بهینه سازی چیدمان آشکارسازهای گاز و آتش F&G در صنایع فرآیندی

به قلم امین قادری کیا

مقدمه

با گسترش و پیشرفت روزافزون دانش مهندسی، امروزه واحدهای صنعتی فرایندی، بسیار پیچیده ­تر و بزرگتر از گذشته شده اند و در نتیجه افزایش قابل ملاحظه حجم مواد فراوری شده در واحدهای فرایندی و متعاقباً افزایش میزان مخاطرات را شاهد هستیم. در ۶ جولای ۱۹۹۸، در سکوی پایپر آلفا یک نشتی گاز در کمتر از چندین ثانیه به دلیل نبود سیستم اطفاء حریق شعله گرفت و تبدیل به انفجار و آتش­سوزی شدیدی شد و در نهایت از مجموع ۲۲۹ نفر پرسنل حاضر ۱۶۶ نفر جان خود را از دست دادند. اگرچه دلیل نشتی مشخص شد ولی اینکه چه چیزی سبب شروع آتش­گیری شد نامعلوم ماند. ابعاد حادثه بسیار بزرگ بود و در کمتر از ۲۲ دقیقه کل سکو از بین رفت. واقعه سکوی پایپر آلفا یکی از بزرگترین حوادث صنایع نفت و گاز بود و باعث توجه بیشتر به ایمنی در صنایع نفت و گاز شد.

صنایع پتروشیمی به طور فزاینده ­ای درگیر استفاده و ساخت گازهای خطرناک که اکثرشان شعله­ پذیر و سمی می­ باشند می باشد.نشتی این گازها به طور مکرر سبب به وجود آمدن حوادث ناخواسته مثل از دست رفتن جان انسانها و تجیزات می­ شود. نشتی گاز در اکثر موارد اجتناب ناپذیر است اما خوشبختانه تمام این نشتی­ ها تبدیل به حوادث خطرناک نمی­ شوند.

جهت جلوگیری از بروز حوادث محتمل، فناوری های مختلفی برای محافظت از فرایند در برابر مخاطرات ارائه شده ­اند و دانش ایمنی فرایند نیز به موازات این پیشرفتها و به منظور کاربرد درست چنین فناوریهایی ارتقا و گسترش یافته ­است.  استفاده از تجهیزات هشدار دهنده­ ی اولیه مثل آشکارسازهای شعله و گاز بخشی از اقدامات ایمنی به کار رفته به منظور کاهش خطرات نشتی گاز برای پرسنل، واحد فرایندی و محیط زیست توسط اکثر صنایع می ­باشد.

دتکتورها با پایش محیط فرایند و شناسایی گازهای خطرناک رها شده از تجهیزات فرایندی -شامل گازهای سمی و قابل اشتعال – می توانند به کاهش ریسک ناشی از حوادث کمک کنند. یک دتکتور گاز با تشخیص به موقع نشتی و آگاه ساختن بهره­ بردار فرصت کافی در اختیار وی قرار میدهد تا با انجام اقدامات مناسب از تبدیل شدن نشتی به انفجار و یا آتش سوزی و در نتیجه خسارت مالی و جانی جلوگیری کند. این، تجهیزات با قرار گرفتن در لایه حفاظتی تخفیف و با فعال کردن سیستم های اتوماتیک همچون: توقف اضطراری، تخلیه اضطراری، هشدار و کنترل منابع جرقه سبب جلوگیری از وقوع حوادث آتش ، انفجار، نشرحوادث سمی و یا کاهش پیامدهای آنها می شوند و به­ طور هم­زمان و خودکار اقدامات ایمنی اولیه مثل فعا­ل­سازی ESD، ISC، آب­های آتش­نشانی، ایزولاسیون سیستم و تخلیه پرسنل و سایر تجهیزات را انجام می­دهند.

در اکثر استانداردهای مهندسی صرفاً به الزام نصب دتکتورهای گاز اشاره شده است بدون اینکه تعداد مورد نیاز مشخص شوند و معمولاً طراحی سیستم براساس تشخیص بدترین سناریوی نشتی است در حالی که ممکن است نشتیهای کوچکتر ولی با احتمال بیشتر تشخیص داده نشوند. از همین رو در چند سال گذشته پژوهشهایی به منظور ارتقای شیوه های طراحی و به ویژه جانمایی و جایگذاری دتکتورهای گاز صورت گرفته است. پژوهش حاضر تلاش دارد تا به کنکاش در مسائل مرتبط با طراحی سیستمهای تشخیص گاز و بویژه جایگذاری بهینه دتکتورهای گاز بپردازد. همچنین از اهداف اصلی این پژوهش، ارائه راهکاری قابل اعتماد مبتنی بر ریسک در جانمایی دتکتورهاست.

اصول کار سیستم­های تشخیص گاز

اصلی­ترین هدف از نصب آشکارسازهای گاز شناسایی نشتی گازهای سمی و اشتعال­ پذیر پیش از تبدیل آنها به حوادث خطرناک و از دست رفتن جان افراد و تجهیزات می ­باشد.

سیستم­های شناسایی گاز شامل انواع مختلف شناساگرها، سطح تشخیص و منطق­ه ای هشدار می­باشند. بنابراین در نطر گرفتن عوامل بسیاری نظیر نوع آشکارساز، تعداد آشکارساز، مکان نصب، سطح تشخیص و سایر موارد پیش از نصب آشکارسازها مهم می ­باشد. در مطالب آتی بیشتر در مورد سیستم­های آشکارساز گاز صحبت می­ کنیم.

دو اصل اساسی در رابطه با استفاده از آشکارسازهای گاز عبا رت­ند از:

• تشخیص نقطه ­ای
• تشخیص مسیر باز

وقتی گاز نشت می ­کند, ممکن است ابر گاز تشکیل شده ایستا باشد و یا بسته به عوامل مختلف مثل باد، نرخ نشتی، غلظت گاز و ساختر اطراف نشتی از بین برود.

طبق (جنرال مانیتورز۲۰۱۴) اگر نشتی گاز تشکیل ابر گاز دهد سه حالت ممکن است رخ بدهد.

• غلظت­های بالای گاز در منبع می­باشند و به سمت لبه ­ها پایین می­آیند.
• بسته به جریان هوا شکل ابر به صورت کشیده یا بدون الگوی خاصی می­باشد.
• همان­طور که در شکل زیر نشان داده شده است در هوای آزاد ابر گاز سریع­تر پراکنده می­ شود و غلظت کمتری خواهد داشت.

آگاهی از رفتار ابر گاز به هنگام نشت گاز می­تواند در چیدمان آشکارسازها مفید باشد. به این ترتیب همان­طور که در شکل نشان داده شده است؛ یک راه خوب برای شروع این است که شناساگرهای نقطه­ ای را به دلیل غلظت بالای گاز در اطراف منبع نشتی قرار داد و آشکارسازهای مسیر باز را در مرزهای واحد قرار داد زیرا که در این نقاط می­توانند نظارت بهتری بر حرکت ابر گاز (در جهت یا خلاف جهت باد) در محیط اطراف واحد داشته باشند. آشکارسازهای مسیر باز به آشکارسازهای خطی نیز معروفند و ما در این بخش دو اصلی که اساس نصب شناساگرهای گاز را تشکیل می­دهند معرفی می ­کنیم.

• اصول شناسایی نقطه ­ای

شناساگرهای نقطه ­ای غلظت گاز مورد نظر را در نقطه­ ی خاصی که نصب شده ­اند اندازه ­گیری می­کنند. باید توجه کرد که گاز مورد نظر باید به شناساگر نقطه­ ای برسد(برخورد فیزیکی) تا شناساگر بتواند وجود گاز را تشخیص دهد به همین دلیل این شناساگرها فضای محدودی را پوشش می­دهند. غلظت گازهای اشتعال ­پذیر بر اساس درصدی از LFL و گازهای سمی بر اساس مقدار PPM  یا PPB اندازه­ گیری می ­شوند

از آنجایی که آشکارسازهای نقطه ­ای فضای محدودی را پوشش می­دهند و گاز مورد نظر باید تماس مستقیم با آشکارساز داشته باشد باید آشکارسازهای زیادی برای پوشش مناسب یک محیط فرآیندی استفاده شود. بسیاری از انواع شناساگرها مثل شناساگرهای مادون قرمز، کاتالیستی، صوتی، نیمه هادی و الکتروشیمیایی بر این اساس کار می ­کنند.

• اصول شناسایی مسیر باز

در این روش شناسایی غلظت گاز مورد نظر در طول یک خط پرتو اندازه­گیری می­شود که تکنولوژی مادون قرمز تنها تکنولوژی شناسایی است که از این اصل پیروی می­ کند.

غلظت گاز مورد نظر هنگام عبور گاز از مسیر خط پرتو اندازه ­گیری می­شود و مثل تشخیص نقطه­ای، غلظت مربوط به نقطه­ی خاصی نمی­باشد. برتری این روش نسبت به روش نقطه­ای در این است که با این روش فضای بسیار بیشتری را می­توان پوشش داد.

ایراد این نوع اندازه ­گیری غلظت در این است که تفاوتی بین یک ابر گاز کوچک با غلظت بالا و یک ابر گاز بزرگ با غلظت کم قائل نمی­شود. به عنوان مثال یک ابر گاز به طول یک متر با غلظت ۱۰۰%LFL هیچ تفاوتی با یک ابر گاز به طول ۱۰ متر و ۱۰%LFL ندارد.

از طرفی از آنجایی­که شناساگرهای خطی می­توانند جایگزین چندین شناساگر نقطه ­ای شوند، در صورت خراب شدن ( مثلا مسدود شدن مسیر پرتو توسط تجهیزات یا پرسنل) محدوده­ ی پوشش خود را آسیب ­پذیر و بدون حفاظت قرار می­دهند.

تکنولوژی تشخیص گاز

در این بخش تکنولوژی­های مختلفی که در شناسایی هیدروکربن­ها به کار می­روند را بررسی می­ کنیم.مکان­های صنعتی جدید محیط های پیچیده­ ای برای نظارت­ های ایمنی می­ باشند و فاکتورهای زیادی در انتخاب شناساگر مناسب برای یک مکان ویژه نقش دارند. به طور کلی در تاسیسات نفت و گاز آشکارسازهای مختلفی با تکنولوژی­ های متفاوت برای شناسایی گازهای صنعتی نصب می­  کنند که این امر را “تنوع فناوری می­ نامیم. به این معنی که ترکیب انواع مختلف فن­ آوری­ های شناسایی امکان خطا در شناسایی را کاهش می­دهد.

برای انتخاب یک ترکیب مناسب باید یک دید کلی از انواع شناساگرهای موجود در بازار، نقاط ضعف و قدرتشان داشته باشیم. برخی از فن­آوری­های شناسایی گاز عبارت­ است از:

• کاتالیزوری
• مادون قرمز
• فرا صوت
• نیمه هادی
• الکتروشیمیایی