Zabezpieczenie instalacji odpylania przed wybuchem pyłu – czyli do czterech razy sztuka

Problem:

• maltodekstryna, serwatka oraz mleko w proszku stwarzają ryzyko wybuchu i pożaru
• produkty te trafiają do trzech odpylaczy – urządzeń, w których wg statystyk do wybuchów dochodzi najczęściej
• świadomy zagrożenia inwestor zaproponował zabezpieczenie instalacji panelami z kanałami dekompresyjnymi – choć to rozwiązanie często bywa najtańsze, to w pewnych przypadkach może generować wysokie koszty ukryte

Rozwiązanie:

• wykonaliśmy obliczenia doborowe dla czterech różnych typów zabezpieczeń przeciwwybuchowych w tym tych zaproponowanych przez inwestora
• wykazaliśmy, że zastosowanie paneli wraz z kanałami dekompresyjnymi będzie wymagać kosztownych prac, których inwestor nie brał pod uwagę
• w rezultacie zaproponowaliśmy dwa alternatywne układy zabezpieczające przed wybuchem, z których inwestor wybrał system tłumienia wybuchu

Cukier krzepi

W PRL-u mówiono nam, że „cukier krzepi”. I choć hasło to stanowiło element ówczesnej propagandy, to Melchior Wańkowicz – twórca sloganu – w jednym na pewno się nie mylił: w cukrze drzemie ogromna siła. W formie pyłu zawieszonego w powietrzu stanowi on prawdziwą bombę. Niestety, bardzo dotkliwie przekonała się o tym firma Imperial Sugar Refinery – wybuch w jednym z jej zakładów doprowadził do prawdziwej katastrofy.

Cukier to jednak tylko przykład. W przemyśle spożywczym równie wybuchowych pyłów mamy znacznie więcej. Poznaj historię naszego klienta, który postanowił dostosować nowy fragment instalacji do wymogów w zakresie bezpieczeństwa wybuchowego.

Czy te pyły są wybuchowe

Po tym „miękkim” wstępie, który miał Cię, drogi czytelniku, nieco zaintrygować, niezwłocznie przechodzę do konkretów, czyli tego co ludzie techniczni lubią najbardziej.

Historia zaczyna się, gdy zakład z branży spożywczej zdecydował się rozbudować instalację produkcyjną o trzy odpylacze. Urządzenia miały zapewniać odbiór półproduktów sypkich z układu transportu pneumatycznego.

Do odpylaczy trafiały trzy różne produkty, które miały jedne wspólny mianownik – wszystkie stwarzały ryzyko wybuchu, co potwierdzają poniższe parametry wybuchowości. Dodatkowo dla porównania na końcu tabeli zamieściliśmy parametry cukru – produktu, który był przyczyna wspomnianej tragedii w Imperial Sugar Refinery.

Nic mi te liczby nie mówią – czyli jak interpretować parametry wybuchowości

Nie dla wszystkich te liczby muszą być jasne, dlatego postaramy się wyjaśnić, jak je interpretować.

P_max określa maksymalne ciśnienie, jakie może osiągnąć wybuch danego pyłu. W tym przypadku oscyluje ono w okolicy 8 bar. Czy to dużo? Aby odpowiedzieć na to pytanie, porównajmy tę wartość z wytrzymałością konstrukcyjną urządzeń powszechnie stosowanych w przemyśle. Mowa tu m.in. o silosach, zbiornikach pośrednich, suszarniach, odpylaczach czy podnośnikach kubełkowych – wytrzymałość 90% tych urządzeń mieści się w granicach 0,2 – 1,0 bar.

Wróćmy jednak do przedmiotowych odpylaczy. W ich przypadku wytrzymałość konstrukcyjna wynosiła 0,4 bara, czyli aż 20-krotnie mniej niż maksymalne ciśnienie wybuchu gromadzonych w ich wnętrzu pyłów. Co oznacza to w praktyce? W czasie jednego z naszych darmowych warsztatów online analizujemy rzeczywisty wybuch, który w 2,3 sekundy zniszczył trzy odpylacze oraz budynek – jeśli chcesz zobaczyć film z tego zdarzenia oraz poznać przyczyny tak dużych strat, to koniecznie przejdź na tę stronę: https://www.hazex.eu/wybuch-pylu-drzewnego-premiera-filmu/.

K_st, czyli szybkość narastania ciśnienia w czasie, mówi nam o dynamice wybuchu. Jest to niezwykle ważny parametr z punktu widzenia projektowania systemu przeciwwybuchowego. Dla użytkownika instalacji ma on jednak drugorzędne znaczenie. Dlaczego? Mówiąc obrazowo K_st informuje nas czy wybuch rozwinie się do maksymalnego ciśnienia w czasie pół, jednego, czy dwóch mrugnięć okiem. O ile dla systemu przeciwwybuchowego jest to ogromna różnica, to dla człowieka nie ma praktycznie znaczenia. W tym czasie nie jesteśmy w stanie uciec, włączyć systemu ppoż., czy zareagować w jakikolwiek inny sposób.

Oba parametry precyzyjnie opisaliśmy, w tym artykule: https://www.hazex.eu/dwa-podstawowe-parametry-stosowane-przy-szacowaniu-skutkow-wybuchu/

Podsumujmy:

• mamy trzy identyczne odpylacze
• wytrzymałość konstrukcyjna każdego z nich wynosi 0,4 bara
• maksymalne ciśnienie wybuchu pyłów w odpylaczach mieści się w granicach 7,4 – 8,6 bar
• szybkość narastania ciśnienia wybuchu mieści się w granicach 53 – 133 m*bar/s
• dysponujemy zwymiarowanymi rysunkami odpylaczy

Jak zabezpieczyć odpylacze przed wybuchem

Przemysł zna kilka technik przeciwwybuchowych. Każda z nich ma swoje zalety, ale także posiada pewne ograniczenia. Sztuka doboru optymalnego systemu przeciwwybuchowego polega na uwzględnieniu każdego z trzech kluczowych aspektów:

• zgodności systemu z wymogami prawnymi
• wpływu systemu na proces produkcji
• kosztów zakupu i serwisu systemu przeciwwybuchowego

W przypadku tego projektu przeszliśmy drogę od prostych zabezpieczeń przeciwwybuchowych jak panele dekompresyjne, poprzez bezpłomieniowe odciążanie wybuchu, po tłumienie wybuchu. Dobór zabezpieczeń był tu procesem, w którym uczestniczył zarówno inwestor, firma wykonawcza, która miała realizować rozbudowę istniejącej instalacji o przedmiotowe odpylacze oraz my.

PROPOZYCJA 1: panel dekompresyjny z pionowym kanałem

W pierwszej kolejności zostaliśmy poproszeni o zabezpieczenie odpylaczy poprzez panel dekompresyjny z kanałem wyprowadzającym skutki wybuchu przez dach budynku do otoczenia. Kanał był w tym przypadku konieczny, ponieważ prawo zabrania stosowania paneli dekompresyjnych w przestrzeniach, gdzie mogą znajdować się ludzie, a w szczególności w pomieszczeniach zamkniętych.

Takie rozwiązanie jest stosunkowo tanie, ale nie bez wad. W tym przypadku zastosowanie kanału spowodowałoby wzrost wymaganej wytrzymałości konstrukcyjnej chronionego urządzenia. Dzieje się tak ponieważ kanał dekompresyjny powoduje wzrost zredukowanego ciśnienia wybuchu P_red, czyli ciśnienia do jakiego zostaje obniżone ciśnienie wybuchu w wyniku zadziałania zabezpieczeń.

Innymi słowy, ten sam panel z kanałem dekompresyjny ma mniejszą efektywność niż gdyby tego kanału nie posiadał. Wynika to głównie z faktu, że kanał powoduje wzrost oporów przepływu. Z kolei im trudniej wyprowadzić ciśnienie wybuchu z aparatu, tym osiągnie ono wyższą wartość w jego wnętrzu.

Wykonane przez nas obliczenia wykazały, że w tym przypadku należałoby podnieść odporność odpylaczy z 0,4 do co najmniej 1,0 bara. Oczywiście jest to wykonalne, jednak wiąże się z dodatkowymi kosztami.

Fizyczny montaż wzmocnień odpylacza to spory, ale nie jedyny koszt jaki wygenerowałby kanał dekompresyjny. Należy tu uwzględnić także koszty skomplikowanych obliczeń wytrzymałościowych, przebicia się przez sufit lub ścianę budynku, a także koszty związane z wyznaczeniem w obrębie wylotu z kanału strefy, w której nie mogą znajdować się ludzie, inne urządzenia czy budynki. To wszystko stanowi niejako ukryty koszt, którego inwestor nie brał do tej pory pod uwagę.

PROPOZYCJA 2 panel dekompresyjny z poziomym kanałem

Wpływ kanału dekompresyjnego na wzrost wytrzymałości chronionego aparatu zależy między innymi od jego długości oraz ilości kolan. W drugim kroku przeprowadziliśmy obliczenia dla kanału wyprowadzonego nie przez dach a przez ścianę.

W ten sposób pozbyliśmy się jednego kolana oraz nieznacznie skróciliśmy długość kanału. Pozwoliło to zmniejszyć wymaganą odporność konstrukcyjną z 1,0 bara do poziomu 0,8 bar.

Ponownie okazało się jednak, że koszty związane z wykonaniem wzmocnień odpylaczy, samego kanału oraz otworowania ściany są na tyle wysokie, że warto zweryfikować, jak na tym tle wypadną bardziej zaawansowane rodzaje zabezpieczeń.

PROPOZYCJA 3: bezpłomieniowe odciążanie wybuchu

W kolejnym kroku zweryfikowaliśmy możliwość zastosowania tzw. bezpłomieniowego odciążania wybuchem typu zawór EVN.

Ten rodzaj zabezpieczenia ma formę zaworu, który otwiera się w chwili wybuchu i wypuszcza nadmierne ciśnienie do otoczenia. Co ważne zawór posiada specjalny rodzaj wymiennika ciepła, który schładza wydobywające się gazy oraz gasi ogień. W ten sposób na zewnątrz przedostają się jedynie resztkowe ciśnienie oraz schłodzone do bezpiecznego poziomu gazy. Wszystko to sprawia, że ten rodzaj zabezpieczenia można stosować w pomieszczeniach zamkniętych pod warunkiem, że:

• objętość tego pomieszczania jest co najmniej 15 raz większa od objętości chronionego urządzenia
• wyznaczymy wokół zaworu strefę, w której nie mogą znajdować się ludzie (1,5 m na wprost oraz 2 m dookoła)

Rozwiązanie to wielokrotnie było stosowane do zabezpieczania odpylaczy nie sprawiając przy tym żadnych problemów. Mimo to inwestor obawiał się, że okresowe czyszczenie wkładów filtracyjnych poprzez przedmuch sprężonym powietrzem może powodować otwieranie się zaworu.

ROZWIĄZANIE 4: tłumienie wybuchu

Jako czwarte rozwiązanie zaproponowaliśmy system tłumienia wybuchu składający się ze specjalnych detektorów oraz niezwykle szybkich butli tłumiących wybuch. To rozwiązanie jako jedyne z wymienionych nie dopuszcza do rozwoju wybuchu, gasząc go w bardzo wczesnej fazie.

Ma to ogromną zaletę, ponieważ w ten sposób nie dopuszczamy do pożaru w urządzeniu, co jest typowym zjawiskiem w szczególności w przypadku paneli dekompresyjnych (zawory EVN po wybuchu automatycznie się zamykają co ogranicza dostęp powietrza zmniejszając, ale nie eliminując ryzyka pożaru). Innymi słowy tłumienie wybuchu gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa zarówno dla personelu jak i chronionych urządzeń.

Poniżej możesz zobaczyć, jak wygląda urządzenie zabezpieczone panelami dekompresyjnymi po wybuchu, którego następstwem był pożar w jego wnętrzu.

Jaki typ zabezpieczeń przeciwwybuchowych został wybrany

Przedstawiliśmy inwestorowi, ale także wykonawcy rozbudowy instalacji, 4 możliwe scenariusze… 4 dostępne techniki przeciwwybuchowe. Pokazaliśmy ich zalety, ale także ograniczenia. Wykonaliśmy szereg obliczeń oraz kalkulacji. Wszystko to pozwoliło podjąć inwestorowi najlepszą z jego perspektywy decyzję. W tym przypadku optymalnym rozwiązaniem okazał się system tłumienia wybuchu oparty o centralę sterującą, czujniki oraz butle HRD (ang. High Rate Discharge).

Zasadę działania tego zabezpieczenia przedstawia poniższy film.

UWAGA OGÓLNA – izolacja wybuchu

Żaden z wyżej wymienionych systemów nie będzie w pełni skuteczny, jeśli chroniona instalacja nie zostanie wyposażona w tzw. izolację wybuchu. Jej celem jest natychmiastowe odcięcie urządzenia, w którym doszło do wybuchu od pozostałej części instalacji. Zapobiega to przebiciu się wybuchu do sąsiednich aparatów, co mogłoby doprowadzić do tzw. wybuchów wtórnych. Jest to niezwykle ważne, ponieważ ten rodzaj wybuchów charakteryzuje się wyższym maksymalnym ciśnieniem oraz dynamiką. Oznacza to, że nawet jeśli urządzenie, w którym doszło do wybuchu wtórnego, posiada jeden z wyżej wymienionych systemów przeciwwybuchowych, to z dużą dozą prawdopodobieństwa nie będzie on skuteczny.

W tym miejscu raz jeszcze odwołamy się do wybuchu, który dokładnie analizujemy w czasie naszego darmowego warsztatu online. Przypadek ten doskonale pokazuje, jakie konsekwencje może mieć brak izolacji, który doprowadził do wybuchów wtórnych. Władze zakładu bezpośrednio po tym wybuchu oszacowały straty na 5 mln złotych. Jeśli chcesz poznać szczegółową analizę tego zdarzenia, koniecznie weź udział w naszym warsztacie: https://www.hazex.eu/wybuch-pylu-drzewnego-premiera-filmu/

Konkurencja – czyli cena cenie nierówna

Na pewnym etapie inwestycji do rozmów włączyła się konkurencyjna firma wdrażająca zabezpieczenia przeciwwybuchowe. Jedyne co wiedzieliśmy, to to, że ich oferta jest znacznie niższa aniżeli nasza. Byliśmy ciekawi, skąd wynika tak duża różnica w cenie. Czujnością w tym momencie wykazał się także inwestor, który również chciał rozeznać z czego wynika tak duża rozbieżność. Jak się później okazało różnica wynikała z odmiennego podejścia do wyceny kosztów serwisu. My przedstawiliśmy cenę za serwis całego systemu, co jest kluczową informacją dla inwestora, z kolei konkurencyjna oferta pokazywała ceny za serwis poszczególnych komponent systemu. Podaną w ofercie cenę należało zatem pomnożyć przez ilość komponentów.

Gwoli wyjaśnienia. Każdy system tłumienia wybuchu wymaga okresowych przeglądów. W naszym przypadku należy je wykonywać raz w roku, co jest najdłuższym czasookresem, na jaki pozwala prawo (Rozp. Min Spr. Wew. I Adm. Z dnia 2010.06.07 Dz.U. 109 poz 719 par 3 ust. 3). To jednak nie wszystko.

Tego typu rozważania dotyczące porównywania cen poszczególnych dostawców zabezpieczeń poruszamy w jednym z naszych darmowych przewodników. Mowa tu o dokumencie “Jak przekonać zarząd do poprawy bezpieczeństwa wybuchowego”. Wprowadza on obiektywną miarę kosztów o nazwie Całkowity Koszt Posiadania. Jest to miara, którą do szeroko pojętego biznesu wprowadziła międzynarodowa firma badawczo-konsultingowa Gartner. We wspomnianym dokumencie pokazujemy, jak w prosty sposób można zastosować Całkowity Koszt Posiadania do porównania ofert poszczególnych dostawców.