Bywater. ПЕРЕВОД. http://daily.sec.ru/2011/12/28/ Obnarushenie-realnih-posharov-detektorami-ugarnogo-gaza-zarubeshniy-opit.html
6. Баканов В. Пожарные извещатели с газовым сенсором в свете актуальных нормативных требований // Технологии защиты. 2014. № 4. С. 71–78.
7. EN 50291-1 2010-04 + A1 2012-06 Electrical apparatus for the detection of carbon monoxide in domestic premises. Part 1: Test methods and performance requirements.
8. EN 50291-2:2010 Electrical apparatus for the detection of carbon monoxide in domestic premises. Part 2: Electrical apparatus for continuous operation in a fixed installation in recreational vehicles and similar premises including recreational craft. Additional test methods and performance requirements
9. EN 14604:2009. Smokealarmdevices.
10. Лукьянченко А.А. Автоматизированные системы обнаружения пожара и экологического мониторинга: монография. Академия ГПС МЧС России. 2011. С. 102.
11. Лукьянченко А.А. Математический расчет распространения опасных газов для противопожарной защиты и экологического мониторинга на потенциально опасных объектах, на примере объектов метрополитена // Соколов А.В., Манченков И.Б. // Каталог "Пожарная безопасность". 2009. С. 94.
12. Сайдулин Е.Г. Извещатели пожарные газовые. Физика процесса. http://www.ervist.ru/stati/izveschateli-pozharnye-gazovye.-fizika-protsessa.html

Оригинал публикации >>

Изображение от freepik