Przerywacze płomienia stanowią jedno z najważniejszych urządzeń zabezpieczających instalacje technologiczne przed rozprzestrzenieniem się płomieni, a tym samym pożaru lub wybuchu. Przy ich doborze pojawia się jednak wiele niewiadomych, które wynikają głównie ze złożoności realizowanego procesu oraz własności mediów. Liczba zmiennych, które należy uwzględnić przy doborze przerywaczy płomienia wraz z fluktuacją niektórych parametrów procesu, może przyprawić niejednego inżyniera o ból głowy. Aby lepiej zrozumieć procedurę doboru przerywaczy płomienia, przeanalizujmy teoretyczny przypadek majstra Kleciółki.
Abecadłem w tematyce związanej z przerywaczami płomienia jest obowiązująca norma PN EN ISO 16852: 2012 „Przerywacze płomienia – wymagania eksploatacyjne, metody badań i ograniczenia stosowania”. Stanowi ona rozwinięcie poprzednio funkcjonującej normy PN EN 12874 „Przerywacze płomienia. Wymagania konstrukcyjne, metody badań i zakres stosowania”, która uwzględnia wkład merytoryczny międzynarodowych organizacji, takich jak ISO czy NFPA lub IEC. Przed przystąpieniem do doboru przerywaczy płomienia należy zapoznać się z zawartymi w normie definicjami poszczególnych typów przerywaczy płomienia, metodyką oraz ograniczeniami w stosowaniu danego typu przerywaczy płomienia.
Wiedza zawarta w normie podparta doświadczeniem i tzw. dobrą praktyką inżynierską pozwala rzetelnie podejść do tematu doboru przerywaczy. Należy przy tym pamiętać, że głównym celem doboru właściwego zabezpieczenia jest dostosowanie poziomu bezpieczeństwa na terenie zakładu do wytycznych zawartych w dokumencie zabezpieczenia przed wybuchem oraz obowiązujących norm.
Dobór przerywaczy płomienia – warunki procesu
Majster Kleciółka raz na tydzień (przykładowo w piątek) wyłącza linię produkcyjną, której ważnym elementem jest instalacja sprężonego wodoru (grupa wybuchowości IIC). Proces jej wyłączania wiąże się z koniecznością rozhermetyzowania linii produkcyjnej i wypuszczenia do atmosfery 20 m3 wodoru o ciśnieniu początkowym 2 barg oraz temperaturze 45°C. Linia produkcyjna jest wyposażona w dwa rurociągi zrzutowe o średnicy DN 50, które są wyprowadzone ponad powierzchnię dachu budynku. Na każdy z nich przypada po 10 m3 gazu. Zgodnie z założeniami wymagane jest więc zastosowanie dwóch przerywaczy płomienia.
Pytanie, które powinniśmy sobie w tym miejscu postawić, to jaki typ przerywacza płomienia jest w omawianym przypadku wymagany? Czy deflagracji, detonacji, rurowy, końcowy, a może detonacji niestabilnej lub długotrwałego spalania? Niestety, na to pytanie norma nie udziela odpowiedzi. Dobór właściwego typu przerywacza płomienia powinien zatem przeprowadzić projektant lub specjalista posiadający doświadczenie pozwalające ocenić rodzaj zjawiska spalania, które powstanie w konkretnych warunkach, oraz wpływ parametrów procesu na przebieg tego zjawiska. Spróbujmy więc przeprowadzić taką analizę.
Dobór przerywaczy płomienia – analiza danych
Opierając się na założeniach dla wyżej opisanego przykładu, możemy przeprowadzić analizę doboru przerywaczy płomienia według następujących kroków:
Objętość 20 m3 gazu pod ciśnieniem 2 barg oraz o temperaturze 45°C po otwarciu zaworów spustowych wypłynie do atmosfery rurociągiem DN 50, rozprężając się. Długość rurociągu zrzutowego, mierząc od zaworu spustowego, liczy 10 m, co daje objętość około 0,02 m3. Pomiary ciśnienia w rurociągu podczas zrzutu wskazują, że rozprężenie tej ilości gazu do ciśnienia atmosferycznego następuje w bardzo krótkim czasie. Na tej podstawie możemy wnioskować, iż będziemy mieli do czynienia z tzw. deflagracją atmosferyczną – czyli spalaniem gazu wypływającego do atmosfery. W naszym przypadku zjawisko to może wystąpić jedynie w chwili zrzutu wodoru, czyli raz na tydzień lub w sytuacjach awaryjnych. Bazując na powyższych informacjach, możemy stwierdzić, iż wymaganym typem zabezpieczenia będzie końcowy przerywacz płomienia deflagracji certyfikowany dla temperatury roboczej max. 60°C w grupie wybuchowości IIC.
Następnym krokiem jest sprawdzenie, jaki spadek ciśnienia wywoła strumień gazu przepływający przez przerywacz płomienia deflagracji IIC o średnicy DN 50. Przyjętą wartością graniczną jest opór przepływu nie większy niż 3 mbary. Wyższy spadek ciśnienia mógłby doprowadzić do znacznego wydłużenia czasu wypływu gazu do atmosfery. W takim przypadku można się spodziewać wystąpienia zjawiska spalania krótkotrwałego (od 1 do 30 minut) lub długotrwałego (powyżej 30 minut), a to z kolei wymagałoby zastosowania innego, droższego przerywacza, który posiada certyfikat dla tego typu zjawiska spalania.
Obniżenie oporów przepływu możemy osiągnąć poprzez zastosowanie przerywacza płomienia o większej średnicy lub zwiększając liczbę przerywaczy. Ostateczny wybór jest determinowany głównie czynnikiem ekonomicznym oraz ograniczeniami technologicznymi.
Producenci przerywaczy płomienia udostępniają wykresy natężenia przepływu w funkcji spadku ciśnienia dla normalnych warunków, czyli przepływu wyrażonego w normalnych metrach sześciennych na godzinę [Nm3/h)] w temperaturze 0°C i ciśnieniu 1 atmosfery. Dlatego też rzeczywiste warunki dla naszego procesu bezwzględnie należy przeliczyć na warunki normalne. Nieuwzględnienie rzeczywistych właściwości gazu prowadzi do bardzo dużych różnic w określeniu średnicy wymaganego przerywacza płomienia oraz ich liczby lub typu, a w konsekwencji znacznie podnosi koszty inwestycji, zwłaszcza w przypadku doboru zabezpieczeń dla gazów o gęstości znacznie różniącej się od gęstości powietrza.
Ostatnim krokiem doboru urządzenia, po określeniu spadków ciśnienia dla przepływu przeliczonego dla warunków normalnych, jest wytypowanie materiału z jakiego należy wykonać jego korpus oraz filtr płomienia. Trzeba również określić rodzaj przyłącza, w jakie ma być wyposażony przerywacz płomienia. Dobory te wykonuje się na podstawie własności korozyjnych medium oraz rodzaju materiału, z jakiego została wykonana chroniona instalacja.
Podsumowanie
Podsumowując, w naszym przypadku efektem przeprowadzonego doboru jest zabezpieczenie rurociągów zrzutowych poprzez zastosowanie dwóch końcowych przerywaczy deflagracji DN50 w grupie wybuchowości IIC, które zostały zabudowane na końcach rurociągów wyprowadzonych ponad dach hali.
Od przygotowania dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem i lektury normy ISO 16852 minęło kilka tygodni, nastały późnojesienne listopadowe szarugi, a majster Kleciółka zaaprobował dobór przerywaczy płomienia. Urządzenia zostały zamówione i zainstalowane. Po kilku tygodniach bezproblemowego użytkowania instalacji, pewnego piątkowego wieczoru, podczas procesu zrzutu wodoru do atmosfery okazało się, iż na manometrze mierzącym ciśnienie w rurociągu spustowym widnieje niebezpiecznie wysokie ciśnienie rzędu 1,9 barg. Majster Kleciółka, zamiast wybrać się na zasłużony odpoczynek, musiał pofatygować się na dach hali w miejsce zabudowy przerywaczy płomienia, aby sprawdzić, co się stało. Po wejściu na dach oraz demontażu pokrywy chroniącej końcowy przerywacz płomienia (z użyciem narzędzi nieiskrzących) nasz dzielny majster mocno się zdziwił. Jego oczom ukazał się filtr płomienia końcowego przerywacza całkowicie pokryty warstewką lodu. Niestety wodór jest gazem o odwrotnej wartości współczynnika Joule’a-Thomsona i przy rozprężaniu ogrzewa się. Zjawisko to doprowadziło do skroplenia się wilgoci z atmosfery (a tej w listopadzie nie brakuje). Skroplona wilgoć w temperaturze poniżej zera zamarzła, blokując przepływ.
Czy dobór typu przerywacza był niewłaściwie przeprowadzony? Zasadniczo wszystko zostało wykonane prawidłowo. Nie uwzględniono tu jedynie dodatkowych środków bezpieczeństwa w postaci izolacji ciepłochronnej lub ogrzewania za pomocą taśm grzejnych albo mediów grzejnych (korpus przerywacza płomienia musi być dodatkowo wyposażony w zintegrowany płaszcz grzewczy, umożliwiający podłączenie pary wodnej lub kondensatu).
Źródło: Grupa Wolff
