مقدمه
سامانههای شناسایی گاز به طور گستردهای در صنعت فرایندی برای شناسایی و کاهش اثرات نشت گاز و کمینهسازی پیامدهای احتمالی آنها به کار گرفته شدهاند. مکانیسمهای شناسایی با توجه به نوع مواد شیمیایی متفاوت هستند و باید با دقت فناوری مناسب برای هر کاربرد انتخاب شود؛ همراه با ملاحظات عملی مربوط به نصب، راهاندازی و نگهداری. بیشتر کاربردهای کنونی هشدارهایی برای اپراتور ایجاد میکنند که بر اساس قرائتهای بالا از دتکتورهای گازی فعال میشوند. با این حال، با فشار صنعت برای ادغام دتکتورهای ایمنی گاز در سامانههای توقف اضطراری، نیاز به طراحی، کالیبراسیون و راهاندازی صحیح این دتکتورها برای کاهش آلارمهای کاذب، بهطور فزایندهای اهمیت یافته است.
فناوریهای شناسایی گاز
دو دسته کلی برای دتکتورهای گازی وجود دارد: دتکتورهای نقطهای و دتکتورهای ناحیهای.
- دتکتورهای گازی نقطهای دارای یک محل واحد برای دتکتور هستند که در آن ابر گازی باید مستقیماً با دتکتور تماس پیدا کند. انواع دتکتورهای نقطهای شامل دتکتورهای کاتالیتیکی، الکتروشیمیایی، حالت جامد و مادونقرمز (IR) هستند. دتکتورهای کاتالیتیکی و IR بهطور گستردهای در صنعت استفاده میشوند و در این مقاله بهطور مفصل بررسی شدهاند.
- دتکتورهای ناحیهای قادرند بدون نیاز به تماس مستقیم ابر گازی با دتکتور، رهایش گاز را شناسایی کنند. انواع دتکتورهای ناحیهای شامل مسیر باز (خط دید – LOS) و صوتی هستند.
دتکتورهای گازی نقطهای
دتکتورهای گازی کاتالیتیکی
دتکتورهای کاتالیتیکی (شکل ۱) از نوع دتکتورهای نقطهای هستند که از یک مقاومت پلاتینی داغ پوشیدهشده با کاتالیست برای واکنش با گازهای قابل احتراق استفاده میکنند. هنگامیکه گاز قابل احتراق با این مقاومت تماس پیدا میکند، پوشش آن اکسید میشود و مقاومت پوشیدهشده گرم میگردد. افزایش دما در این مقاومت در مقایسه با یک مقاومت کنترلی اندازهگیری میشود تا درصد حد پایین اشتعال (٪LFL) تعیین شود.
مزایا:
- عملکرد ساده
- مقاوم و آسان برای استفاده و کالیبراسیون
- دارای قابلیت اطمینان بالا
- بهراحتی برای گازهای خاصی مانند هیدروژن کالیبره میشود
معایب:
- نیاز به کالیبراسیون مکرر بهدلیل غیرفعال شدن یا آلودگی
- قرارگیری طولانیمدت در معرض گازهای قابل اشتعال باعث کاهش حساسیت میشود
ملاحظات عملی:
- دتکتورهای کاتالیتیکی معمولاً برای شناسایی گازهایی مانند هیدروژن مفید هستند، در حالیکه دیگر دتکتورهای نقطهای واکنشپذیری کمتری دارند.
- دانههای دتکتور ممکن است نیاز به تعویض داشته باشند یا کالیبراسیون دتکتورها باید بهصورت مکرر انجام شود تا قابلیت اطمینان بالا حفظ گردد.
- کیتهای کالیبراسیون از فروشندگان مختلف در دسترس هستند تا امکان کالیبراسیون از راه دور را فراهم کنند، زیرا دتکتورها ممکن است در ارتفاعاتی نصب شوند که دسترسی به آنها آسان نباشد.
- نیاز توان مصرفی دتکتورهای کاتالیتیکی بالا نیست و معمولاً با توان حلقهای از کنترلر تغذیه میشوند.
- دقت اندازهگیری بین ۳ تا ۵ درصد است که بستگی به بازه ٪LFL دارد.
- زمان پاسخ معمول برای رسیدن به ۵۰٪ LFL حدود ۱۰ ثانیه و برای رسیدن به ۹۰٪ LFL حدود ۳۰ ثانیه است. این زمان، مدتزمانی است که دتکتور برای تشخیص غلظت صحیح گاز و تولید سیگنال پس از تماس گاز با دتکتور نیاز دارد.
- قابلیت عملکرد در بازه دمایی گسترده از ۴۰- درجه سلسیوس تا ۷۵+ درجه سلسیوس را دارد.
- قابلیت اطمینان بسیار بالا در محیطهایی با دمای شدید، رطوبت بالا و ارتعاشات
دتکتورهای گازی مادونقرمز (InfraRed – IR)
دتکتورهای مادونقرمز از جذب مادونقرمز توسط گازهای هیدروکربنی در طول موج ۳.۴ میکرومتر برای شناسایی حضور گازهای قابل احتراق استفاده میکنند. این دتکتورها از یک فرستنده نور مادونقرمز استفاده میکنند که در طول موج گاز هدف و نیز برای کنترل طول موج عمل میکند. الگوریتمهای پیچیدهای برای محاسبه ٪LFL بر اساس عبور اندازهگیریشده نور بهکار گرفته میشود.
مزایا:
- رایجترین سامانه شناسایی گاز
- تنوع بالای تأمینکنندگان و رقابت قیمتی مناسب
- نصب و راهاندازی و کالیبراسیون آسان
- کالیبراسیون به دفعات کمتری نسبت به دتکتورهای کاتالیتیکی مورد نیاز است
- ایمنی در برابر نویز و آلودگیها
- عملکرد مداوم در حضور گازهای قابل اشتعال بدون افت عملکرد
معایب:
- هزینه اولیه خرید و نصب بالا است
- گاز باید در ناحیه مادونقرمز فعال باشد؛ مانند گازهای هیدروکربنی
- در شرایط دمایی شدید، رطوبت بالا یا محیطهای با ارتعاش زیاد عملکرد مؤثری ندارد
- برای کاربردهای چندگازه مناسب نیست
ملاحظات عملی:
- دتکتورهای IR معمولاً برای شناسایی گازهای هیدروکربنی مفید هستند.
- نیاز توان مصرفی این دتکتورها بین ۵ تا ۲۰ وات است و معمولاً با توان حلقهای از کنترلر تغذیه میشوند.
- دقت اندازهگیری بین ۱ تا ۵ درصد است که بستگی به بازه ٪LFL دارد.
- زمان پاسخ معمول برای رسیدن به ۵۰٪ LFL حدود ۵ ثانیه و برای رسیدن به ۹۰٪ LFL حدود ۱۰ ثانیه است.
- این دتکتورها میتوانند در بازه دمایی وسیع بین ۴۰- درجه سلسیوس تا ۷۵+ درجه سلسیوس کار کنند.
- دتکتورهای IR برای گاز خاصی مانند متان یا پروپان کالیبره میشوند. اگر گازهای دیگر با همان دتکتور اندازهگیری شوند، فروشندگان باید منحنیهای تصحیح برای تعیین غلظت ارائه دهند که دقت این اندازهگیریهای تصحیحشده محدود خواهد بود.
- اگر دتکتور در اثر تماس با گاز «اشباع» شود، ممکن است مدت زمان زیادی برای بازگشت مقدار خواندهشده به سطح نرمال نیاز باشد. این مورد بهویژه در صورت استفاده از فیلتر آبگریز (hydrophobic) یا حفاظ هوا (weather baffle) صادق است.
- هرگونه انحراف در نصب دتکتور نسبت به زاویه توصیهشده توسط سازنده ممکن است منجر به خطاهای بزرگ در مقادیر غلظت اندازهگیریشده شود.
دتکتورهای ناحیهای (Area Detectors)
دتکتورهای مسیر باز (Open Path)
دتکتورهای ناحیهای مسیر باز به دو نوع تقسیم میشوند: مادونقرمز (IR) و طیفسنجی لیزری.
دتکتور مادونقرمز مسیر باز از همان فناوری دتکتورهای نقطهای مادونقرمز استفاده میکند. در این نوع، فاصله بین فرستنده و گیرنده مادونقرمز بسته به قابلیت دتکتور میتواند از ۱۵ فوت تا ۶۵۰ فوت متغیر باشد.
در نوع طیفسنجی لیزری، چندین طول موج مختلف برای شناسایی غلظت خاصی از گاز اندازهگیری میشود.
در این مقاله، تمرکز بر دتکتورهای مسیر باز مادونقرمز است، زیرا این نوع در صنعت بهطور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد.
مزایا:
- بهطور گسترده در سکوهای فراساحلی (Offshore) و تأسیسات خشکی (On-shore) برای شناسایی نشت گاز در یک ناحیه وسیع استفاده میشوند.
- هم بهعنوان آژیر هشدار اولیه و هم برای فعالسازی فرآیند تخلیه (Evacuation) کاربرد دارند.
- در صورتی که هدف صرفاً تشخیص نشت گاز و نه اندازهگیری غلظت آن باشد، نسبت به دتکتورهای نقطهای به تجهیزات نصبشده کمتری نیاز دارند.
معایب:
- دتکتورهای مسیر باز بسیار حساس به حفظ خط دید مستقیم بین فرستنده و گیرنده هستند.
این موضوع، راهاندازی اولیه (راهاندازی و کالیبراسیون) را بسیار دشوار و زمانبر میکند.
- نسبت به موانع موقتی مانند واگنهای ریلی، داربستها، تجهیزات یا وسایل نقلیه دیگر بسیار آسیبپذیر هستند.
- میزان هشدارهای اشتباه (False alarms) یا تریپهای ناخواسته در آنها بسیار زیاد است و این ویژگی آنها را بدنام کرده است.
معایب دتکتورهای مسیر باز:
- این دستگاه مقدار درصد حد انفجار پایین (LFL) را گزارش نمیدهد، بلکه مقدار LFL-متر را نشان میدهد.
- هزینه اولیه خرید و نصب این تجهیزات بهطور قابل توجهی از دتکتورهای نقطهای IR بیشتر است.
- لرزشها ممکن است باعث عدمترازی بین فرستنده و گیرنده شوند.
ملاحظات کاربردی:
- سنسورهای مسیر باز عمدتاً برای تشخیص گازهای هیدروکربنی مفید هستند. با این حال، تعداد کمی دتکتور مسیر باز برای گازهای سمی در بازار موجود است.
- مصرف برق این دتکتورها بین ۲۰ تا ۵۰ وات متغیر است. برخی مدلها در صورت عدم نیاز به تنظیمات دقیق برای حفظ خط دید، توان بالاتری مصرف میکنند تا بهطور مداوم پرتو IR را در ناحیه گستردهتری ارسال کنند. در صورت عدم محدودیت در توان مصرفی، استفاده از این مدلها میتواند زمان کالیبراسیون را کاهش دهد.
- دقت عملکرد حدود ۱٪ است، بسته به محدوده اندازهگیری LFL-m.
- زمان پاسخ به ۹۰٪ LFL در حدود ۵ ثانیه است.
- این دتکتورها در بازه دمایی ۵۰– تا ۵۰+ درجه سانتیگراد قابلاستفاده هستند.
- این دتکتورها به یک گاز خاص کالیبره نمیشوند، بنابراین قادر به ارائه مقادیر LFL-m برای طیفی از گازهای هیدروکربنی هستند. اما در مدلهای سمی، مانند تشخیص سولفید هیدروژن یا آمونیاک، فقط باید برای همان گاز طراحیشده استفاده شوند.
- ترازی دقیق بین منبع و گیرنده زمانبر و دشوار است، و ممکن است به دلیل لرزش، شرایط آبوهوایی یا برخوردهای ناخواسته از بین برود.
- با وجود اینکه این دتکتورها نیازی به تماس مستقیم گاز با سنسور ندارند، قرارگیری صحیح آنها برای عملکرد مؤثر بسیار حیاتی است. گاز باید با پرتو IR برخورد داشته باشد تا آلارم فعال شود.
دتکتورهای صوتی (Acoustic Gas Detectors)
دتکتورهای صوتی با تشخیص امواج فراصوت تولید شده توسط نشت گازهای فشرده عمل میکنند. زمانی که نشت در یک سامانه تحت فشار رخ میدهد، امواج صوتی تولیدی به محدوده مافوقصوت (بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز) وارد میشوند. شدت صدا به عواملی مانند فشار، دبی نشت، ویسکوزیته گاز و فاصله از منبع نشت بستگی دارد.
مزایا:
- زمان پاسخ تقریباً صفر است.
- تشخیص مستقل از نوع گاز انجام میشود.
- بسیاری از دتکتورهای صوتی میتوانند الگوهای نشت خاص را بر اساس دادههای تاریخی یاد بگیرند و این امر به افزایش دقت کمک میکند.
معایب:
- در صورت تنظیم نادرست، به دلیل حساسیت به هر نوع نشت، ممکن است دچار آلارمها یا تریپهای اشتباه (Nuisance Alarm/Trip) شود؛ مثلاً نشت نیتروژن یا هوای ابزار میتواند باعث فعالسازی هشدار شود.
ملاحظات کاربردی:
- فناوری صوتی در تشخیص نشت گاز طی سالهای اخیر پیشرفت زیادی داشته، اما همچنان تحقیقات برای کاهش هشدارهای اشتباه ادامه دارد.
- بهتر است از دتکتورهای صوتی به عنوان آلارم اولیه استفاده شود، در حالی که دتکتورهای نقطهای یا مسیر باز برای فعالسازی فرمانهای قطع استفاده شوند.
- اکثر این دتکتورها باتریخور و کممصرف (۱ تا ۲ وات) هستند.
- نصب ساده و هزینه بسیار کمتر نسبت به دتکتورهای گازی دارند.
- جانمایی دقیق آنها مانند دتکتورهای گازی حیاتی نیست، زیرا نیاز به تماس مستقیم با گاز ندارند.
- در بازه دمایی ۵۰– تا ۷۵+ درجه سانتیگراد قابلاستفاده هستند.
جانمایی دتکتورهای گازی (Placement of Gas Detectors)
تاریخچه:
تشخیص گاز ابتدا با استفاده از قناریها در معادن آغاز شد و با پیشرفت فناوری به وضعیت کنونی رسیده است.
در سال ۱۹۹۱، مؤسسه نفت آمریکا (API) مستند API 2031 را منتشر کرد تا راهنماییهایی برای جانمایی دتکتورهای گازی ارائه دهد، اما این مستند به دلیل نگرانیهایی بهزودی از انتشار خارج شد.
در حال حاضر استاندارد مشخص و جهانی برای محل نصب دتکتورهای گاز در نواحی فرایندی وجود ندارد، و بیشتر شرکتها از استانداردهای داخلی خود استفاده میکنند.
مطالعات سنتی محل نصب دتکتورها بر پایه تجربه مهندسین انجام میشود. استفاده از مدلسازی CFD (دینامیک سیالات محاسباتی) نیز رایج است، اما بسیار پرهزینه است.
گزارش HSE بریتانیا از ۸ سال دادههای سکوهای فراساحلی نشان داده که تنها ۶۰٪ از نشتهای شناختهشده توسط دتکتورها شناسایی شدهاند.
طراحی کمی تشخیص گاز (Quantitative Detection Design)
پوشش جغرافیایی (Geographic Coverage)
طبق استاندارد ISA84 TR7، پوشش جغرافیایی عبارت است از:
«بخشی از ناحیه هندسی (در یک ارتفاع مشخص از ناحیه تحت پایش) که اگر نشت در آن رخ دهد، توسط تجهیزات شناسایی گاز (با در نظر گرفتن آرایش رأیگیری سیستم) شناسایی خواهد شد.»
در این روش، دتکتورها دارای حجم مؤثر در ناحیه خطر تعریفشده هستند. سپس تحلیلهایی برای تعیین ضریب پوشش سناریویی (درصد ناحیهای که توسط دتکتورها پوشش داده میشود) انجام میشود.
معایب دتکتورهای مسیر باز (Open Path):
- این دستگاه مقدار درصد LFL را گزارش نمیدهد، بلکه مقدار LFL-m را ارائه میدهد.
- هزینه اولیه ابزار و نصب آن بهطور قابلتوجهی بیشتر از دتکتورهای نقطهای مادونقرمز است.
- لرزشها میتوانند موجب برهمخوردن همراستایی منبع و گیرنده شوند.
ملاحظات عملیاتی:
- دتکتورهای دارای خط دید (Line of Sight) عمدتاً برای شناسایی هیدروکربنها مفید هستند، اما نسخههای سمی این دتکتورها بسیار محدود هستند.
- مصرف توان حسگرهای IR مسیر باز بین ۲۰ تا ۵۰ وات است. برخی مدلها که نیاز به تنظیم دقیق ندارند، مصرف توان بالاتری دارند زیرا پرتوهای مادونقرمز را بهطور مداوم در ناحیهای وسیع ارسال میکنند؛ اگر تأمین توان مشکلی نداشته باشد، این نوع از دتکتورها به دلیل کاهش زمان کالیبراسیون مناسباند.
- دقت عملکرد این دتکتورها در حدود ۱٪ (وابسته به بازه LFL-m) است.
- زمان پاسخ معمول تا ۹۰٪ LFL حدود ۵ ثانیه است.
- بازه دمایی عملکرد این دتکتورها از ۵۰– درجه سانتیگراد تا ۵۰+ درجه است.
- دتکتورهای ناحیهای به گاز خاصی کالیبره نمیشوند، لذا میتوانند مقدار %LFL-m را برای طیفی از گازهای هیدروکربنی ارائه دهند. اما دتکتورهای سمی فقط باید برای گاز خاص کالیبرهشده مانند سولفید هیدروژن یا آمونیاک استفاده شوند.
- تنظیم و تراز کردن فرستنده و گیرنده بسیار زمانبر است و ممکن است بهدلیل لرزش، شرایط آبوهوایی یا برخوردهای ناخواسته، دچار عدم همراستایی شوند.
- با اینکه گاز نیاز ندارد مستقیماً با حسگر تماس داشته باشد، اما محل نصب صحیح همچنان حیاتی است تا ابر گاز با پرتوی IR برخورد کند و هشدار فعال شود.
دتکتورهای آکوستیک (Acoustic Detectors):
دتکتورهای گاز آکوستیک امواج فراصوتی ناشی از نشت گاز تحت فشار را شناسایی میکنند. هنگامیکه نشت تحت فشار رخ میدهد، صدای تولیدشده شامل فرکانسهایی فراتر از حد شنوایی انسان (بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز) است.
به نقل از [Det-Tronics, 2014]، شدت صدای نشتی به عواملی مانند فشار، نرخ نشت، ویسکوزیته گاز و فاصله از منبع نشت بستگی دارد.
مزایا:
- زمان پاسخ بسیار ناچیز است.
- نسبت به نوع گاز مستقل است و میتواند هر نوع نشت گازی را شناسایی کند
- اغلب مدلها قابلیت یادگیری الگوهای خاص نشتی گاز را با استفاده از دادههای تاریخی دارند که باعث بهبود دقت اندازهگیری میشود.
معایب:
- اگر بهدرستی پیکربندی نشده باشد، هشدارها یا تریپهای ناخواسته ایجاد میکند؛ بهعنوان مثال، نشت نیتروژن یا هوای ابزار نیز ممکن است آلارم فعال کند.
ملاحظات عملیاتی:
- فناوری آکوستیک در سالهای اخیر پیشرفت قابلتوجهی داشته، اما همچنان تحقیقات برای کاهش هشدارهای اشتباه ادامه دارد.
- بهترین کاربرد این دتکتورها بهعنوان آلارم اولیه است، در حالیکه دتکتورهای نقطهای یا ناحیهای برای توقف فرآیند بهصورت خودکار یا توسط اپراتور استفاده میشوند
- .
- اغلب دتکتورهای آکوستیک با باتری کار میکنند و مصرف توان آنها ۱ تا ۲ وات است.
- نصب آنها بسیار ساده و کمهزینهتر از سایر دتکتورهاست. همچنین، محل نصب نسبت به دتکتورهای گاز حساسیت کمتری دارد.
- بازه دمایی عملکرد آنها از ۵۰– تا ۷۵+ درجه سانتیگراد است.
جانمایی دتکتورهای گاز (Placement of Gas Detectors)
در گذشته، از قناری در قفس بهعنوان سیستم هشدار نشت گاز استفاده میشد! با پیشرفت فناوری، صنعت پتروشیمی بهتدریج از فناوریهای نوین بهرهمند شده است.
در سال ۱۹۹۱، مؤسسه نفت آمریکا (API) استاندارد API 2031 را منتشر کرد که مربوط به جانمایی دتکتورهای گاز بود، اما بهزودی برای جلوگیری از مشکلات صنعتی از انتشار خارج شد
.
در حال حاضر هیچ استاندارد حاکم و رسمی جهانی برای محل نصب دتکتورهای گاز در مناطق فرآیندی وجود ندارد، ولی اکثر شرکتها استاندارد داخلی برای این منظور دارند.
طراحی مبتنی بر پوشش کمی (Quantitative Detection Design)
پوشش جغرافیایی (Geographic Coverage):
طبق ISA 84 TR7:
«پوشش جغرافیایی، درصدی از سطح هندسی یک ناحیه فرآیندی تعریفشده در یک ارتفاع خاص است که اگر نشتی گاز در آن ناحیه رخ دهد، توسط دتکتورها شناسایی میشود (با در نظر گرفتن طرح رأیگیری).»
در این روش:
- دتکتورها دارای حجم مؤثر در منطقه خطر تعریفشده هستند.
- با انجام تحلیل، درصد ناحیهای که توسط دتکتورها تحت پوشش قرار گرفته محاسبه میشود
معایب این روش:
- نیازی به مدلسازی اضافی ندارد.
- اما اثربخشی دتکتورها باید فرض شود که این فرض برای دتکتورهای نقطهای و مسیر باز ممکن است خوشبینانه (Non-conservative) باشد، زیرا ابر گاز باید حتماً با دتکتور تماس مستقیم داشته باشد تا تشخیص انجام شود.
پوشش سناریو (Scenario Coverage):
طبق ISA 84 TR7:
پوشش سناریو، درصدی از سناریوهای نشت است که ناشی از شکست در تجهیزات ناحیه فرآیندی تعریفشده بوده و میتواند توسط دتکتورها شناسایی شود (با در نظر گرفتن فراوانی و شدت نشت و طرح رأیگیری)
در این روش:
- از نرمافزارهای مدلسازی انتشار (Dispersion Modeling) برای پیشبینی پخش گاز استفاده میشود.
- خروجی تحلیل، درصد سناریوهای قابل شناسایی توسط دتکتورها خواهد بود.
مزایا:
- دتکتورها میتوانند براساس شرایط واقعی فرآیند در تجهیزات و لولهکشیها، بهدرستی جانمایی شوند.
- این روش از نصب دتکتورها در مناطق کمخطرتر جلوگیری میکند؛ چرا که بهجای در نظر گرفتن صرفاً موقعیت فیزیکی، عوامل مؤثری مانند جهت باد، شرایط آبوهوایی، و تراکم تجهیزات فرآیندی در منطقه لحاظ میشود.
معایب:
- نیازمند تحلیل دقیق برای هر سناریوی نشت است؛ این فرآیند ممکن است پرهزینه و زمانبر باشد.
- با این حال، اکثر سایتهایی که تحت پوشش مدیریت ایمنی فرآیند (PSM) هستند، معمولاً یک مطالعه تعیین محل تجهیزات (Facility Siting Study) انجام دادهاند که در آن سناریوهای محتملِ از دست رفتن ایزولاسیون (Loss of Containment) بررسی شدهاند.
- بنابراین، اطلاعات این مطالعات میتواند مستقیماً برای محاسبه پوشش سناریویی استفاده شود و هزینه یا زمان اضافی زیادی نیاز ندارد.
