万无一失的防爆措施

安全防爆技术的介绍与展望

作者:2018 ACHEMA展会趋势报告 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:57 发布时间:2018-05-09
虽然大多数人在谈到“化工”时常常联想到爆炸,但大多数人所处的环境仍然是十分安全的。现在,尽管各类安全保护和防护措施,以及有关安全的法律法规和规章制度非常多,但流程设备运营商和操作者仍必须对潜在的风险和安全保护措施进行彻底的检查。
万无一失的防爆措施

在流程工业的许多领域中都有爆炸的危险,但多年来VCI协会成员厂的事故数量却在逐年下降。2014年中,每百万工时中仅有5起左右事故,其中大部分是通勤事故。即使是在各行业的事故比较中,流程工业领域中的事故也远远低于其他行业。之所以如此安全,是安全保护方案数十年来不断完善改进的结果,其中防火和防爆是安全保护的两大重点。

触发爆炸的危险因素通常不是一个宏观的因素,这让问题处理更加棘手。不符合技术规范要求的导线连接或者不专业的操作等都是安全隐患,甚至电动机上仅有1mm的可燃性粉尘都可以引起爆炸。在某些情况下,打开窗户就足以引起粉尘的飞扬,接着会引发一系列的连锁反应。由于压力波也能“吹起”粉尘,从而具有传播爆炸的能力,在发生爆炸后,不仅靠近爆炸源的设备会被直接摧毁,还可能会影响到附近的设备和建筑。据估计,德国每天都有出现粉尘爆炸的苗头,但由于采取的措施得力,因此没有带来灾难。

防爆安全保护贯穿在流程工业的各个领域,在纽伦堡的Powtech会展中,安全技术产品的制造商们将展示其定期触发的防爆器和相应的安全保护措施

安全保护方案

首先要确定不同生产区域的危险等级,危险等级的等级确定取决于爆燃性气体出现的概率和持续时间的长短。同时也需要考虑诸如爆炸极限、可释放物质量和通风换气措施的换气流量以及必要时使用的监测装置等参数。
不同危险等级的区域有着不同的可燃性粉尘。在危险等级Zone 0的区域内,经常出现由空气和可燃性粉尘混合而成的气态、蒸汽或者雾状的爆燃性气体;在危险等级Zone 1的区域中,这种混合气体的出现可以预报;在危险等级Zone 2的区域中则很少出现这样的混合气体。

粉尘的情况也类似,在危险等级Zone 20的区域内空气中会持续或者频繁出现含有可燃性粉尘构成的云状爆燃性气体。在危险等级Zone 21区域中,可燃性粉尘构成的云状爆燃性气体可以预报;在Zone 22中,则很少出现这样的云状气体。这样的分类对仪器仪表的选择和使用有一定影响。例如,在Zone 2/22的区域中,仪器设备的操作不会产生点火源就足够安全,而对于工作在危险等级Zone 1或者Zone 21区域中的仪器来说,则要求在误操作时也不能成为点火源。在危险等级Zone 0/20的区域中所使用的仪器仪表,则需要保证在出现故障的情况下也罕成为点火源。

但是,爆炸性气体环境的区域划分仅仅是安全技术标准、技术规范和法律法规中的一部分。每个国家在特定情况下的有关规定也有着很大的差异,例如北美洲市场只有两个危险等级。

工业企业安全生产条例(Betr-SichV)是流程设备潜在爆燃性危险区域划分的法律依据。另外,新版欧盟防爆认证指令ATEX 2014/34/ EU(适用于生产厂家)和1999/92/EHG(适用于设备运营商)有重要意义。此外,IEC-Ex 60079系列有关电气设备和装置的防爆保护的标准,以及IEC 61508和IEC 61511有关功能安全性方面的规定都是危险区域划分时需要考虑的因素。

通常情况下,需要监控的设备都必须编写防止爆燃的安全操作手册。这一工作必须在设备投产使用之前完成,并在设备改造之后进行修订或重新编写。

火源、可燃物质(气体、蒸汽和粉尘等)和氧是最重要的防爆要素,要针对这3大爆燃要素制定预防措施,以减少爆炸的可能性。大多数情况下采取综合性的防爆措施,以便把爆燃风险降低到最小。恰到好处地平衡安全与盈利能力非常重要,考虑合理性的同时经济性也不能忽视。

一级防爆措施

一级防爆措施包括避免可燃性气体环境的出现,例如使物资流惰性化或者利用通风换气设备抽取可燃粉尘。但要注意,清理设备也要按照防爆保护的标准来设计,例如防爆型抽风机。当然也可以用不危险的物质来替代危险物质,或者降低爆燃气体的浓度。

二级防爆措施

第二级的预防措施是避免引火源。采取的措施例如预防静电、冒烟、燃烧以及电火花、机械加工、高温的表面以及雷击等都可以成为点火源。这些有效点火源都要与粉尘-空气混合气等可燃气体的特征进行评估。最小点火能是评估有效点火源和无效点火源最重要的参数。有许多措施可以避免有效点火源,这包括操作时避免明火、使用避免静电放电的接地监控以及防爆型仪器仪表等。

第三级防爆措施

很多情况下仅仅靠上述两种防爆措施仍是不够的,因此就必须要有第三层次的防爆保护措施,也称之为设计技术方面的防爆措施。彻底避免爆燃风险是不可能实现的,但可以有效地将爆炸的危害降低到最低。属于设计技术领域的防爆措施包括:仪器设备隔爆型防爆或抗冲击的结构设计、防爆盘的常规泄压和无焰泄压,以及防爆技术的隔离和抑爆。

对建筑物外的设备或者设备部件通常采用防爆盘进行防爆泄压。适用于车间、厂房外的料仓、过滤器电梯等设备。在发生爆炸事故时,因容器内的压力剧增而使防爆盘打开,减少了容器中的压力,并向外释放爆炸冲击波。

但这一措施也有缺点,有时即使防爆盘的安装十分正确,但它的开口方向朝着电梯或者货车装卸车的位置。尽管在防爆盘的作用下火焰和压力冲击波的传播距离只有几米,但这几米也许就能带来灾难性的毁灭。因此,向提供防爆设备的公司了解有关的专业知识至关重要。

当然,只有防爆技术专家才有资格和能力评估是否需要设计技术的防爆措施,不是所有的可燃性混合气体都需要这些防爆措施。

防爆技术的隔爆设备有着很大的市场需求。在每一个流程工艺生产过程中,各个流程设备都用管道连接在一起。使用防爆技术型隔爆设备,可以在发生爆炸时切断这些连接管道,防止火焰和爆炸冲击波的传播,从而保护相邻的流程设备。其中,主动式隔爆脱开系统和被动式隔爆脱开系统有所区别。

利用压力检测传感器或者IR红外检测系统进行探测、随后立即消灭火花的防爆系统同样也是非常有效的安全保护措施。它的反应速度很快,在压力传感器发出报警信号之后,立即就会喷出灭火剂,将可燃粉尘的温度冷却到点火极限温度之下。这种防爆系统的优点是在系统触发后,流程设备可以再很短的时间内重新运行。

过程控制技术的一些组成部件也能在流程工艺过程中承担安全保护的工作任务。在出现故障或者出现危险时,它们会及时介入,并采取有效的安全保护措施。Namur推荐标准NF 138就描述了PLT过程控制设备实施防爆措施的要求。但这并不是要取代基于技术规范基础的防爆安全保护,例如TRBS 2152技术规范,是建立在防爆安全保护基础之上的防爆措施,除了要考虑SIL安全评估的措施之外,还要考虑到其他成熟的流程工艺技术。

始终保持最新

对中小型流程工业企业来说,常常缺少防爆技术的专业人员,在实践中落实众多的技术标准和规范非常困难,这就就会出现流程设备的安全水平始终是设备调试时的水平的情况。而流程设备安全运行也包括了定期地检查危险和评估,以及按照现代防爆技术水平,不断调整自身的安全防爆措施。在定期的危险评估核查中(例如对仪器仪表、安全保护系统以及通风换气设备、气体报警装置和惰性化装置),在有通过性能测试的维护保养记录时,有些核查是可以省略的。因此建议增加专业技术人员,因为他们通常会提供这样的解决方案。

几年来,在防爆的同时考虑防火也被越来越多的人们所重视。火灾和爆炸有着明显的区别,发生火灾时人们还有时间采取灭火措施,而在爆炸时主要的损失、危害已经发生,无法补救。防爆方案的目的是避免爆炸,或者说是直接控制爆炸带来的后果;而防火的方案则是安全地探测火灾和控制火灾的蔓延。然而,在燃烧的瞬间可能会迅速发展为爆炸(例如有粉尘形成的气流漩涡),而爆炸也可以引燃可燃材料而带来火灾。因此,两项安全防护措施的协调是必要的,其所使用的监测设施也会有所重叠。

展望未来

许多防爆方法和措施已经非常成熟,在安全操作规程进行重大修改,尤其在引入Atex防爆规定之后,人们的争议也越来越少——至少是在法律法规、欧盟指令方面的争论减少了。但是,正如Wuppertal大学的研究结果显示的那样,在安全防爆领域中,总是会出现一些令人意想不到的情形。

Wuppertal大学的研究人员发现了既不飞扬也不沉淀的粉尘,这是一种处于流动状态、完全不同于其他的可燃性粉尘。目前,这种情况不仅仅在流化床中被发现,而且许多迹象表明在过滤系统中(例如在净化器中)也会出现这种准稳态现象。经过大量的准静态粉尘的可燃性试验,在开发了相应的测试设备之后,目前专业人员正在修订VDI 2263标准的附件1,它介绍了新的可燃性编号BVZqs。

在防爆安全保护方面,工业4.0仍是用户们的热门话题。像平板电脑、手持扫描仪、手机等移动式终端设备在Ex易燃易爆危险区域内的维护保养工作中使用得越来越多,其中也包括了像显示器这类的显示和监控设备。在工业4.0的环境中,面对新的和预防性的安全保护方案,这些技术将会继续发展下去。

这些技术在本质安全的现场总线技术领域中已经有了新的发展。现在已经有了可以在易燃易爆Ex-Zone区域中使用的现场总线解决方案,但它的网络结构过于复杂。APL高级物理层作为本质安全型双线以太网解决方案,最大传输距离可达1000 m,适合于过程自动化的现场设备。这一方案已经相当成熟,在本届Achema国际会展中将会展示第一批采用APL技术的现场总线仪器设备,但在易燃易爆的Ex-Zone危险区域内构建安全可靠的以太网解决方案还要过一段时间。