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.

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

Опубликовано в каталоге "Пожарная безопасность"