Das Verständnis von Feuer- und Gassystemen erhöht die Sicherheit

Von Edward Naranjo, Direktor von Rosemount Feuer- und Gasmeldesystemen, Emerson

Obwohl viele Mitarbeiter von Prozessanlagen ein gewisses Verständnis für Feuer- und Gassysteme haben, kann die Natur dieser Systeme – isoliert und getrennt von der grundlegenden Prozesssteuerung und nur bei Unfällen tätig – dazu führen, dass Arbeiter sie als selbstverständlich betrachten. Wie ein Rauchmelder zu Hause kann auch eine einmal installierte Feuer- und Gasanlage leicht in den Hintergrund geraten. Wenn sich Arbeitnehmer mit den entscheidenden Funktionen von Feuer- und Gassystemen vertraut machen oder sich erneut mit ihnen vertraut machen, verbessert sich die Gesamtsicherheit.

Die Brand- und Gassystemtechnik ist ein Spezialgebiet, das noch komplexer geworden ist, da sich die Praktiken für die Planung und Wartung von Systemen während ihres gesamten Lebenszyklus im Laufe der Jahre weiterentwickelt haben. Mit der Einführung präskriptiver Standards, die von der National Fire Protection Association, der Europäischen Gemeinschaft und zuletzt der International Electrotechnical Commission (IEC) 61511 und der International Society of Automation (ANSI/ISA) 84.00.01 entwickelt wurden, hat sich viel geändert. Diese Standards legten leistungsbasierte Kriterien zur Bewertung der Leistung von Safety Instrumented Systems (SIS) fest. Der technische Bericht TR84.00.07, der im Rahmen einer ISA 84-Arbeitsgruppe entwickelt wurde, bietet Leitlinien für die Gestaltung von Feuer- und Gassystemen gemäß IEC 61511.

Was sind also diese Sensoren, die neben dem Ammoniaktank angebracht sind? Wie funktionieren sie und was soll passieren, wenn es zu einer Veröffentlichung kommt? Wie ist im Brandfall vorzugehen? Hier sind einige grundlegende Konzepte, die jeder kennen sollte.

Wie die grundlegende Prozesssteuerung und SIS verwenden Feuer- und Gassysteme Sensoren, die an eine Steuerung angeschlossen sind (Abbildung 1), die so programmiert ist, dass sie Aufgaben zur Gefahrenminderung als Reaktion auf die Erkennung eines bestimmten Zustands ausführt. Typische Gefahren sind die ungezündete Freisetzung brennbarer oder giftiger Gase und Flüssigkeiten oder das Vorhandensein eines offenen Feuers, wenn eine Zündquelle gefunden wurde.

Abbildung 1: Während ein Sensor möglicherweise das einzige sichtbare Teil ist, kann die Logik von Brand- und Gasmeldesystemen recht komplex sein.

Die Maßnahmen zur Schadensbegrenzung variieren je nach Art, Ort und Schwere der erkannten Gefahr. Bei einem Brand kann es mehrere Maßnahmen geben. Dazu gehören das Ertönen von Warnalarmen für das Personal, das Freisetzen von Löschmitteln, das Unterbrechen des Prozessflusses, das Isolieren der Brennstoffquelle und das Entlüften von Geräten. All dies kann gleichzeitig geschehen, um den Brand zu löschen. Bei der Freisetzung giftiger Gase können Alarme ertönen, um das Personal in sichere Sammelbereiche zu leiten.

Diese Funktionen müssen ohne die Unterstützung anderer Systeme möglich sein, sie existieren jedoch nicht isoliert. Sie sind häufig in SIS, Notabschaltung (ESD) und Lüftungssystemsteuerungen integriert und erweitern so die Möglichkeit, einen Vorfall durch die Zusammenarbeit mit diesen anderen Systemen einzudämmen.

Die Antworten spiegeln die Funktionslogik wider, die aus Prozesssicherheitsstudien generiert und in einer transparenten und gut dokumentierten Matrix zusammengefasst wird, die Ursachen und Wirkungen in Beziehung setzt. Diese Ursache-Wirkungs-Diagramme spezifizieren die funktionalen Anforderungen des Sicherheitssystems. Einige der Kontrollmaßnahmen werden autonom vom Feuer- und Gassystem ausgeführt, während bestimmte interne Auslösungen die anderen oben genannten Systeme aktivieren.

Die in Feuer- und Gassystemen verwendeten Sensoren sind oft das am wenigsten verstandene Element, da sie sich von bekannteren Prozessinstrumenten unterscheiden. Erstens erkennen sie, was im offenen Raum passiert, und nicht in einem Behälter oder Rohr. Um zu verstehen, wie sie ein gefährliches Gas, eine gefährliche Flüssigkeit oder eine Strahlungsenergiequelle wie ein Feuer erkennen, ist Sorgfalt erforderlich.

Die meisten Sensoren für giftige oder brennbare Gase sind Punktdetektoren, das heißt, sie überwachen stark lokalisierte Bedingungen. Darüber hinaus hängen sie davon ab, dass das Zielgas den Sensor erreicht.

Ein Sensor identifiziert das Zielgas entweder dadurch, dass das Gas mit etwas im Inneren des Sensors so reagiert, dass sich ein elektrisches Signal (elektrochemisch) ändert (Abbildung 2), oder das Zielgas absorbiert bestimmte Wellenlängen von Infrarotlicht (IR). Wenn das Gas zwischen einer IR-Quelle und einem Empfänger strömt, ist die Änderung messbar. IR-Punktsensoren dürfen innerhalb eines Gehäuses nur einen oder zwei Zentimeter Abstand zwischen den beiden Elementen haben.

Abbildung 2: Elektrochemische Sensoren für toxische Gase, wie der Rosemount™ 928 Wireless Gas Monitor, können zum Nachweis von Schwefelwasserstoff verwendet werden, indem sie eine Reaktion zwischen dem toxischen Gas und einem internen Katalysator erzeugen.

Wenn ein größerer Bereich abgedeckt werden muss, ist es möglich, die beiden Hälften eines IR-Sensors zu trennen und sie mithilfe eines Open-Path-Ansatzes mehrere Meter voneinander entfernt zu platzieren. Der IR-Strahl strahlt von der Quelle zum Empfänger, und wenn sich irgendwo zwischen den beiden eine ausreichende Menge des Zielgases ansammelt, wird der Alarm ausgelöst. Selbstverständlich muss ein solcher Sensor eine kurzzeitige Unterbrechung des Strahls durch eine Person oder ein anderes Objekt, das den Raum passiert, ignorieren.

Unabhängig von der Detektionstechnik sind alle Punkt- und Open-Path-Detektoren auf die Detektion von Gas an einem bestimmten Ort beschränkt und können daher unwirksam werden, wenn sie an einem toten Ort platziert werden, an dem die Luft stagniert und das Gas nicht wandert. Ebenso können schlecht platzierte Schutzvorrichtungen oder Abdeckungen verhindern, dass das Zielgas das Sensorelement erreicht. Wenn ein aufmerksamer Bediener in der Anlage feststellt, dass sich an der Positionierung oder Umgebung eines Gassensors etwas geändert hat, sollte dies einer zuständigen Person gemeldet werden.

Wenn sich das Zielgas in einem unter Druck stehenden System befindet, kann es möglich sein, einen auf den Ultraschallbereich abgestimmten akustischen Sensor (Abbildung 3) zu verwenden, um Geräusche zu erkennen, die durch ein Leck im System verursacht werden. Solche Lecks können innerhalb dieser Zielfrequenzen Geräusche verursachen, die zur Warnung vor einer Flucht genutzt werden können, bevor die Konzentration ausreicht, um herkömmliche Sensoren auszulösen. Andererseits sind akustische Gasleckdetektoren nur für unter Druck stehende Fluchtwege geeignet und können aufgrund einer unabhängigen Geräuschquelle zu einer Fehlauslösung führen.

Abbildung 3: Ultraschall-Gasdetektoren wie der Ultraschall-Gasleckdetektor Incus von Emerson achten auf das Geräusch von austretendem Druckgas.

Melder müssen schnell reagieren, um mögliche Schäden durch einen aktiven Brand zu verhindern. Gleichzeitig sind die durch einen Feueralarm ausgelösten Aktionen, wie das Abschalten eines Prozesses und das Auslösen von Löschmittel, äußerst störend und dürfen nicht durch einen Fehlalarm ausgelöst werden.

Brände können erkannt werden, weil sie elektromagnetische Emissionen, Hitze und Rauch erzeugen. Ein umfassendes Feuer- und Gassystem verfügt möglicherweise über Sensoren, die nach allen dreien suchen.

Elektromagnetische Sensoren (Abbildung 4) suchen nach Emissionen in bestimmten Wellenlängen oberhalb und unterhalb des sichtbaren Lichtspektrums. Sie sind die am schnellsten reagierenden Sensoren, da sie diese Emissionen innerhalb von Sekunden erkennen können, wenn Flammen entstehen. Verschiedene brennbare Produkte erzeugen charakteristische Emissionen im ultravioletten (UV) und IR-Bereich. Beispielsweise erfordert die Erkennung von brennendem Benzin die Beobachtung anderer IR-Wellenlängen als die von brennendem Wasserstoff. Daher müssen Systementwickler wissen, welche brennbaren Produkte wahrscheinlich vorhanden sind. Einige Sensoren suchen nach einer kritischen Wellenlänge, während andere möglicherweise nach mehreren Wellenlängen suchen, wodurch die Erkennungsgenauigkeit verbessert wird.

Abbildung 4: Elektromagnetische Flammensensoren wie der Rosemount 975HR Multispektrum-IR-Flammendetektor können bestimmte Wellenlängen von IR-Licht erkennen, das von bestimmten Brennstoffen erzeugt wird.

Diese Sensoren funktionieren ähnlich wie Kameras und sind daher auf eine klare Sichtverbindung zum abgedeckten Bereich angewiesen. Daher befinden sie sich normalerweise in einer hohen Position und blicken auf die Ausrüstung. Hindernisse verringern die Erkennungsreichweite. Es ist auch wichtig, sich der Quellen bewusst zu sein, die einen Fehlalarm auslösen können. Wenn beispielsweise Schweißarbeiten in Sichtweite eines Detektors durchgeführt werden müssen, kann es erforderlich sein, dass ein entsprechender Bediener den Sensor vorübergehend deaktiviert.

Wärmemelder reagieren auf steigende Temperaturen oder Temperaturänderungen und können entweder punktförmig oder linienförmig sein und sich über eine Länge von mehreren Metern erstrecken. Im Gegensatz dazu reagieren Rauchmelder auf die Dichte der Rauchpartikel in der Luft. In Prozessbereichen werden Rauchmelder vor allem zum Schutz geschlossener Räume und Kanäle vor Abluft- und Lüftungsanlagen eingesetzt.

Weitere zusätzliche Detektoren umfassen Schmelzsicherungen und zerbrechliche Glühbirnen für spezielle Zwecke.

Die Art potenzieller Gefahren in einer bestimmten Anlage hängt von den beteiligten Produkten und Prozessen ab. Die Gestaltung eines Brand- und Gassystems muss diese Gefahren berücksichtigen, um angemessene Reaktionen zu ermöglichen. Alarmhupen und Blitzgeräte sind ein Ausgangspunkt, aber das System kann auch auf Feuerlöscher ausgeweitet werden und mit Notabschaltsystemen verbunden werden. Es kann mehrere Arten von Sensoren geben, um eine Vielzahl von Gefahren abzudecken, Ausfälle gemeinsamer Ursache zu vermeiden und Redundanz bereitzustellen. Alle diese Elemente müssen miteinander verknüpft werden, um die Reichweite zu vergrößern und die Gesamteffektivität zu verbessern.

Gleichzeitig ist die Reaktion einer Brand- und Gasanlage nicht gewährleistet. Seine Fähigkeit, eine gefährliche Freisetzung oder einen Brand zu erkennen, hängt von viel mehr Variablen ab als eine typische Prozesssicherheitsfunktion. Die Anzahl und Art der Sensoren sowie deren Platzierung innerhalb eines zu überwachenden Bereichs beeinflussen die Wirksamkeit von Brand- und Gassystemen. Nach und nach können diese Variablen reduziert werden, wodurch eine höhere Sicherheit für die Mitarbeiter und Geräte einer Anlage sowie für die umliegende Bevölkerung gewährleistet wird.

Über den Autor

Edward Naranjo, Direktor der Rosemount-Brand- und Gasmeldesysteme bei Emerson, ist ein zertifizierter Ingenieur für funktionale Sicherheit mit 16 Jahren Erfahrung. Naranjo ist Fellow der International Society of Automation und verfügt über einen Bachelor of Science und einen Doctor of Philosophy in Chemieingenieurwesen vom California Institute of Technology bzw. der University of California, Santa Barbara. Er verfügt außerdem über einen Master of Business Administration der University of Chicago.

Schauen Sie sich unsere kostenlosen E-Newsletter an, um weitere tolle Artikel zu lesen.