Wszędzie gdzie mamy do czynienia z mediami palnymi występują lub mogą wystąpić strefy zagrożenia wybuchem. Zagadnienia z tego zakresu precyzyjnie omówione są w normie PN-EN IEC 60079-10-1 Atmosfery wybuchowe. Część 10-1: Klasyfikacja przestrzeni. Gazowe atmosfery wybuchowe.

W poniższym artykule skupiam się na atmosferach wybuchowych występujących przy gazie ziemnym, ale również pokażę, czym aktualnie się zajmujemy i jakiego oprogramowania używamy.

Pierwsza część artykułu to czysta teoria i przypomnienie podstawowych zagadnień. Jeśli je pamiętasz, to pomiń część pierwszą i przejdź od razu do części drugiej. Druga część to konkretne przykłady, z którymi spotykam się bardzo często przy projektowaniu kotłowni, czy stacji gazowych I i II stopnia. Trzecia część artykułu, to coś, czego NIE CZYTAJ jeśli nie interesują Cię nowinki techniczne. Jeśli dodatkowo chcesz “zaglądnąć” do moje biura to część trzecia jest dla Ciebie.

Zatem – RUSZAJMY!

CZĘŚĆ 1

Troszkę być może przynudzę, ale uważam, że warto zrobić małą powtórkę i zrobić fundament do dalszych rozważań.

Kilka ważnych zwrotów, które warto rozumieć (zaczerpnięte z normy PN-EN IEC 60079-10-1):

wybuchowa atmosfera gazowa to mieszanina z powietrzem, w warunkach atmosferycznych, substancji palnych w postaci gazu lub pary, która po zapaleniu umożliwia samopodtrzymujące się rozprzestrzenianie płomienia

Strefa 0 obszar, w którym atmosfera wybuchowego gazu jest obecna w sposób ciągły, przez długi czas lub często

Strefa 1 obszar, w którym podczas normalnej pracy może sporadycznie wystąpić atmosfera wybuchowa

Strefa 2 obszar, w którym atmosfera gazu wybuchowego prawdopodobnie nie wystąpi podczas normalnej pracy, ale jeśli wystąpi, będzie istnieć tylko przez krótki czas

zasięg strefy odległość w dowolnym kierunku od źródła uwolnienia do miejsca, w którym mieszanina gazu i powietrza zostanie rozcieńczona powietrzem do stężenia poniżej dolnej granicy palności.

Zwróć, proszę uwagę w tym miejscu, że przywołana norma nie operuje pojęciami DGW (dolna granica wybuchowości) jak GGW (górna granica wybuchowości). Jeśli natomiast przejdziesz do dalszej części artykułu to świadomie posługiwać się będę określeniem DGW i GGW.

Standard Gazowniczy ST-IGG-0401:2015 Sieci Gazowe, do którego zakupu Ciebie zachęcam, określa powyższe pojęcia następująco:

strefa 0 przestrzeń, w której gazowa atmosfera wybuchowa występuje ciągle lub w długich okresach

strefa 1 przestrzeń, w której pojawienie się gazowej atmosfery wybuchowej jest prawdopodobne w warunkach

normalnej pracy

strefa 2 przestrzeń, w której w warunkach normalnej pracy nie jest prawdopodobne pojawienie się gazowej atmosfery wybuchowej, a jeżeli pojawi się ona rzeczywiście, to tylko rzadko i tylko na krótki okres

Warto również na wstępie uświadomić sobie bardzo ważną kwestię. Kształt strefy zagrożenia wybuchem będzie inny dla różnych mediów. Strefa ta w przypadku gazu pod wysokim ciśnieniem będzie przypominała np. odwrócony stożek, w przypadku niskiego ciśnienia może przybrać kształt walca. Jeszcze zupełnie inaczej będzie w przypadku wycieku czynnika cięższego od powietrza, wówczas strefa może przybrać kształt odwróconego grzyba, gdzie jej zasięg będzie się rozszerzał na poziomie podłoża.

Skupiając się jednak na gazie ziemnym, a dokładnie na jego najważniejszym składniku – metanie, warto abyśmy od razu przeszli do konkretów i konkretnych wskazówek

Część 2

W co warto się zaopatrzyć w przypadku gazu ziemnego?

Warto kupić standard gazowniczy ST-IGG-0401:2015 Sieci Gazowe. Strefy Zagrożenia Wybuchem. Ocena i Wyznaczanie

Standard ten operuje dobrze znanymi pojęciami DGW i GGW. Przywołując fragment standardu gazowniczego, warto zapoznać się z poniższym:

Przyjmuje się, że podobnym rodzajom urządzeń sieci gazowej, będących źródłami emisji gazu, przyporządkowuje się umowny charakterystyczny dla nich sposób rozpraszania gazu, podany niżej:

rozpraszanie naturalno-turbulentne następuje ze szczelin (nieszczelności typowych) takich urządzeń (elementów uzbrojenia sieci gazowej) jak:

połączenia kołnierzowe,
połączenia gwintowe,
połączenia zaciskowe,
obudowy sprężarek gazu,
obudowy reduktorów i regulatorów ciśnienia,
dławice armatury zaporowej, upustowej, regulacyjnej, itp.
czyli tam, gdzie rozpraszanie ze źródeł emisji następuje przypadkowo, z reguły
w wyniku niedoskonałych konstrukcji urządzeń, oraz z:
otworów w przegrodach budowlanych pomieszczeń zagrożonych wybuchem
i szafek gazowych;

rozpraszanie strumieniowe następuje z otworów wylotowych rur upustowych takich urządzeń jak:

zespoły zaporowo-upustowe,
zawory bezpieczeństwa upustowe,
zawory odpowietrzające (odgazowujące),
zawory spustowe,
odwadniacze,
filtry, filtroseparatory, itp.
czyli tam, gdzie prędkość wypływu gazu ze źródła emisji jest duża a rozpraszanie ze źródeł
emisji następuje w sposób zamierzony, z reguły w wyniku czynności eksploatacyjnych.

Jak zatem poradzić sobie z obliczeniem zasięgu stref zagrożenia wybuchem?
Z pomocą przychodzą wzory określone w standardzie gazowniczym.
Poniżej skupiam się na dwóch przypadkach, z którymi mam do czynienia najczęściej, tj. z wydmuchy z rurociągów i od połączeń rozłącznych.

Wydmuchy z rurociągów (rozpraszanie strumieniowe)

Jeśli ciśnienie w źródle (np. w rurociągu) jest wyższe lub równe niż 0,085 MPa (0,85 bara), wówczas kształt strefy przyjmuje postać stożka, którego podstawa jest styczna z kulą, której środek jest tym samym punktem co wierzchołek stożka. W przekroju bocznym będzie to więc trójkąt z okręgiem, stycznym do podstawy trójkąt. Wierzchołek trójkąta to środek okręgu. Podstawa stożka jest u ujścia rurociągu. Promień stożka wynosi Zs, a promień kuli Zr.

gdzie:
Zr zasięg strefy zagrożenia wybuchem w kształcie kuli, wyrażony w metrach
Zs zasięg strefy zagrożenia wybuchem u podstawy stożka, wyrażony w metrach
F powierzchnia przekroju otworu będącego źródłem emisji gazu, wyrażona w milimetrach kwadratowych
Pr ciśnienie (robocze) gazu w źródle emisji, wyrażone w megapaskalach
s średnica otworu wylotowego rury upustowej lub ograniczającej wylot zwężki, armatury itp., wyrażona w milimetrach

Jeżeli natomiast ciśnienie w źródle emisji jest niższe niż 0,085 MPa (0,85 bara), wówczas powyższe wzory przyjmują postać:
Z=Zr=0,13 x xd
Z=Zs=0,175 x xd
Oznaczenia jak wyżej

Dodatkowo należy pamiętać, że dookoła ujścia rury wydmuchowej dowolnej średnicy wyznacza się strefę 1 zagrożenia wybuchem w postaci kuli o promieniu 1 m niezależnie od ciśnienia w źródle.

Co zatem się stanie w przypadku różnych ciśnień i różnych średnic rurociągu – zobacz proszę na poniższą tabelę:

średnica nominalna rury wydmuchowej [mm]	Ciśnienie [Mpa]
	2,0		8,4
	Zr [m]	Zs [m]	Zr [m]	Zs [m]
15	6,36	2,63	12,79	2,63
20	8,47	3,50	17,05	3,50
25	10,59	4,38	21,31	4,38
32	13,56	5,60	27,28	5,60
40	16,95	7,00	34,10	7,00
50	21,18	8,75	42,62	8,75

Dlaczego jest to istotne? Jeśli czytałeś poprzedni artykuł o ścieżkach gazowych średniego ciśnienia, to zapewne pamiętasz, że ze ścieżki należy wyprowadzić rurę upustową i to nie jedną. Zasięg stref zagrożenia wybuchem będzie więc determinował miejsce wyprowadzenia takiej rury z dala od otworów (np. wywietrzaków), czy urządzeń nie przystosowanych do pracy w strefach zagrożenia wybuchem (np. jedn. zewn. klimatyzatora).
To jeden z przykładów, ale inny przykład to wydmuch z zaworu upustowego stacji gazowej I stopnia. Stacja taka musi być ogrodzona w sposób zapewniający objęcie ogrodzeniem wszelkich stref zagrożenia wybuchem. Dlaczego? Wyobraź sobie człowieka pracującego w szczerym polu przy żniwach i robiącego sobie przerwę na papieroska przy ogrodzeniu stacji, w której dochodzi do otwarcia zaworu upustowego, a ogrodzenie jest zbyt blisko wydmuchu. Ten papieros może być ostatnim!

Połączenia rozłączne (rozpraszanie naturalno – turbulentne)

Zasięg takiej strefy należy wyznaczyć w oparciu o wzór:

gdzie:
Z – zasięg strefy zagrożenia wybuchem, wyrażony w metrach
V – wydajność źródła emisji gazu, wyrażona w metrach sześciennych normalnych na godzinę

W zależności od ciśnienia w źródle emisji wydajność źródła V obliczyć należy z innych wzorów
Dla ciśnienia równego i niższego niż 0,05 MPa należy skorzystać ze wzoru:

gdzie:
F – powierzchnia przekroju otworu będącego źródłem emisji gazu, wyrażona w milimetrach kwadratowych
Pr – ciśnienie (robocze) gazu w źródle emisji, wyrażone w megapaskalach

Dla ciśnienia w źródle większego i równego 0,1 MPa należy skorzystać ze wzoru:

Oznaczenia identyczne jak poprzednio.

Jeśli ciśnienie w źródle będzie wynosiło pomiędzy 0,05, a 0,1 MPa wówczas wydajność źródła emisji gazu należy i ostatecznie zasięg strefy zagrożenia wybuchem otrzymuje się poprzez interpolację liniową wyników  z obliczeń z powyższych wzorów.

Jak zatem obliczyć powierzchnię F?

Standard zaleca aby zmierzyć taką powierzchnie w praktyce i wówczas tok postępowania jest trochę bardziej skomplikowany i odsyłam Cię do standardu. Jeżeli jednak nie ma takich możliwości, to należy przyjmować powierzchnię równą 0,25 mm2, co jest najczęściej spotykaną praktyką przy obliczeniu zasięgu stref od połączeń rozłącznych.

Jeśli przeliczysz sobie np. rozszczelnienie połączenia kołnierzowego przy ciśnieniu 5,5 MPa, to zasięg takiej strefy wyniesie 1,6 m, jeśli natomiast przyjmiesz wartość ciśnienia na poziomie 0,5 MPa, co jest częste przy ścieżkach gazowych palników przemysłowych, to wówczas strefa wyniesie 0,5 m. Zwracaj więc uwagę gdzie lokujesz ścieżkę gazową w projekcie.

Część 3

Obiecałem na początku artykułu „wpuścić” Ciebie do mojego biura…, więc zapraszam na „krótką wizytę”. Obecnie skierowaliśmy nasze działania w kierunku wodoru. Z wodorem problemów jest kilka. Zakres jego wybuchowości w mieszaninie z powietrzem jest znaczny. Nie ma w Polsce wytycznych w zakresie stref zagrożenia wybuchem. Korzystamy w tym zakresie z doświadczeń Amerykańskich.

Poszukiwania wiedzy doprowadziły nas natomiast do ciekawego oprogramowania firmy Gexcon. Chodzi mi dokładnie o program FLACS. Oprogramowanie jest wręcz niesamowite. Można w nim symulować rozprzestrzenianie się chmury np. wodoru z wydmuchu, wentylacji, w zasadzie od wszystkiego co wymyślisz. Jeśli zasymulujesz w programie, że źródłem wodoru jest butla o pojemności np. 100 litrów, ciśnienie wynosi np. 300 bar i dochodzi do rozszczelnienia o powierzchni 0,25 mm2 to program przeprowadzi symulację rozprzestrzeniania się chmury przy uwzględnianiu zmniejszania ciśnienia w butli w funkcji czasu. Dodatkowo w oprogramowaniu możesz wprowadzić kierunki wiatrów jakie występują w danym miejscu przez co symulacja będzie odpowiadać realnym warunkom. Taką samą symulację można przeprowadzić dla każdej praktycznie dowolnej substancji bądź mieszaniny. Dodatkowo można przeprowadzić symulacje pożarowe, czyli zasięg płomienia. W przestrzeni można narzucić dowolną ilość punktów pomiarowych, w których można narzucić zapis np. temperatury, ciśnienia itp. Poniżej zamieściłem obraz z przykładowej symulacji wycieku wodory z wiązki butli.

Jeśli zainteresował Ciebie ten program to miej świadomość, że jego cena może być niestety zaporowa. Zakup oprogramowania wiąże się z koniecznością zakupu szkolenia – koszt szkolenia online dla 2 osób to 4375 Euro. Zakup 6 miesięcznej licencji to 11386 Euro. Cena nie jest niska ale możliwości oprogramowania, nie boję się użyć tego słowa, kosmiczne!

Mam nadzieję, że powyższy artykuł będzie dla Ciebie pomocny jeśli chodzi o prowadzenie rozważań o strefach zagrożenia wybuchem.

Pamiętaj aby rzed wdrożeniem poniższych wytycznych sprawdź proszę czy są aktualne.
Autor artykułu nie ponosi odpowiedzialności za błędną interpretację aktualnych przepisów.

Jeśli zastanawiasz się aktualnie nad projektowaniem ścieżki gazowej do palnika – przeczytaj ten artykuł.