1
1. SYSTEMY ZABEZPIECZANIA INSTALACJI
Bezpieczeństwo pracy w dużych zakładach chemicznych związane jest przede
wszystkim z bezpieczeństwem technicznym i procesowym. Najwięcej zagrożeń ma
związek
z
instalacjami
chemicznymi.
Zakładowe
systemy
zarządzania
bezpieczeństwem pracy w takich zakładach są bardzo ważnym elementem zarządzania
oraz nowoczesnym narzędziem, które właściwie stosowane pozwala na skuteczne
przeciwdziałanie poważnym w skutkach awariom.
Armatura (uzbrojenie instalacji), obejmuję grupę elementów służących do
odcinania poszczególnych urządzeń czy części instalacji, regulacji przepływów
i temperatur, zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia i temperatury,
zmiany kierunku przepływu, spustu wody z instalacji i jej odpowietrzania.
Ciśnienie otwarcia ciśnienie, przy którym urządzenie upustowe pęka, ulega
odrzuceniu lub zerwaniu w zależności od jego rodzaju, w następstwie czego tworzy się
pełny kanał wypływowy, w którym uchodzą gazy spalinowe i nieprzereagowana
mieszanina wybuchowa, natomiast reakcja spalania zarówno wewnątrz, jak zewnątrz
obiektu przebiega dalej.
Powierzchnia właściwa otwarcia określona minimalnym stosunkiem
powierzchni otwarcia do objętości chronionego obiektu, przy którym przelotowość
otworu uwolnionego przez urządzenie upustowe zapewnia tak szybkie odprowadzenie
gazów, że ciśnienie wewnątrz obiektu chronionego nie będzie wyższe od ciśnienia
otwarcia.
Zawory odcinające głównym ich zadaniem jest umożliwienie szybkiego
zamknięcia przepływu.
Zawór bezpieczeństwa dociążony ( obciążony ) zawór bezpieczeństwa
pełnoskokowy sterowany siłownikiem wspomagającym proces otwierania przy
ciśnieniu mniejszym od ciśnienia początku otwarcia.
Zawór bezpieczeństwa upustowy zawór bezpieczeństwa pełnoskokowy
sterowany siłownikiem dwustronnego działania wspomagającym proces zamykania
i otwierania.
Zawór bezpieczeństwa odciążony zawór bezpieczeństwa pełnoskokowy
sterowany siłownikiem wspomagającym proces zamykania.
Zawór bezpieczeństwa regulujący zawór bezpieczeństwa pełnoskokowy
sterowany siłownikiem dwustronnego działania wyposażony w profilowany organ
zamykający dla uzyskania płynnej regulacji przepływu czynnika.
Zawór sterujący zawór bezpośredniego działania lub zawór sterowany
służący do sterowania zaworów bezpieczeństwa poprzez doprowadzenie lub
odprowadzenie czynnika roboczego.
Przemysłowe procesy technologiczne i procesy wytwarzania energii cieplnej
wymagają stałej kontroli ich przebiegu, gdyż tylko utrzymanie pewnych
charakteryzujących dany proces technologiczny parametrów, np.: temperatury,
ciśnienia, natężenia przepływu czynnika itp., na właściwym dla każdego procesu
poziomie pozwala otrzymać produkt o odpowiedniej jakości.
2
W celu zorientowania się co do wartości parametrów pracy, każde urządzenie
technologiczne powinno być zaopatrzone w aparaturę kontrolno pomiarową.
Przyrządy kontrolno pomiarowe ogólnie można podzielić na:
Przyrządy wskazujące informujące o aktualnych wielkościach mierzonych
parametrów;
Przyrządy rejestrujące notujące zmiany wielkości mierzonych parametrów
w przeciągu dowolnego czasu. Jest to istotne do zorientowania się w przebiegu zmian
wielkości parametrów, niezbędne np. do przeprowadzenia analizy pracy urządzenia
technologicznego;
Przyrządy rejestrująco sumujące wskazujące ilość pobieranego lub
zużywanego czynnika w przeciągu dowolnego okresu czasu, np. ilość pary pobieranej
przez urządzenie technologiczne;
Przyrządy sygnalizujące informujące za pomocą światła lub dźwięku
o przekroczeniu przez czynnik wielkości dopuszczalnej. Mierzone wielkości
parametrów odczytywać można bezpośrednio przy urządzeniu lub z dala od niego.
Aparatura kontrolno
pomiarowa patrz poz.[10].
1.1.URZĄDZENIA GAŚNICZE I ZABEZPIECZAJĄCE
Urządzenia gaśnicze i zabezpieczające są instalacjami związanymi na stałe
z bronionymi obiektami. Urządzenia gaśnicze stosuje się w celu
zabezpieczenia
materiałów
lub
instalacji
w
dużych
magazynach
lub
w pomieszczeniach, których gaszenie jest utrudnione lub które nie znajdują się pod
stałym nadzorem. Urządzenia zabezpieczające chronią obiekt przed działaniem
promieniowania cieplnego i rozszerzaniem się pożaru.
Rozróżnia się urządzenia gaśnicze stałe i półstałe. Uruchomienie urządzeń
stałych może przebiegać samoczynnie, za pośrednictwem czujek pożarowych, lub
ręcznie przez włączenie odpowiednich urządzeń sterujących. Urządzenia półstałe
pozwalają podać środek gaśniczy dowieziony samochodami pożarniczy.
W zależności od rodzaju środka gaśniczego rozróżnia się między innymi:
1. wodne urządzenia zraszaczowe lub tryskaczowe,
2. urządzenia gaśnicze parowe,
3. urządzenia gaśnicze halonowe lub proszkowe.
3
1.2 URZADZENIA ZRASZACZOWE
Urządzenia
zraszaczowe
charakteryzują
się
tym,
że
przewody
rozprowadzające nie są w normalnym stanie wypełnione wodą, a zraszacze
rozmieszczone na przewodach są otwarte. Urządzenia te stosuje się w celu ugaszenia
pożaru obiektu ( urządzenia zraszaczowe gaśnicze ) lub w celu zabezpieczenia
obiektów sąsiednich przed skutkami promieniowania cieplnego i rozszerzaniem się
pożaru (urządzenia zraszaczowe zabezpieczające).
Rys.1. Główka zraszacza [3]
1.3. URZADZENIA TRYSKACZOWE
Urządzenia tryskaczowe są to samoczynne urządzenia gaśnicze dysponujące
odpowiednim zapasem wody. Spełniają one również funkcje urządzeń alarmowych,
informując o uruchomieniu natrysku, a tym samym o powstawaniu pożaru.
W przypadku powstania pożaru, gdy temperatura spalin w chronionym
pomieszczeniu wzrasta, gorące gazy nagrzewają tryskacz, który po osiągnięciu
określonej temperatury otwiera się i zrasza prądem kroplistym powierzchnię
znajdującą się pod nim.
W zależności od temperatury wnętrza pomieszczenia stosuje się jeden
z wymienionych systemów tryskaczowych:
1. system wodny, jeżeli temperatura w pomieszczeniu nigdy nie spada
poniżej 4
o
C,
2. system powietrzny, jeżeli temperatura w pomieszczeniu może być niższa
od 4
o
C przez cztery miesiące w roku,
4
3. system mieszaniny w obiektach, w których bronione pomieszczenia są
ogrzewane i nieogrzewane; część sekcji tryskaczowych w tym systemie
wypełniona jest powietrzem, część wodą.
Rys. 2 . Główka tryskacza [3]
2
.
OGRANICZENIA SKUTKÓW WYBUCHÓW
W obiektach zamkniętych zagrożonych wybuchem np.: przewodach
rurowych, zbiornikach, aparatach, budynkach, itp. w celu ograniczenia następstw
rozprzestrzeniania się fali wybuchowej stosuje się urządzenia upustowe, które można
podzielić na dwie grupy:
- urządzenia stałe, do których należą rozrywające się ( zwane też płytkami
bezpieczeństwa ) i zdmuchiwane płyty, sztywne odbudowywalne elementy
stanowiące całość konstrukcyjną obiektu ( głowice ścianki ), sztywne wymienne
elementy konstrukcyjne ( okna, płyty wybuchowe i inne powierzchnie oszklone ),
- urządzenia ruchome takie, jak: klapy i pokrywy wybuchowe.
Wielkościami charakteryzującymi urządzenia upustowe są: ciśnienie otwarcia,
ciśnienie zredukowane, i powierzchnia właściwa otwarcia.
Do zabezpieczenia instalacji stosuje się płytki bezpieczeństwa ( głowice
bezpieczeństwa ), zdmuchiwane płyty, klapy wybuchowe z przeciwwagą lub
sprężynowe, zawory bezpieczeństwa.
5
2.1. GŁOWICE BEZPIECZEŃSTWA
Głowica bezpieczeństwa składa się z dwudzielnej oprawki, w której jest
zamocowana w sposób szczelny rozrywająca się tarcza ( płytka ), stanowiąca
zasadniczy element głowicy. Gdy chroniony obiekt znajdzie się pod niebezpiecznym
ciśnieniem na skutek reakcji wybuchowej, wówczas płytka pęka. Powoduje to
powstawanie otworu o przekroju dostatecznie dużym aby nastąpiło odprowadzenie
gazów poreakcyjnych i redukcja ciśnienia, co eliminuje zagrożenie rozerwaniem
obiektu. Głowice bezpieczeństwa mają tę zaletę że są proste w swojej budowie,
a niezawodne w działaniu. Tarcze znajdujące się w głowicach bezpieczeństwa są
skierowane wypukłością do wylotu chronionego urządzenia, co zwiększa odporność
na zmęczenie materiałowe powodowane zmianami ciśnienia.
2.2. KLAPY
EKSPLOZYCYJNE
Klapy eksplozyjne z przeciwwagą zaliczane są do ruchomych urządzeń.
Ich działanie charakteryzuje się tym że, w chwili wybuchu utrzymują wolny przekrój,
przez który gazy odprowadza się do atmosfery, natomiast po wybuchu zapewniają
szczelność urządzenia zabezpieczając je przed dostępem powietrza atmosferycznego.
Po oderwaniu klapy i wychyleniu dźwigni podtrzymującej ją w położeniu otwartym
następuje wyładowanie do atmosfery, a następnie klapa opada na otwór
odprowadzający i zatyka go tworząc szczelne zamknięcie urządzenia.
1
2
3
4
Rys.3. Klapa eksplozyjna z przeciwwagą: 1
dźwignia dystansowa, 2
tarcza
rozrywająca, 3
klapa ruchoma, 4
przeciwwagą [2]
6
2.3.
ZAWORY
BEZPIECZEŃSTWA
Do ruchomych urządzeń zabezpieczających przed skutkami wybuchów zalicza
się zawory bezpieczeństwa. Zadaniem ich jest ochrona instalacji i urządzeń przed
przekroczeniem dozwolonych ciśnień. Są one stosowane do zabezpieczenia wielu
urządzeń takich, jak: reaktory, wieże destylacyjne, itp.
Cechami charakterystycznymi zawory bezpieczeństwa są:
- ciśnienie początku otwarcia zaworu, które może przekraczać ciśnienie robocze
najwyżej o 10% ciśnienia pełnego otwarcia, a to z kolei nie może przekraczać
1015% ciśnienia roboczego,
- ciśnienie zamknięcia zaworu, które powinno powstawać przy spadku ciśnienia
w urządzeniu o 58% w stosunku do ciśnienia roboczego. W celu zmniejszenia
skutków wybuchów w instalacjach produkcyjnych stosowane są również zawory
membranowe. Zawory te mogą działać zarówno w warunkach nadciśnienia, jak
i podciśnienia.
1
2
3
M
P
Rys.4. Schemat zaworu bezpieczeństwa: 1
grzyb, 2
gniazdo zaworu, 3
kanał
dopływowy, M
siła pochodząca od mechanizmu obciążającego, P
siła
pochodząca od ciśnienia [2]
Od strony kanału dopływowego grzyb zaworu obciążony jest siłą pochodzącą
od ciśnienia, zaś od strony przeciwnej siłą pochodzącą od mechanizmu obciążającego
grzyb. Gdy siła pochodząca od ciśnienia jest mniejsza od siły mechanizmu, zawór jest
zamknięty. Jeśli siły te wyrównają się na skutek wzrostu ciśnienia, w zbiorniku
występuje stan równowagi. Gdy siła P będzie większa od siły mechanizmu M, zawór
otworzy się i nastąpi wypływ gazów tym większy, im większy powstanie otwór. Na
skutek wypływu gazów spalinowych ciśnienie w chronionym urządzeniu spada, gdy
siła pochodząca od ciśnienia P staje się mniejsza od siły mechanizmu, zawór się
zamyka.
7
Rys.5. Zawór ciężarowy
dźwigniowy [2]
Zawory ciężarowe dźwigniowe charakteryzują się tym, że grzyb jest
obciążony siłą pochodzącą od ciężaru znajdującego się na dźwigni dwuramiennej.
Ciężar ten wywołuje nacisk na grzyb będący wielokrotnością ciężaru obciążnika,
równą stosunkowi długości ramienia dłuższego do ramienia dźwigni.
8
Rys.6. Podział zaworów bezpieczeństwa [9]
Do bardzo skutecznych metod zabezpieczających przed skutkami wybuchów
należy metoda dławienia wybuchów wewnątrz instalacji produkcyjnej. Dławienie to
polega na tym, że początkowy wzrost ciśnienia następujący po zapłonie mieszaniny
wybuchowej wykorzystuje się jako impuls do uruchomienia gaśnicy znajdującej się
wewnątrz zabezpieczonego obiektu, co powoduje zalanie zagrożonej przestrzeni
środkiem gaszącym i przerwanie reakcji wybuchowej. Metoda dławienia wybuchów
nadaje się szczególnie do obiektów o dużej pojemności, ponieważ im zbiornik ma
większą pojemność, tym początkowy wzrost ciśnienia jest mniejszy, do osiągnięcia
maksymalnej siły burzącej upływa więc dłuższy niż w przypadku obiektów
o mniejszej pojemności czas, wystarczający do zadziałania czujnika reagującego na
wzrost ciśnienia i uruchomienie gaśnicy.
Zawory bezpieczeństwa
bezpośredniego
pośredniego działania
proporcjonalne
pełnoskokowe
energią wewnętrzną
energią zewnętrzną
energią wewnętrzną
i zewnętrzną
bez obciążenia
mechanicznego
z obciążeniem
mechanicznym
obciążone
upustowe
odciążone
regulujące
9
3. OCHRONA
INSTALACJI
PRZED
NADMIERNYM
PRZE-
GRZANIEM
Konwencjonalne urządzenia grzewcze z zasady doprowadzają do odbiornika
ciepła niezbędną energię pochodzącą z gorących spalin lub ciepła wytwarzanego przez
elektryczne elementy grzewcze. Instalacje do przenoszenia i wymiany ciepła posiadają
jeden obieg pośredni, za pomocą którego doprowadzony zostaje właściwy nośnik
ciepła ( olej termiczny ), przepływający między ogrzewaczem a odbiornikiem ciepła.
Umożliwia to pośrednie grzanie lub chłodzenie.
Do istotnych korzyści płynących z zastosowania instalacji do wymiany ciepła
w stosunku do urządzeń z grzaniem lub chłodzeniem bezpośrednim zaliczyć można:
1. Niewystępowanie punktów przegrzewania się układu w wyniku wyeliminowania
punktów niekontrolowanego wzrostu temperatury.
2. Precyzyjne i powtarzalne utrzymywanie temperatury w odbiorniku ciepła.
3. Możliwość pracy instalacji wymiany ciepła bez ciągłego nadzoru.
4. Możliwość centralnej lokalizacji podgrzewacza (np. w miejscu poza strefą
wybuchowości ), a ciepło poprzez rozgałęzioną sieć rurociągów zostaje
doprowadzona do aparatu.
5. Prawie bezciśnieniowe, w porównaniu do układu grzania parowego, przenoszenie
ciepła.
Oprócz podstawowych elementów składowych układu znajdują się urządzenia
kontrolne i zabezpieczające , których zadaniem jest nadzorowanie najważniejszych
funkcji pracującej instalacji. Urządzenia te muszą być szczególnie niezawodne.
Zostają one włączone do elektrycznego obwodu zabezpieczającego, który przy
zadziałaniu urządzenia zabezpieczającego automatycznie wyłącza i odcina
ogrzewanie.
10
7
6
8
3
1
4
5
2
Rys.7. Zasada budowy instalacji wymiany ciepła: 1pompa obiegowa do przenoszenia
oleju termicznego do odbiornika ciepła, 2podgrzewacz oleju, 3zbiornik
wyrównawczy do przejmowania przyrostu objętości oleju termicznego będącej
efektem zmniejszenia gęstości w wyniku podgrzewania, 4chłodnica
zapewniająca dokładne odprowadzenie ciepła z obiegu olejowego, 5pulpit
sterowniczy z regulatorem temperatury zasilania i innymi urządzeniami
regulacyjnymi ( np. do regulacji wydajności grzewczej i chłodzenia instalacji ),
6zabezpieczenie przed nadmiernym wzrostem temperatury TZA+ na zasileniu
podgrzewacza, 7kontrola przepływu FIZA- dla zabezpieczenia wymaganego
przepływu przez podgrzewacz, 8kontrola poziomu LZA w zbiorniku
wyrównawczym. [7]
11
3.1. PODSTAWOWE
WZORY
DO
PROJEKTOWANIA
INSTALACJI
PRZED
NADMIERNYM
PRZEGRZANIEM
Projektowanie instalacji wymiany ciepła można rozpocząć od zastosowania
następujących wzorów i zależności.
Wydajność grzania/chłodzenia
Q
[kW] niezbędna do podgrzania lub
schłodzenia odbiornika.( np. reaktora, zbiornika lub dowolnego elementu wyposażenia
instalacji ) w pewnym przedziale czasowym może być obliczona ze wzoru:
Δτ
ΔT
mc
Q
p
(1.1)
m masa całkowita np. reaktora ( część metalowa i zawarta ciecz ), kg
c
p
pojemność cieplna reaktora ( z zawartością ), kJkg
-1
K
-1
T różnica temperatur, K
czas potrzebny do podgrzania, s
Wymagane natężenie przepływu czynnika przez aparat może być obliczone
wg wzoru:
P
p
P
p
T
c
V
T
c
m
Q
(1.2)
m
przepływ masowy przez płaszcz, kgs
-1
V
przepływ objętościowy przez płaszcz, m
3
s
-1
q gęstość oleju przy nominalnej temp. pracy, kgm
3
różnica temperatur oleju na wejściu/wyjściu z płaszcza, K
LITERATURA
1. Ryng M. : Bezpieczeństwo techniczne w przemyśle chemicznym. Warszawa.
WNT, 1985.
2. Kubasiak S. : Bezpieczeństwo w przemyśle chemicznym organicznym.
Warszawa. Instytut Wydawniczy CRZZ, 1980.
3. Pieskow I. : Instalacje przemysłowe. Katowice. PWSZ, 1971.
4. Tuszyński K., Walewski M. : Regulacja automatyczna w inżynierii chemicznej.
Warszawa. WNT, 1983.
5. Szpil Z. Aura. 1/2001.
6. Szpil Z. Aura. 2/2002.
7. Dietmar H. : Inżynieria i Aparatura Chemiczna. 5/2002.
8. Dojlido J., Kloze J.: Aparatura kontrolno–pomiarowa i zarys automatyzacji w
gospodarce wodno – ściekowej. Bytom. PWSZ,1970.
9. Polska Norma: PN-82/M-74101.
10. Kacperski W.T.: Aparatura kontrolno–pomiarowa. Radom. WPWSOŚ, 2000.