Линейные детекторы горючих газов

Что такое линейный детектор горючих газов?

Для обнаружения горючих газов применяются два основных подхода: точечное измерение, при котором газ должен дойти до места установки детектора, и линейное (open path) измерение, при котором наличие газа контролируется вдоль заданной линии. Точечные детекторы измеряют концентрацию локально в % НКПР; однако на открытых площадках при ветре газовое облако может пройти мимо детектора или разбавиться до уровня ниже порога обнаружения.

Линейный детектор закрывает этот пробел с помощью двух отдельных блоков: передатчика с источником инфракрасного излучения и приемника, который принимает и анализирует луч. Облако углеводородов, образовавшееся в любой точке трассы луча, поглощает излучение на определенных длинах волн и вызывает измеримое изменение сигнала на приемнике. Результат выражается в НКПР·м — единице, которая отражает суммарное влияние облака вдоль трассы.

Сам по себе этот метод не показывает, где именно на линии находится газ и какова его концентрация; зато он контролирует большую площадь небольшим числом измерительных трасс и способствует раннему выявлению утечек. Поэтому линейные детекторы обычно устанавливают вокруг технологических установок, вдоль трубных эстакад и постов налива или по границам объекта и применяют вместе с точечными ИК-детекторами газа, размещенными рядом с критичным оборудованием.

Принцип работы линейного ИК-детектора газа

Линейное измерение — это применение оптического поглощения, описываемого законом Бугера — Ламберта — Бера, на протяженной трассе луча. Измерительная цепочка включает следующие этапы:

1.      ИК-импульсы передатчика: Передатчик формирует инфракрасные импульсы-вспышки, направленные на приемник. Импульсный режим помогает приемнику отличать сигнал собственного источника от солнечного света и других постоянных источников ИК-излучения.

2.      Поглощение газом на трассе луча: Когда луч проходит через облако углеводородов на своем пути, он ослабляется на длинах волн, которые поглощаются связями C–H. Степень ослабления зависит как от концентрации газа, так и от толщины облака вдоль трассы луча.

3.      Сравнение измерительной и опорной полос: Приемник оценивает измерительную полосу, на которую влияет газ, вместе с опорной полосой, на которую газ не влияет. Пыль, дождь, туман или загрязнение окон ослабляют обе полосы сходным образом, поэтому расчет по соотношению компенсирует значительную часть этих влияний; автоматическая регулировка усиления помогает сохранять обнаружение при ослаблении сигнала до 95 %.

4.      Расчет значения НКПР·м: На основе заводской калибровки изменение соотношения пересчитывается в суммарное количество газа на трассе, выраженное в НКПР·м. Например, показание 1 НКПР·м может соответствовать как облаку толщиной 1 м с концентрацией 100 % НКПР, так и облаку толщиной 5 м с концентрацией 20 % НКПР.

5.      Передача сведений о газе и состоянии луча: Значение загазованности передается сигналом 4–20 мА, а перекрытие луча, запрос обслуживания, режим калибровки нуля и неисправность — отдельными уровнями тока. Эту же информацию можно считывать по HART и RS-485 Modbus.

Юстировка и жесткость крепления

Допуск на юстировку передатчика и приемника составляет порядка ±0,5°. На больших расстояниях даже такой малый угол может заметно сместить луч на приемнике, поэтому блоки необходимо монтировать на жестких конструкциях, не смещающихся под действием вибрации, ветровой нагрузки и температурного расширения. Варианты монтажа на поворотном кронштейне, на стене, на мачте и в воздуховоде позволяют адаптироваться к разным конструкциям объекта.

Перекрытие луча и условия видимости

Транспорт, персонал, краны или густой туман, прерывающие трассу луча, распознаются не как загазованность, а как перекрытие луча и отображаются отдельным уровнем на токовом выходе. Это не неисправность, а предупреждение о том, что контроль временно невозможен; система управления должна обрабатывать его отдельно от сигнала загазованности. Обогреваемая оптика ограничивает потерю видимости, предотвращая конденсацию и обледенение на поверхности окон.

Поскольку линейное измерение дает интеграл по трассе в НКПР·м, одно и то же показание может давать как небольшое плотное облако, так и большое разбавленное. При задании порогов срабатывания нужно совместно оценивать ожидаемый размер облака, длину трассы и сценарии утечек; эффективность обнаружения зависит от рассеивания газа и положения трассы относительно источника утечки.

Ключевые особенности

·         Передатчики четырех классов дальности: Варианты передатчиков на 7–20 м, 15–40 м, 35–100 м и 80–200 м; с адаптерами дальности для передатчика 15–40 м поддерживаются также короткие трассы от 1 до 7 м.

·         Селективность к углеводородам C1–C8: Доступны диапазоны измерения 0–5 НКПР·м для метана и пропана и 0–8 НКПР·м для этилена; по умолчанию выполняется калибровка по метану с верхним пределом 5 НКПР·м.

·         Низкий порог обнаружения: Минимальный обнаруживаемый уровень 0,15 НКПР·м помогает выявлять небольшие или разбавленные облака, пересекающие трассу луча.

·         Быстрый отклик: Время отклика менее 2 секунд помогает цепи сигнализации быстро сработать после того, как газовое облако пересекло трассу луча.

·         Автоматическая регулировка усиления: Обнаружение сохраняется при ослаблении сигнала до 95 % из-за тумана, дождя, снега или пыли.

·         Невосприимчивость к внешним ИК-источникам: Измерение построено так, чтобы на него не влияли внешние источники ИК-излучения, такие как солнечный свет или пламя углеводородов.

·         Обогреваемая оптика: Подогрев оптических окон предотвращает конденсацию и обледенение и сохраняет непрерывность измерения в суровом климате.

·         Регистратор событий с часами реального времени: Хранение последних 375 событий с метками времени позволяет впоследствии анализировать историю тревог и неисправностей.

·         Трехцветный индикатор состояния: Светодиоды на передней и задней сторонах приемника — зеленый (питание), желтый (неисправность) и красный (тревога) — позволяют быстро оценить состояние на месте.

·         Заводская калибровка и простой монтаж: Откалиброванные на заводе блоки рассчитаны на монтаж силами одного человека и невысокую потребность в обслуживании.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые технические данные линейного детектора горючих газов, описанного на этой странице. Класс дальности передатчика, присоединение корпуса, калибровочный газ и вариант сертификации определяются при заказе; окончательные значения следует подтверждать для выбранной конфигурации.

Адаптер дальности 1–2,5 м предназначен только для установки в воздуховодах. Точность и порог обнаружения определены для калибровочного газа; поскольку для других углеводородов показания могут отличаться, пороги срабатывания следует задавать для каждого проекта.

Основные преимущества

·         Контроль больших площадей небольшим числом трасс: Одна пара «передатчик — приемник» в зависимости от класса передатчика контролирует линию длиной до 200 м, поэтому число точек измерения для контроля периметра может быть сокращено.

·         Обнаружение независимо от места утечки: Пока газовое облако пересекает трассу луча, положение утечки вдоль линии не влияет на измерение; это повышает вероятность обнаружить облака, переносимые ветром.

·         Непрерывность при неблагоприятной погоде: Автоматическая регулировка усиления и обогреваемая оптика помогают сохранять контроль в туман, дождь, снег и при конденсации.

·         Понятная диагностика состояния: Отдельные уровни тока для перекрытия луча, запроса обслуживания и неисправности позволяют оператору легко отличить реальную загазованность от потери контроля.

·         Невысокая потребность в обслуживании: Заводская калибровка, электроника с защитным покрытием и корпус из нержавеющей стали призваны ограничить обслуживание на объекте периодической очисткой и функциональными проверками.

·         Применимость на морских объектах и в коррозионной среде: Корпус из нержавеющей стали 316L, степень защиты IP66/IP68 и соответствие DNVGL-CG-0339 обеспечивают конструкцию, рассчитанную на длительную эксплуатацию на платформах и прибрежных объектах.

·         Применимость для функциональной безопасности: Сертификат SIL2 по IEC 61508 позволяет рассматривать детектор для приборных функций безопасности; верификация на уровне контура остается отдельным этапом.

Области применения

Линейные детекторы горючих газов применяются для контроля по периметру и вдоль линий на обширных территориях, где горючие углеводороды добываются, перерабатываются, хранятся или транспортируются:

Нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы

Трассы луча вокруг технологических установок, вдоль трубных эстакад и насосных агрегатов помогают на ранней стадии выявлять газовые облака, которые могут распространиться за пределы установки.

Морские платформы и FPSO

Применяются на стационарных платформах и плавучих установках добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO) для контроля открытых пространств между технологическими модулями.

Объекты СПГ и СУГ

Контролируют пути распространения тяжелых или холодных газовых облаков на участках хранения, налива и перекачки сжиженного газа.

Компрессорные и насосные станции

Применяются на станциях трубопроводов и вокруг зданий компрессорных для контроля утечек, которые могут возникать через уплотнения.

Трубопроводы, АЗС и склады топлива

Обеспечивают контроль на больших расстояниях вдоль трасс трубопроводов, на крановых узлах, пунктах налива и в резервуарных парках.

Причалы налива, транспортные терминалы и склады

Обеспечивают контроль больших площадей на причалах налива танкеров, рампах погрузки опасных грузов и отгрузочных складах, несмотря на движение транспорта и персонала.

Химическое и фармацевтическое производство и хранение

Применяются для контроля загазованности по периметру на площадках производства и хранения горючих химических веществ, а также в зонах утилизации опасных отходов.

Машинные отделения и испытательные боксы

Благодаря вариантам монтажа в воздуховоде и адаптерам малой дальности детектор можно применять и в закрытых объемах — машинных отделениях и боксах испытаний двигателей.

Как выбрать линейный детектор горючих газов

Эффективность линейной системы зависит от правильной привязки трассы луча к сценариям утечек. Перед технической оценкой просим уточнить следующее:

Целевой газ и сценарий утечки

·         Контролируемые углеводороды и выбор калибровочного газа (метан, пропан или этилен)

·         Газы без поглощения в ИК-диапазоне, например водород, этим методом не обнаруживаются

·         Высота трассы луча в зависимости от того, легче или тяжелее воздуха газ

·         Ожидаемая интенсивность утечки, размер облака и преобладающее направление ветра

Трасса луча и расстояние

·         Класс передатчика, соответствующий расстоянию между передатчиком и приемником

·         Конструкции, движение транспорта и персонала, перемещения кранов, способные прерывать трассу луча

·         Необходимость адаптеров дальности для установки в воздуховодах и на очень коротких трассах

·         Жесткая монтажная конструкция, способная удерживать допуск на юстировку ±0,5°

Условия окружающей среды

·         Интенсивность тумана, дождя, снега, пыли и солевых брызг

·         Остается ли температура окружающей среды в пределах от –55 до +65 °C

·         Доступ для очистки окон; необходимость воздушной защиты окна (air shield) и защитной крышки

Философия сигнализации и интеграция в систему

·         Пороги предупреждения и тревоги в НКПР·м, заданные по сценарию утечки

·         Раздельная обработка уровней перекрытия луча, запроса обслуживания и неисправности в системе управления

·         Раздельное питание передатчика и приемника; учет типичного потребления 220 мА и 240 мА в бюджете мощности

·         Необходимость диагностики и настройки с HART-коммуникатора и по RS-485 Modbus

Требования к сертификации

·         ATEX/IECEx, FM/FMC, INMETRO или EAC в зависимости от страны проекта

·         Целевой уровень полноты безопасности для приборных функций безопасности

Линейные трассы дают более полноценную защиту, если планируются вместе с точечными детекторами газа у критичного оборудования и при необходимости — в единой концепции безопасности с УФ/ИК извещателями пламени или извещателями пламени IR3. Обнаружение газа для целей безопасности не заменяет технологические средства измерений, такие как промышленные газовые хроматографы или анализаторы кислорода и горючих компонентов; эти две задачи следует оценивать отдельно.

Сертификаты для взрывоопасных зон и стандарты соответствия

Ниже кратко приведены варианты сертификации, выбираемые при заказе, и стандарты соответствия, определенные для линейного детектора горючих газов.

Детали маркировки взрывозащиты (вид взрывозащиты, группа газов, температурный класс) и объем сертификатов характеристик газоаналитического оборудования необходимо подтверждать для каждого проекта по действующим копиям сертификатов.

Решения TLY Enerji для линейного контроля загазованности

Ключ к эффективному линейному обнаружению газа — правильная привязка трассы луча к реальным сценариям утечек. Анализируя данные проекта, TLY Enerji совместно учитывает возможные источники утечек, плотность газа относительно воздуха и его склонность к рассеиванию, преобладающее направление ветра, конструктивные препятствия и жесткость монтажных конструкций; рекомендации по классу дальности передатчика, калибровочному газу и порогам срабатывания основываются на этом анализе.

Наша команда помогает в планировании питания и кабельных трасс передатчика и приемника, передаче сигналов 4–20 мА и цифровой связи в систему обнаружения пожара и загазованности или в ПЛК/РСУ, учете состояний перекрытия луча и запроса обслуживания в философии сигнализации, а также в планировании юстировки и функциональных проверок при пусконаладке. При рассмотрении вариантов размещения, сочетающих линейные трассы с точечными детекторами, мы также предоставляем инженерное заключение.

Часто задаваемые вопросы

Что такое линейный детектор горючих газов?

Линейный детектор горючих газов — система обнаружения газа из передатчика и приемника, установленных друг напротив друга, которая контролирует горючие углеводородные газы на трассе луча между ними. Передатчик посылает инфракрасное излучение; когда газовое облако на трассе поглощает определенные длины волн, приемник измеряет это изменение и выдает результат в НКПР·м. Такие системы применяются для контроля больших площадей и протяженных участков.

Что означает единица НКПР·м?

НКПР·м — произведение концентрации газа, выраженной в долях нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР), на толщину облака вдоль трассы луча. Например, облако толщиной 1 м с концентрацией 100 % НКПР и облако толщиной 5 м с концентрацией 20 % НКПР дают одинаковое показание 1 НКПР·м. Поэтому показание линейного детектора выражает не локальную концентрацию, а суммарное количество газа на трассе.

Чем линейный детектор газа отличается от точечного?

Точечный детектор газа измеряет концентрацию в % НКПР в той точке, куда доходит газ, и устанавливается рядом с источником утечки. Линейный детектор контролирует суммарное количество газа вдоль линии и обнаруживает облака на больших площадях независимо от их положения. Эти методы не заменяют, а дополняют друг друга: на многих объектах точечные детекторы применяют для критичного оборудования, а линейные — для контроля периметра.

Как туман, дождь или снег влияют на измерение?

Туман, дождь, снег и пыль ослабляют луч сходным образом и в измерительной, и в опорной полосе. Поскольку приемник использует соотношение двух полос, значительная часть этих влияний компенсируется, а автоматическая регулировка усиления помогает сохранять обнаружение при ослаблении сигнала до 95 %. Если ослабление превышает этот предел, детектор выдает состояние перекрытия луча отдельным уровнем тока и сообщает системе управления, что контроль временно невозможен.

Что происходит при перекрытии трассы луча?

Если трассу луча перекрывает транспорт, человек или оборудование, детектор не интерпретирует это как газ, а переводит токовый выход на уровень перекрытия луча (2 мА). Благодаря этому система управления может отличить реальную загазованность от потери контроля. Для длительных перекрытий в философии сигнализации следует предусмотреть предупреждение оператору, а при планировании трассы луча — по возможности уводить ее от зон движения транспорта.

Какие газы может обнаруживать линейный детектор?

Детектор селективно чувствителен к горючим углеводородам в диапазоне C1–C8. Определены диапазоны измерения 0–5 НКПР·м для метана и пропана и 0–8 НКПР·м для этилена. Газы, не поглощающие излучение в ИК-диапазоне, например водород, этим методом не обнаруживаются, поэтому для таких рисков нужно рассматривать другие технологии обнаружения. Для углеводородов, отличных от калибровочного газа, показания могут отличаться.

Как выбрать расстояние между передатчиком и приемником?

Передатчик выбирается из классов 7–20 м, 15–40 м, 35–100 м или 80–200 м в соответствии с расстоянием установки. Для трасс короче 7 м передатчик 15–40 м применяется вместе с адаптерами дальности; адаптер 1–2,5 м предназначен только для воздуховодов. При выборе расстояния нужно совместно оценивать препятствия, жесткость монтажных конструкций и положение сценария утечки относительно трассы луча.

Нужна ли калибровка линейному детектору газа?

Блоки поставляются откалиброванными на заводе. При пусконаладке выполняется юстировка и при необходимости калибровка нуля; в этом режиме токовый выход снижается до 1 мА. В процессе эксплуатации следует планировать очистку окон, проверку юстировки и функциональные испытания в соответствии с регламентами объекта. Диагностику и настройку можно выполнять с HART-коммуникатора или по интерфейсу RS-485 Modbus.