Konstruktywna technika zabezpieczania aparatów i instalacji procesowych przed skutkami wybuchu wywołanego obecnością palnych i wybuchowych pyłów, par i gazów przy pomocy systemu tłumienia i izolacji wybuchu znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle przetwórczym.
Wstęp
Podstawową zaletą techniki tłumienia jest identyfikacja wybuchu przy pomocy dynamicznego czujnika ciśnienia MEX (i w pewnych przypadkach przy pomocy czujników optycznych IR) na etapie wstępnym propagacji wybuchu i bezpośrednie tłumienie „zarzewia” wybuchu poprzez wtrysk proszku tłumiącego z zainstalowanych butli do chronionej objętości. Tłumienie wybuchu stosowane jest nie tylko do zabezpieczania aparatów procesowych, ale także do izolacji aparatu(-ów) zagrożonych wybuchem od reszty instalacji procesowej.
Sprowadza się to do zainstalowania na rurociągach procesowych na wlocie/wylocie z aparatu(-ów), dodatkowych butli z proszkiem tłumiącym lub zasuw szybkiego działania. Eliminuje to możliwość przeniesienia i propagacji wybuchu.
Instalacja magazynowania słodu
Schemat zabezpieczanej instalacji przyjmowania, oczyszczania i magazynowania słodu w browarze pokazany jest na rys. 1. Składa się z następujących elementów:
- stacji przyjęcia słodu z samochodu do pośredniego kosza zasypowego,
- transportu słodu do pierwszego podnośnika kubełkowego (wysokość 17 m) przy pomocy podajnika zgrzebłowego,
- z pierwszego podnośnika kubełkowego do stacji czyszczenia słodu z małych kamieni, kawałków metali i innych zanieczyszczeń,
- czysty słód jest dalej podawany grawitacyjnie do drugiego podnośnika kubełkowego (wysokość 32 m) i transportowany dalej przez podajnik zgrzebłowy do baterii silosów magazynowych,
- słód jest dalej podawany z baterii silosów przez podajniki zgrzebłowe do trzeciego podnośnika kubełkowego i dalej do warzelni, do dalszej przeróbki.
System tłumienia i izolacji wybuchu na trzecim podnośniku kubełkowym
Stopa i głowica podnośnika kubełkowego została wyposażona w dwa dynamiczne czujniki ciśnienia MEX oraz dwa czujniki optyczne IR. Czujnik ciśnienia MEX odpowiada za identyfikację wzrostu ciśnienia wywołanego wybuchem pyłów słodu.
Nagły wzrost ciśnienia, spowodowany powstaniem tak zwanej “kuli ogniowej”, związany jest z wartością stałej Kst [bar m s-1], która charakteryzuje dynamikę rozwoju wybuchu. Należy podkreślić, że czujnik ten nie będzie reagował na możliwe fluktuacje ciśnienia roboczego w podnośniku kubełkowym.
Dynamiczny czujnik ciśnienia MEX jest w rzeczywistości wyposażony w dwie niezależne celki pomiarowe (i gdy to jest konieczne także w czujnik pomiaru temperatury) i system zostanie uruchomiony tylko w przypadku gdy oba te czujniki (celki) równocześnie zidentyfikują nagły wzrost ciśnienia spowodowany wybuchem pyłu słodu. Czujnik MEX wysyła sygnał do przetwornika sygnału FAB, a ten dalej do jednostrefowej (w tym przypadku) centrali sterującej.
Centrala sterująca decyduje, w zależności od lokalizacji czujnika MEX czy zostaną uruchomione wszystkie zainstalowane butle z proszkiem tłumiącym czy tylko niektóre.
W sytuacji typowej system tłumienia nie posiada czujnika optycznego IR. Jednakże w pewnych sytuacjach procesowych doświadczenie zaleca stosowanie czujnika ciśnienia MEX oraz czujnika optycznego IR. Przykładem takiego zastosowania jest podnośnik kubełkowy, a praktycznie jego stopa i głowica. Czujnik IR zapewnia możliwość identyfikacji strumienia iskier/płomienia w stopie lub głowicy podajnika, a także w przypadku pojawienia się ich w kanałach transportujących.
Przyczyną stosowania czujnika IR,w podnośniku kubełkowym, jest potencjalna możliwość wystąpienia tzw. wolnych wybuchów, które mogą doprowadzić do sytuacji w której czujnik MEX nie zareaguje dostatecznie szybko. W takim przypadku czujnik optyczny da niezależny sygnał do centrali sterującej i zapewni uruchomienie systemu tłumienia i izolacji wybuchu.
Stopa i głowica analizowanego podnośnika kubełkowego została niezależnie wyposażona w butlę HRD z proszkiem tłumiącym. Dodatkowo, z powodu wysokości podnośnika (32 m) wydzielono na długości kanałów transportujących dwie sekcje, które zabezpieczono przy pomocy czterech butli HRD. Zapewnia to ochronę głowicy lub stopy podnośnika przed ewentualną propagacją wybuchu kanałami transportującymi słód. Ponadto, w celu zabezpieczenia wlotu i wylotu z podnośnika kubełkowego, przed potencjalnym przeniesieniem się wybuchu pyłu słodu na resztę instalacji procesowej, zainstalowano po jednej butli HRD, rys. 2.
W podobny sposób zabezpieczono pozostałe podnośniki kubełkowe na instalacji oczyszczania i magazynowania słodu a także w warzelni.
Wybuch na trzecim podnośniku kubełkowym
Przyczyną wybuchu w głowicy podnośnika kubełkowego było uszkodzenia głównego łożyska rolki taśmy, co spowodowało przesunięcie się taśmy i ocieranie o obudowę podnośnika, przy równoczesnym intensywnym grzaniu się obu elementów. Podajnik był wyposażony w czujnik przesuwu taśmy i czujnik ślizgania się taśmy. Oba nie zadziałały.
Intensywne grzanie, spowodowane tarciem, i wzrost temperatury spowodowały zapłon i silny wybuch mieszaniny powietrza i pyłu słodu w głowicy podnośnika.
Dynamiczny czujnik ciśnienia MEX zainstalowany w głowicy podnośnika zidentyfikował wybuch (w praktyce szybkość narastania ciśnienia w czasie charakterystyczną dla pyłu słodu – stała Kst) i podał sygnał, poprzez przetwornik sygnału FAB, do jednostrefowej centrali sterującej. Centrala uruchomiła wszystkie butle HRD z proszkiem tłumiącym, a także dwie butle na wlocie i wylocie podajnika, w celu odcięcia ewentualnej propagacji wybuchu.
W wyniku prawidłowego zadziałania systemu tłumienia i odcięcia wybuchu nie doszło do zniszczenia podnośnika kubełkowego i – co ważniejsze – do zniszczenia instalacji czyszczenia i magazynowania słodu. Jedyną konsekwencją wybuchu była konieczność wymiany obu czujników kontroli pracy taśmy oraz wymiana butli HRD.
Przebieg wybuchu (zależność zmian ciśnienia w czasie) pokazano na rys. 3. System zarejestrował następujące zmiany ciśnienia w czasie:
- dP: nagły wzrost ciśnienia w czasie (58,3 mbar w 50 ms, wartość charakterystyczna dla wybuchu słodu) który spowodował wysłanie przez czujnik MEX sygnału o wybuchu do centrali sterującej, w celu uruchomienia systemu tłumienia
- Pto: ustawiona wartość ciśnienia (1037 mbar, dla słodu) przy której czujnik MEX reaguje i uruchamia system w sytuacji gdy wcześniej nie zmierzył wartości dP (przypadek “wolnego” wybuchu),
- Pred: zmierzona zredukowana wartość ciśnienia wybuchu, po zadziałaniu systemu tłumienia.
Możliwe konsekwencje
Możliwe konsekwencje wybuchu na analizowanym podnośniku kubełkowym są trudne do jednoznacznego oszacowania. Zabezpieczenie samego podnośnika kubełkowego mogłoby go uchronić przed ewentualnym zniszczeniem. Jednakże tylko zastosowanie systemu tłumienia i izolacji wybuchu stwarza efektywną możliwość zabezpieczenia całej instalacji czyszczenia i magazynowania słodu oraz warzelni.
Systemy tłumienia i izolacji wybuchu, w celu ochrony aparatów i instalacji procesowych, należą do grupy bardzo nowoczesnych konstruktywnych systemów zabezpieczenia. Posiadają one szereg zalet w stosunku do alternatywnych rozwiązań opartych o odpowietrzenie wybuchu. Do chwili obecnej nasza firma zabezpieczyła w ten sposób zarówno szereg aparatów procesowych (np. filtry), jak i instalacji.
Literatura:
- Sam Mannan, Lee’s Loss Prevention in the Process Industries, Hazard Identification, Assessment and Control, 3rd edition, vol. 2, 2005,
- J.Barton, Dust explosion Prevention and Protection, IchemE, Warwickshire, UK, 2002,
- A. Laszuk, A. Wolff, Systemy zabezpieczeń przeciwwybuchowych w przemyśle chemicznym, Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2003, 6, 19-24,
- P.E. Moore, D.J. Spring, Design of explosion isolation barriers, Trans IchemE, part B, Process Safety and Environmental Protectrion, 2005, 83 (B2), 161-170,
- Kees van Wingerden, Auslegung von Explosionsentkopplungenssystem, TU Bd. 46 (2005), Nr. 9 – September.
