W dokumentacji technicznej sieci gazowych projektant powinien wyznaczyć strefy zagrożenia wybuchem. Podobnie operator systemu przesyłowego lub dystrybucyjnego podczas prowadzenia prac gazoniebezpiecznych zobowiązany jest do określenia takich stref.
Wymagania te wynikają z zapisów Dyrektywy 1999/92/WE [1] oraz Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 21.04.2006 r., w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów [2].
Z przepisów tych wynika konieczność dokonania oceny zagrożenia wybuchem w obiektach i terenach gdzie prowadzone są procesy technologiczne z użyciem substancji mogących wytworzyć mieszaniny wybuchowe. W przypadku sieci gazowych substancją taką jest gaz ziemny (wg PN-C-04750:2002).
W zależności od sytuacji wyróżnia się następujące strefy zagrożenia wybuchem:
- projektowe (wyznaczone przez projektanta sieci gazowej określające minimalny teren niezbędny do wybudowania danego obiektu, urządzenia)
- eksploatacyjne (wyznaczone przez operatora obiektu, urządzenia podczas prowadzenia prac gazoniebezpiecznych)
- stanów mogących wystąpić w sieciach gazowych w wyniku katastrof lub awarii urządzeń i obiektów instalacji sprężonego (CNG) oraz skroplonego (LNG) gazu ziemnego
- magazynów gazu zlokalizowanych w strukturach podziemnych
2. Potencjalne źródła emisji gazu.
W sieci gazowej potencjalnymi źródłami emisji gazu mogą być:
- obiekty sieci gazowej np. gazociągi, stacje gazowe, tłocznie gazu, mieszalnie gazu, nawanialnie gazu, nadziemne obiekty technologiczne w podziemnych magazynach gazu
- urządzenia sieci gazowej i elementy tych urządzeń np.: sprężarki gazu, reduktory i regulatory, zawory bezpieczeństwa, upustowe i odpowietrzające, zbiorniki magazynowe gazu, zespoły zaporowo-upustowe, odwadniacze, otwory wylotowe rur upustowych, dławice zaworów, połączenia rozłączne (kołnierzowe, gwintowe) i zaciskowe, otwory w przegrodach budowlanych pomieszczeń zagrożonych wybuchem (okienne, drzwiowe, wentylacyjne itp.), szafki gazowe (redukcyjne, gazomierzowe).
- awaria - nieprzewidziane zdarzenie powodujące nagłą utratę sprawności technicznej sieci gazowej oraz stwarzające bezpośrednie zagrożenie dla życia lub zdrowia ludzkiego, mienia i środowiska.
- źródło emisji - punkt lub miejsce, z którego może uwalniać się do atmosfery gaz ziemny, mogący utworzyć gazową atmosferę wybuchową
- wydajność źródła emisji - ilość gazu ziemnego uwalnianego w jednostce czasu ze źródła emisji
- stopnie emisji:
-
- emisja ciągła - emisja, która występuje stale lub której występowania może spodziewać się w długich okresach
- pierwszy stopień emisji - emisja, której występowanie podczas normalnej pracy można spodziewać się okresowo lub okazjonalnie
- drugi stopień emisji - emisja, której występowania w warunkach normalnej pracy nie można spodziewać się, a jeżeli pojawi się ona rzeczywiście, to tylko rzadko i tylko na krótkie okresy
- gazowa atmosfera wybuchowa - mieszanina substancji palnych w postaci gazu z powietrzem, w warunkach atmosferycznych, w której, po zapaleniu, spalanie gwałtownie rozprzestrzenia się obejmując całą nie spaloną mieszaninę
- mieszanina wybuchowa - mieszanina paliwa gazowego z powietrzem o stężeniu pomiędzy dolną i górną granicą wybuchowości w której po zainicjowaniu zapłonu następuje spalanie wybuchowe
- spalanie wybuchowe - gwałtowne spalanie mieszaniny wybuchowej połączone ze wzrostem ciśnienia
- granice wybuchowości:
-
- dolna granica wybuchowości to stężenie paliwa gazowego w powietrzu, poniżej którego atmosfera gazowa nie jest wybuchowa
- górna granica wybuchowości to stężenie paliwa gazowego w powietrzu, powyżej którego atmosfera gazowa nie jest wybuchowa
- normalne działanie - sytuacja, kiedy urządzenia, systemy ochronne części i podzespoły realizują przewidzianą funkcję w zakresie parametrów znamionowych
- przestrzeń zagrożona wybuchem - przestrzeń, w której występuje gazowa atmosfera wybuchowa lub można spodziewać się jej wystąpienia w takich częstotliwościach, że wymaga to specjalnych środków zapobiegawczych dotyczących konstrukcji, instalowania i stosowania urządzeń
- rozpraszanie naturalno-turbulentne - rozpraszanie gazu z otworu zbiornika np. gazociągu, w którym panuje nadciśnienie w stosunku do otoczenia, zachodzące przy małych prędkościach wypływu gazu lub gdy wypływający gaz uderza w przeszkodę, tworząc przestrzeń o nieregularnym kształcie. Mieszanie się gazu z powietrzem następuje pod wpływem różnicy gęstości oraz wiatru i w początkowej fazie ma charakter zbliżony do przepływu laminarnego po czym następują turbulencje.
- rozpraszanie strumieniowe - rozpraszanie gazu z otworu zbiornika np. gazociągu, w którym panuje nadciśnienie w stosunku do otoczenia, zachodzące przy dużych prędkościach wypływu gazu. Strumień gazu przemieszcza się pod wpływem własnego pędu tworząc przestrzeń podobną do kształtu brył obrotowych
- strefy zagrożenia wybuchem (SZW) - przestrzenie zagrożone wybuchem klasyfikuje się na strefy według częstotliwości i czasu występowania gazowej atmosfery wybuchowej, w następujący sposób:
-
- strefa 0 - przestrzeń, w której gazowa atmosfera wybuchowa występuje ciągle lub w długich okresach
- strefa 1 - przestrzeń, w której pojawienie się gazowej atmosfery wybuchowej jest prawdopodobne w warunkach normalnej pracy
- strefa 2 - przestrzeń, w której w warunkach normalnej pracy nie jest prawdopodobne pojawienie się gazowej atmosfery wybuchowej, a jeżeli pojawi się ona rzeczywiście, to może tak się stać tylko rzadko i tylko na krótki okres
- wentylacja - przemieszczanie powietrza oraz jego wymiana na świeże powietrze w wyniku działania wiatru, występowania różnic temperatury lub wymuszane mechaniczne (np. wentylatorami lub odciągami)
- wentylację naturalną nieograniczoną - wentylacja naturalna w przestrzeni otwartej lub w obiekcie budowlanym posiadającym co najwyżej 50 % powierzchni ścian i/lub dachu, nie zawierających martwych obszarów, w których w sposób ciągły mógłby gromadzić się gaz
- wentylację kategorii A - wentylacja naturalna lub wymuszona obiektu budowlanego o intensywności wymiany powietrza i konstrukcji zarówno systemu wentylacyjnego jak i wentylowanego obiektu takiej, że nieprawdopodobne jest osiągnięcie stężenia gazu powyżej 25% dolnej granicy wybuchowości w jakimkolwiek punkcie wentylowanego obiektu, poza najbliższym otoczeniem źródła emisji
- wentylację kategorii B - wentylacja obiektu budowlanego nie spełniająca warunków wentylacji naturalnej nieograniczonej i wentylacji kategorii A
Przed przystąpieniem do określenia stref zagrożenia wybuchem należy przeanalizować rodzaj stosowanego wyposażenia technologicznego, określić ilość potencjalnych źródeł emisji i ich intensywność oraz częstotliwość inspekcji służb eksploatacyjnych.
Przyjęto, że zasięg strefy zagrożenia wybuchem zależy od prędkości wypływu paliwa gazowego i powierzchni źródła emisji oraz sposobu rozproszenia paliwa gazowego w powietrzu, tzn. od:
- rodzaju źródła emisji gazu i kształtu elementu urządzenia sieci gazowej, z którego może wypływać gaz,
- rodzaju emisji gazu i od parametrów tego gazu tzn. czy wypływ gazu jest krytyczny czy nie, i czy następuje jego rozpraszanie naturalno-turbulentne czy strumieniowe,
- miejsca usytuowania źródła emisji, a w szczególności czy źródło znajduje się w przestrzeni otwartej czy w zamkniętej,
- efektywności zastosowanej wentylacji wewnątrz pomieszczeń i w innych przestrzeniach zamkniętych.
- warunków atmosferycznych w przestrzeniach otwartych, gdy np. prędkość wiatru jest inna niż założona w opcji podstawowej 2 m/s.
- w obiektach sieci gazowych, dla których należy wyznaczyć strefę zagrożenia wybuchem, występuje co najmniej jedno urządzenie, będące źródłem emisji strumieniowej.
- w warunkach normalnej eksploatacji nie występuje w obiektach i urządzeniach sieci gazowej emisja ciągła i że wobec tego w sieciach gazowych nie występują strefy 0 zagrożenia wybuchem, a tylko strefy 1 i strefy 2.
- nad urządzeniami sieci gazowej umieszczonymi bezpośrednio w gruncie nie wyznacza się stref zagrożenia wybuchem.
- przestrzeń zagrożona wybuchem, w zależności od sytuacji, np. kilku źródeł emisji występujących obok siebie, może być zaklasyfikowania do jednej strefy, do dwóch lub do trzech stref zagrożenia wybuchem.
Założenia upraszczające przy wyznaczaniu stref zagrożenia wybuchem:
- zasięg stref jest funkcją ciśnienia gazu w źródle emisji i powierzchni otworu stanowiącego źródło emisji
- współczynnik bezpieczeństwa równy jest 2,0
- średnia prędkość wiatru w otoczeniu źródła wynosi 2 m/s
- otwory - szczeliny typowych nieszczelności urządzeń mają powierzchnię nie większą niż 0,25 mm2
- rozpraszanie naturalno-turbulentne następuje ze szczelin (nieszczelności typowych) takich urządzeń jak np.: połączenia kołnierzowe, połączenia gwintowe, połączenia zaciskowe, obudowy sprężarek gazu, obudowy reduktorów i regulatorów ciśnienia, dławice armatury zaporowej, upustowej, regulacyjnej, czyli wszędzie tam, gdzie rozpraszanie ze źródeł emisji następuje przypadkowo, z reguły, w wyniku niedoskonałych konstrukcji urządzeń, oraz z otworów w przegrodach budowlanych pomieszczeń zagrożonych wybuchem i szafek gazowych (gazomierzowych).
- rozpraszanie strumieniowe następuje z otworów wylotowych rur upustowych takich urządzeń jak np.: zespoły zaporowo-upustowe, zawory bezpieczeństwa upustowe, zawory odpowietrzające (odgazowujące), zawory spustowe, odwadniacze, czyli wszędzie tam, gdzie rozpraszanie ze źródeł emisji następuje w sposób zamierzony, z reguły w wyniku czynności eksploatacyjnych.
5. Oznaczenia
Z - zasięg strefy zagrożenia wybuchem, [m]
pr - ciśnienia gazu (nadciśnienie) w źródle emisji [MPa]
F - powierzchnia otworu będącego źródłem emisji gazu, [mm2]
d - średnica otworu wylotowego rury upustowej, [mm]
ZR - zasięg strefy zagrożenia wybuchem w kształcie kuli, [m]
ZS - zasięg strefy zagrożenia wybuchem u podstawy stożka, [m]
Fwent. - łączna powierzchnia wszystkich otworów wlotowych i wylotowych wentylacji naturalnej, w tym umieszczonych w dachu, [m2];
Q - strumień objętości gazu z potencjalnego źródła emisji gazu [m3/s].
ΣQ - łączny strumień objętości gazu z potencjalnych źródeł emisji, [m3/s].
ΣQ1 - suma objętości gazu ze wszystkich potencjalnych źródeł pierwszego stopnia emisji, [m3/s];
Qmax2 - strumień objętości gazu z potencjalnie największego źródła drugiego stopnia emisji, [m3/s];
6. Zasięg stref przy rozpraszaniu naturalno-turbulentnym.
Zasięg strefy zagrożenia wybuchem wyznacza się w oparciu o wzór 1.
Wzór na zasięg strefy Z przy danej wydajności źródła Q, przyjmuje różną postać w zależności od ciśnienia gazu pr w źródle emisji, tzn.
a) dla ciśnienia pr ≤ 0,05 MPa
wzór 2
i ostatecznie, po podstawieniu wzoru [2] do wzoru [1], wzór 3
b) dla ciśnienia pr ≥ 0,1 MPa
wzór 4
i ostatecznie, po podstawieniu wzoru [4] do wzoru [1]
wzór 5.
c) dla ciśnienia 0,05 MPa < pr < 0,1 MPa
Wartość wydajności źródła emisji gazu Q i ostatecznie wartość zasięgu strefy zagrożenia wybuchem Z otrzymuje się przez interpolację liniową wyników uzyskanych ze wzorów [2] i [4] oraz [3] i [5]
7. Zasięg stref przy rozpraszaniu strumieniowym
Zakłada się, że strefa zagrożenia wybuchem przy rozpraszaniu strumieniowym przyjmuje kształt przedstawiony na rys.1:
- kuli o zasięgu ZR
- stożka o zasięgu ZS
Natomiast, gdy nadciśnienie gazu w źródle emisji jest mniejsze od 0,085 MPa, wzory przyjmą postać: wzór 8 i wzór 9.
Dodatkowo wyznacza się wokół otworu wylotowego rury upustowej o dowolnej średnicy strefę zagrożenia wybuchem 1 o promieniu 1 m
Uwaga:
Zgodnie z zapisami zawartymi w Normie Zakładowej ZN-G-8101:1998 strefy 1 wokół wylotów rur wydmuchowych z zaworów upustowych i odpowietrzających nie wyznacza się jeżeli spełniony jest co najmniej jeden z warunków:
- służby eksploatacyjne dokonują systematycznie kontroli szczelności armatury, a na wbudowaną armaturę wydano deklarację lub certyfikat zgodności z Polską Normą lub aprobatą techniczną
- wyloty rur wydmuchowych z zaworów odpowietrzających są zaślepione w czasie normalnej pracy
- objętość strefy 1 jest mniejsza od 0,01 m3 (odpowiada to promieniowi mniejszemu od 0,13 m)
8. Zasady ustalania wentylacji naturalnej kategorii A
Wentylacja naturalna kategorii A występuje w pomieszczeniu wówczas, gdy spełniony jest warunek dotyczący łącznej powierzchni otworów wentylacyjnych przy określonym poziomie emisji gazu: wzór 10
Łączny strumień objętości gazu z potencjalnych źródeł emisji
Łączny strumień objętości wypływającego gazu ΣQ, w m3/s, z potencjalnych źródeł emisji wyznacza się ze wzoru: wzór 11.
Przy czym "z" jest współczynnikiem korelacji podanym w tablicy 2, uwzględniającym jednoczesne występowanie źródeł pierwszego stopnia emisji (współczynnik jednoczesności).
Określenie jednostkowego strumienia objętości gazu z jednego potencjalnego źródła pierwszego stopniu emisji
Jednostkowy strumień objętości gazu z jednego potencjalnego źródła pierwszego stopnia emisji wyznacza się podstawiając rzeczywiste wielkości: powierzchnię otworu (szczeliny) stanowiącego źródło pierwszego stopnia emisji oraz ciśnienie w miejscu źródła emisji. Wzór 12, Wzór 13.
Dla ciśnienia gazu w miejscu emisji 0,05 MPa < p < 0,1 MPa
Wartość strumienia objętości otrzymuje się przez interpolacje liniową wyników uzyskiwanych ze wzorów [12] i [13].
Określanie strumienia objętości gazu z jednego potencjalnego źródła drugiego stopnia emisji
Strumień objętości gazu z jednego potencjalnego źródła drugiego stopnia emisji oblicza się przyjmując, że źródło ma powierzchnię 0,25 mm2. Wówczas otrzymujemy w zależności od wartości ciśnienia: Wzór 14, Wzór 15
Dla: 0,05 < p< 0,1 MPa
Q max2 należy obliczyć poprzez interpolację liniową wyników uzyskanych ze wzorów [14] i [15]
Kryterium występowania wentylacji kategorii B
Wentylacja kategorii B występuje wówczas, gdy zgodnie z definicją wielkość otworów wentylacyjnych jest zbyt mała, aby spełnić warunek określony wzorem [10].
Otwory prowadzące na zewnątrz obiektu budowlanego z pomieszczeń zagrożonych wybuchem, gdy wentylacja tych pomieszczeń spełnia wymagania wentylacji naturalne nieograniczonej lub kategorii A, nie stanowią źródła emisji i nie wyznacza się dla nich stref zagrożenia wybuchem.
Natomiast otwory prowadzące na zewnątrz obiektu budowlanego (np. otwory wentylacyjne, otwierane okna, drzwi) z pomieszczeń zagrożonych wybuchem, w których wentylacja jest kategorii B, stanowią źródła o drugim stopniu emisji (strefa 2). Wokół tych otworów wyznacza się strefę zagrożenia wybuchem zgodnie ze wzorem: wzór 16, co przedstawiono na rys.2.
Wg obowiązujących przepisów dla obiektów gazowniczych nie dopuszcza się wentylacji kategorii B. Wynika to z rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 30 lipca 2001 r.[5 ] § 42.1.
W związku z tym przy projektowaniu np. stacji redukcyjnych w/c łączna powierzchnia wszystkich otworów wlotowych i wylotowych wentylacji naturalnej jest bardzo duża, co powoduje zwiększone straty ciepła pomieszczenia, w którym zamontowane są urządzenia technologiczne. Przykładowo dla stacji redukcyjnej o ciśnieniu wlotowym 8,4 MPa łączna powierzchnia wszystkich otworów wlotowych i wylotowych wentylacji naturalnej wynosi co najmniej Fwent =1,685 [m2] (w przypadku umieszczenia otworów wentylacyjnych we wszystkich czterech ścianach pomieszczenia, w którym zamontowano urządzenia technologiczne) .Natomiast strefa wychodząca poza obiekt nie jest zbyt duża i dla źródła emisji o ciśnieniu 8,4 bar wynosi 1,97 m a przy ciśnieniu 5,5 MPa. około 1,5 m.
W świetle powyższego uważa się, że w obiektach gazowniczych powinno się dopuścić wentylację kategorii B np. przyjęcie w zapisach rozporządzenia [5], że nieprawdopodobne jest osiągnięcie stężenia gazu powyżej 50% dolnej granicy wybuchowości w jakimkolwiek punkcie wentylowanego obiektu, poza najbliższym otoczeniem źródła emisji.
9. Przykłady wyznaczania projektowej i eksploatacyjnej strefy zagrożenia wybuchem.
Przykład 1.
Wyznaczyć strefę zagrożenia wybuchem projektową i eksploatacyjną dla odwadniacza przy następujących danych technicznych:
- maksymalne ciśnienie robocze pr = 8,0 Mpa
- średnica rury upustowej i armatury zaporowej d = 50 mm
Strefę zagrożenia wybuchem wokół kołnierzy armatury zaporowej oraz wokół kołnierza zaślepki rury wydmuchowej wyznaczono wg wzoru [5] i przedstawiono na rysunku 3.
a) Wyznaczenie eksploatacyjnej strefy zagrożenia wybuchem
b)
Strefę zagrożenia wybuchem nad rurą wydmuchową odwadniacza wyznaczono wg wzoru [6] i [7] uzyskano wynik: ZR = 41,6m oraz ZS = 8,8m i przedstawiono na rysunku 4.
Przykład 2
Wyznaczyć strefę zagrożenia wybuchem projektową i eksploatacyjną układu zaporowo-upustowego ZZU przy założeniu:
- maksymalne ciśnienie robocze pr = 8,0 Mpa
- średnica rury upustowej i armatury zaporowej DN = 100 mm
Strefę zagrożenia wybuchem wokół kołnierzy armatury zaporowej oraz wokół kołnierza zaślepki rury wydmuchowej wyznaczono wg wzoru [5] i przedstawiono na rysunku 5.
b) Wyznaczenie eksploatacyjnej strefy zagrożenia wybuchem:
Strefę zagrożenia wybuchem wokół kołnierzy armatury zaporowej oraz wokół kołnierza zaślepki rury wydmuchowej wyznaczono wg wzoru [6] i [7] i uzyskano wynik: ZR = 83,2 m oraz ZS = 17,5 m i przedstawiono na rysunku 6.
Z przedstawionych przykładów wynika, że strefy projektowe są znacznie mniejsze od eksploatacyjnych.
10. Wnioski końcowe
1. Zgodnie z obowiązującymi przepisami projektant w dokumentacji technicznej sieci gazowych oraz operator systemu przesyłowego lub dystrybucyjnego podczas prowadzenia prac gazoniebezpiecznych powinien wyznaczyć strefy zagrożenia wybuchem.
2. Obecnie w Polsce dokonuje się obliczeń stref zagrożenia wybuchem na sieciach gazowych zgodnie z przepisami brytyjskimi [3]
3. Wprowadzenie w Polsce innych sposobów wyznaczania stref wymagałoby przeprowadzenia stosownych badań.
4. W obiektach gazowniczych powinno się dopuścić wentylację kategorii B, co pozwoliłoby na zmniejszenia łącznej powierzchni otworów wlotowych i wylotowych wentylacji naturalnej (zmniejszenie strat ciepła w pomieszczeniu, w którym zamontowane są urządzenia technologiczne).
Literatura:
1. Dyrektywa 1999/92/WE Parlamentu europejskiego i Rady z 16.12.1999 r. w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i ochrony zdrowia pracowników zatrudnionych na stanowiskach pracy, na których może wystąpić atmosfera wybuchowa
2. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 21.04.2006 r., w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. Nr 80,poz.563).
3. BGC/PS/SHA1 - British Gas Engineering Standard - Code of Practice for Hazardous Area Classification for Natural Gas BGC/PS/SHA1 + Supplement Technical Commentary on Code of Practice for Hazardous Area Classification for Natural Gas: June 1986
4. BRITISH GAS "Przepisy techniczne dotyczące klasyfikacji obszarów niebezpiecznych dla gazu ziemnego" - BGC/PS/SHA1:1986.
5. Norma Zakładowa "PGNiG S.A." ZN-G-8101:1998 - "Sieci gazowe. Strefy zagrożenia wybuchem"
6. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 lipca 2001 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać sieci gazowe (Dz. U. Nr 97, poz. 1055)
7. PN-C-04750:2002 - Paliwa gazowe. Klasyfikacja, oznaczanie i wymagania
KOMENTARZE (0)
Do artykułu: Strefy zagrożenia wybuchem