Точечные инфракрасные детекторы газа

Что такое инфракрасный детектор газа?

Детекторы горючих газов — полевые элементы систем контроля загазованности, которые позволяют выявить утечку во взрывоопасной зоне до того, как образуется воспламеняемая смесь. Результат обычно выражается в процентах нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР); 100 % НКПР соответствует наименьшей концентрации, при которой газ образует с воздухом воспламеняемую смесь. Пороги срабатывания задаются в нижней части этой шкалы, чтобы выиграть время для реагирования.

Инфракрасный (ИК) детектор основан на том, что молекулы углеводородов поглощают инфракрасное излучение на определенных длинах волн. В отличие от термокаталитических датчиков, измерение не опирается на реакцию горения на поверхности чувствительного элемента; поэтому ему не требуется присутствие кислорода и на него не действуют механизмы отравления, характерные для каталитических элементов. Воздействие высоких концентраций газа также не приводит к необратимой потере чувствительности оптических измерительных элементов.

Детектор, описанный на этой странице, — точечного типа: газ должен попасть в его оптическую измерительную зону путем диффузии. Поэтому его устанавливают рядом с вероятными источниками утечек — компрессорами, уплотнениями насосов, фланцами и группами арматуры. Для контроля периметра больших площадей его можно сочетать с линейными детекторами горючих газов. Водород и другие газы, не поглощающие ИК-излучение, таким способом измерить нельзя.

Принцип точечного ИК-измерения газа

Детектор рассчитывает концентрацию, сравнивая поглощение газа на оптическом пути на двух разных длинах волн. Измерение выполняется в несколько этапов:

1.      Диффузия газа в измерительную зону: Газ из окружающей среды попадает в оптическую измерительную зону путем диффузии через защитный экран или защитный колпачок. Экран защищает измерительную зону от дождя, пыли и прямого воздушного потока, но несколько увеличивает время отклика: T90 составляет 2 с с экраном и менее 1 с без него.

2.      Обогрев оптических поверхностей: Оптические поверхности подогреваются, чтобы влага и конденсат не нарушали оптический путь. Такое решение особенно важно для непрерывности измерения на морских объектах и площадках с высокой влажностью.

3.      Поглощение на измерительной и опорной длинах волн: В твердотельном оптическом узле излучение ИК-источника проходит через оптический путь с газом и попадает на приемники. Измерительная длина волны совпадает с полосой поглощения связей C–H углеводородов, а опорная находится в области, на которую газ не влияет. С ростом концентрации газа уменьшается только сигнал измерительного канала.

4.      Расчет соотношения и температурная компенсация: Соотношение сигналов двух каналов в значительной мере компенсирует изменения, одинаково влияющие на оба канала: старение источника, загрязнение оптики и изменение температуры. Алгоритм с температурной компенсацией пересчитывает это соотношение в значение % НКПР по калибровочной кривой, заданной на заводе.

5.      Самоконтроль и выходной сигнал: Детектор непрерывно выполняет перекрестную проверку состояния ИК-источников и приемников, при необходимости вносит внутренние поправки и без перерыва контролирует свои основные функции. Измеренное значение передается по 4–20 мА и HART, а сведения о состоянии — по Modbus RTU через RS-485.

Установка в воздуховодах

Для точек измерения внутри воздуховодов, например в вентиляционных каналах и линиях забора воздуха, предусмотрены исполнения с удлиненным зондом 15 см и 35 см. Их можно монтировать с помощью фланцевых комплектов для воздуховодов из стали AISI 316, совместимых с DIN 150 и DIN 200 PN6, JIS 150 и JIS 200 5K и JIS 105 10K, или хомутового комплекта из нержавеющей стали; для фланца воздуховода доступен отдельный комплект для подачи тестового газа.

Функциональная проверка без газа и проверка тестовым газом

Для рутинных проверок имеется тестер без газа, создающий эквивалент 50 % НКПР по метану: он помогает проверить цепь сигнализации без доставки тестового газа на объект. Когда требуется функциональная проверка газом (bump test), можно использовать насадку для тестового газа, ручной, короткий или средний колпак для подачи газа и комплект для дистанционной подачи газа. Отсутствие регулировки калибровки на объекте не отменяет периодических функциональных проверок и контрольных испытаний (proof test).

Отклик инфракрасного детектора горючих газов на разные углеводороды может отличаться от отклика на калибровочный газ. Если на объекте присутствует несколько видов газа, выбор калибровочного газа и порогов срабатывания должен учитывать эти различия; эффективность обнаружения определяется рассеиванием газа и положением детектора относительно источника утечки.

Ключевые особенности

·         Двухволновое оптическое измерение: Совместное использование измерительной и опорной длин волн ограничивает влияние загрязнения оптики и старения источника на показания.

·         Без регулировки калибровки на объекте: Детектор калибруется на заводе; внутренний механизм перекрестного контроля направлен на удержание калибровки в узком диапазоне допуска, регулировка калибровки на объекте не выполняется.

·         Интервал контрольных испытаний 5 лет: Длительный интервал между контрольными испытаниями помогает упростить планирование обслуживания приборных функций безопасности.

·         Функциональная проверка без газа: Специальный тестер позволяет выполнять функциональные проверки без доставки тестового газа на объект.

·         Обогреваемая оптика: Удаление влаги с оптических поверхностей помогает предотвратить погрешности измерения и неисправности, связанные с конденсацией.

·         Быстрый отклик: Время отклика составляет T90 = 2 с с защитным экраном и T90 < 1 с без него.

·         Широкий диапазон условий окружающей среды: Работа при температуре от –40 до +75 °C и относительной влажности 0–99 % подходит для установки в помещениях и на открытых площадках.

·         Стойкость к вибрации: Испытания на вибрацию по IEC 60079-29 подтвердили работу в пределах заданного допуска без потери функций, сигналов неисправности и ложных срабатываний.

·         Несколько выходов и индикатор состояния: Предусмотрены выход 4–20 мА с конфигурацией source или sink, HART, RS-485 Modbus RTU и многоцветный светодиодный индикатор на лицевой стороне детектора.

·         Защита от ошибок подключения: Электроника рассчитана на подачу питания при случайно перепутанных проводах на клеммах; пусковой ток ограничен значением 1 А.

·         Удлиненные зонды для воздуховодов: Исполнения с удлинением 15 см и 35 см позволяют выполнять фланцевый монтаж для измерения газа внутри воздуховодов.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые технические данные точечного инфракрасного детектора газа, описанного на этой странице. Целевой газ, справочный стандарт НКПР, конфигурация выхода и вариант сертификации определяются при заказе; окончательные значения следует подтверждать для выбранной конфигурации.

Время отклика зависит от того, используется ли защитный экран; в арктическом исполнении потребляемая мощность выше, а запуск при температуре ниже –20 °C длится дольше. Значение точности относится к калибровочному газу; для других углеводородов показания могут отличаться.

Основные преимущества

·         Измерение, устойчивое к отравлению: Поскольку измерение не основано на каталитической реакции на поверхности, отсутствует риск потери чувствительности из-за веществ, способных влиять на термокаталитические датчики, например силиконов или соединений серы.

·         Работа независимо от кислорода: Оптическое измерение не зависит от содержания кислорода в окружающей среде, поэтому контроль горючих газов может продолжаться в инертизированных зонах или зонах с пониженным содержанием кислорода.

·         Меньший объем обслуживания: Отсутствие регулировки калибровки на объекте, интервал контрольных испытаний 5 лет и функциональная проверка без газа сокращают время обслуживания на объекте и логистику тестового газа.

·         Быстрая и стабильная сигнализация: Малое время T90 и измерение по соотношению сигналов способствуют раннему выявлению утечек и стабильной оценке порогов срабатывания.

·         Стойкость к тяжелым условиям объекта: Корпус из нержавеющей стали 316, степени защиты IP66/IP67 и NEMA 4X, обогреваемая оптика и стойкость к вибрации обеспечивают конструкцию, подходящую для морских и прибрежных объектов.

·         Удаленный контроль состояния: Сведения о состоянии, передаваемые по Modbus RTU, помогают контролировать детекторы из операторной и планировать обслуживание по фактической потребности.

·         Применимость для функциональной безопасности: При наличии опционального сертификата SIL 2 по IEC 61508 детектор после оценки может быть включен в приборные функции безопасности; верификация на уровне контура по-прежнему необходима.

Области применения

Точечные инфракрасные детекторы газа применяются для измерения рядом с источниками утечек во взрывоопасных зонах, где могут присутствовать углеводородные газы:

Наземные и морские объекты нефтегазовой отрасли

Контроль утечек рядом с сепараторами, компрессорами и насосными агрегатами на технологических объектах и трубопроводах.

Платформы, суда FPSO и FLNG

Обеспечивают непрерывное измерение на плавучих установках добычи и сжижения в условиях солевой атмосферы и вибрации благодаря обогреваемой оптике и корпусу из нержавеющей стали.

Нефтеперерабатывающие заводы

Применяются на технологических установках для контроля утечек углеводородов, прежде всего метана и пропана, на уровне % НКПР.

Химические и нефтехимические предприятия

Образуют уровень точечного контроля загазованности на линиях подачи горючих газов, вокруг реакторов и в зданиях компрессорных.

Объекты энергетики

Обеспечивают обнаружение утечек на пунктах подготовки природного газа, в укрытиях газовых турбин и на участках топливоподготовки; исполнения для воздуховодов можно применять в вентиляционных линиях. Измерение кислорода в дымовых газах для управления горением рассматривается как отдельная задача и решается кислородомерами in-situ.

Резервуарные хранилища и пункты слива

Устанавливаются рядом с вероятными источниками утечек вокруг резервуаров, в насосных и в пунктах слива.

Газонаполнительные и распределительные терминалы

Применяются для контроля утечек пропана и метана на наливных стояках, компрессорных и газорегуляторных пунктах.

Транспорт газа и трубопроводы

Обеспечивают точечный контроль загазованности на компрессорных станциях, в помещениях запорной арматуры и на газоизмерительных станциях.

Как выбрать инфракрасный детектор газа

Эффективность точечного детектора газа зависит от того, измеряется ли нужный газ в нужной точке. Перед технической оценкой следует уточнить следующее:

Целевой газ и требования к измерению

·         Преобладающий углеводород на объекте и выбор калибровочного газа: метан или пропан

·         При наличии нескольких углеводородов — различия отклика относительно калибровочного газа

·         Справочный стандарт НКПР: NFPA (2017) или IEC/ISO

·         Контроль рисков, которые нельзя измерить ИК-методом, например водорода и токсичных газов, отдельными технологиями

Точка монтажа и принадлежности

·         Расстояние до источника утечки и плотность газа относительно воздуха — верхнее расположение для метана, который легче воздуха, нижнее для пропана, который тяжелее воздуха

·         Свободностоящий монтаж или монтаж в воздуховоде с удлинением 15 см / 35 см

·         Необходимость комплекта для монтажа на трубостойке (2 дюйма или 3–4 дюйма), солнцезащитного козырька, противомоскитной сетки, защитного экрана или колпачка

·         Применение аспирационного комплекта, если требуется принудительный отбор пробы

Условия окружающей среды

·         Остается ли температура окружающей среды в пределах от –40 до +75 °C

·         Арктическое исполнение для холодного климата и увеличенное время запуска ниже –20 °C

·         Выбор защитного экрана с учетом воздействия дождя, пыли и прямого ветра и его влияние на время отклика

Стратегия испытаний и обслуживания

·         Согласование периодичности контрольных испытаний с требованиями безопасности

·         Выбор между тестером без газа, комплектом дистанционной подачи газа и колпаком для подачи тестового газа

·         Необходимость сертификата калибровки

Интеграция в систему и сертификация

·         Конфигурация выхода 4–20 мА как source или sink

·         Необходимость контроля состояния по HART и Modbus RTU

·         ATEX, IECEx, INMETRO или взрывозащита для США и Канады в зависимости от страны проекта

·         Требование о сертификате SIL 2

Точечные детекторы обеспечивают более полную защиту, если планируются вместе с линейными детекторами для контроля больших площадей, а в зонах с риском пожара — с извещателями пламени IR3 или УФ/ИК извещателями пламени. Измерение НКПР для целей безопасности следует рассматривать как задачу, отдельную от технологических средств измерений, таких как промышленные газовые хроматографы или анализаторы кислорода и горючих компонентов.

Сертификаты для взрывоопасных зон и стандарты соответствия

Ниже перечислены варианты сертификации, доступные при заказе, и стандарты соответствия, указанные для этого инфракрасного детектора газа.

Для каждого проекта проверяйте по действующим копиям сертификатов детали маркировки взрывозащиты (группа газов, температурный класс) и объем сертификатов характеристик газоаналитического оборудования, если они имеются. Сертификат калибровки и сертификат SIL 2 по умолчанию не поставляются; при необходимости их нужно заказать отдельно.

Решения TLY Enerji для ИК-контроля загазованности

Эффективность точечных детекторов газа зависит от того, измеряется ли нужный газ в нужной точке и относительно правильной справочной базы. В проектах TLY Enerji в первую очередь анализирует перечень углеводородов на объекте, вероятные источники утечек, плотность газов относительно воздуха и условия окружающей среды; выбор калибровочного газа, справочного стандарта НКПР, монтажных принадлежностей и элементов защиты от внешних воздействий основывается на этих данных.

Мы оказываем инженерную поддержку в подключении выходов 4–20 мА, HART и Modbus RTU к системе контроля загазованности, ПЛК или РСУ, внесении уровней тревоги и состояний неисправности в перечень сигналов, планировании функциональных проверок газом при пусконаладке и подготовке программ контрольных испытаний и проверок тестовым газом. При оценке вариантов размещения, сочетающих точечные и линейные детекторы, мы также предоставляем проектным командам техническое заключение.

Часто задаваемые вопросы

Что такое инфракрасный детектор газа?

Инфракрасный детектор газа — стационарное средство обнаружения газа, основанное на поглощении углеводородными газами инфракрасного излучения на определенных длинах волн; он измеряет концентрацию в % НКПР. Поскольку газ измеряется в месте установки, такой детектор называют точечным. Он применяется на нефтегазовых, химических, энергетических объектах и в хранилищах для раннего выявления утечек метана или пропана.

Чем ИК-детектор газа отличается от термокаталитического?

Термокаталитические датчики сжигают газ на нагретой поверхности катализатора и измеряют возникающее изменение температуры; поэтому им нужен кислород, и они могут отравляться некоторыми веществами. Инфракрасные детекторы измеряют поглощение излучения газом: кислород им не нужен, отравлению они не подвержены и при высоких концентрациях не теряют чувствительность необратимо. С другой стороны, газы без поглощения в ИК-диапазоне, например водород, они обнаружить не могут.

Может ли инфракрасный детектор газа обнаружить водород?

Нет. Молекула водорода не имеет заметного поглощения в инфракрасной области, поэтому ИК-методом ее измерить нельзя. Описанный на этой странице детектор настраивается на заводе на метан или пропан и предназначен для углеводородных газов. В зонах с риском утечки водорода следует рассматривать другие технологии обнаружения; для водородных пожаров отдельно можно рассмотреть извещатели пламени с функцией обнаружения водородного пламени.

Нужна ли калибровка инфракрасному детектору газа?

Детектор калибруется на заводе, регулировка калибровки на объекте не выполняется. Его ИК-источники и приемники непрерывно проходят перекрестную проверку, при необходимости вносятся внутренние поправки. Тем не менее для подтверждения функции безопасности необходимо проводить периодические функциональные проверки тестером без газа или тестовым газом, а контрольные испытания планировать исходя из интервала 5 лет и требований безопасности объекта.

Каково время отклика ИК-детектора газа?

Время отклика задается как T90 и составляет 2 секунды с защитным экраном и менее 1 секунды без него. Защитный экран предохраняет от дождя, пыли и прямого ветра, но несколько замедляет поступление газа в измерительную зону. Поскольку время отклика не включает время, за которое газ доходит до детектора, решающее значение для общего времени обнаружения имеет близость точки монтажа к источнику утечки.

На какой высоте устанавливать детектор газа?

Высота монтажа зависит от плотности целевого газа относительно воздуха. Метан легче воздуха и склонен скапливаться выше источника утечки, тогда как пропан тяжелее воздуха и собирается у земли и в приямках. Детектор следует размещать с учетом этого поведения и рядом с источником утечки, принимая во внимание вентиляционные потоки, препятствия и доступ для обслуживания. Окончательное размещение определяется оценкой рисков объекта.

Как ИК-детектор газа работает в холодном климате?

Детектор может работать при температуре до –40 °C, а обогрев оптики предотвращает образование конденсата на оптических поверхностях. При температуре выше –20 °C время запуска составляет менее 2 минут, в более холодных условиях оно может увеличиваться до 20 минут. Для очень холодных площадок можно выбрать арктическое исполнение со средней потребляемой мощностью менее 5 Вт; питание и кабельные линии следует рассчитывать на это значение.

Какие выходы для системы управления имеет ИК-детектор газа?

Измеренное значение передается через аналоговый выход 4–20 мА, который можно сконфигурировать как source (по умолчанию) или sink; поверх этого сигнала работает цифровая связь HART. Данные контроля состояния можно считывать по Modbus RTU через последовательный порт RS-485. Многоцветный светодиодный индикатор на лицевой стороне детектора позволяет быстро оценить состояние на месте, а электроника защищена от ошибок подключения.