Masuri pentru siguranta procesului de combustie

Masuri pentru siguranta procesului de combustie

Un cuptor poate fi definit, intr-un sens general, ca un spatiu inchis in care are loc arderea combustibilului sau, mai precis, un spatiu inchis unde caldura degajata de procesul de combustie este transferata prin radiatie sau convectie catre un produs aflat in acelasi spatiu. Importanta masurilor de siguranta ale procesului de combustie in cadrul cuptoarelor industriale si furnalelor nu poate fi considerata ca fiind exagerata. Astfel elemente de siguranta sunt cerute de catre majoritatea regulamentelor nationale de siguranta precum Asociatia Nationala de Protectie impotriva Incendiilor ( National Fire Protection Association ), Regulamentul 86 privitor la Cuptoarele Industriale si Furnale. Regulamentul 86 este un document vast ce cuprinde regulile de operare a cuptoarelor industriale si a furnalelor, in sectiunile sale putandu-se gasi reguli referitoare la masurile ce trebuie luate in caz de explozie, referitoare la pozitia de montare a echipamentelor de ventilatie, etc.

Regulamentul 86 este aplicabil in cazul multor tipuri de cuptoare : cuptoare de topire cu arc electric, cuptoare cu consum mic de oxigen, etc. Cu toate acestea, pentru a simplifica lucrurile articolul de fata are in vedere masurile de siguranta aplicabile in cazul unui cuptor cu gaz natural. Masurile ce urmeaa a fi mentionate se aplica si cuptoarelor alimentate cu pacura sau propan. Regulamentul 86 este valabil si pentru instalatiile si modificarile aduse echipamentelor existente.

Respectarea regulilor de operare poate preveni problemele

Cauza principala a unei explozii a cuptorului este aprinderea unui amestec imflamabil ce s-a acumulat in camera de combustie si/sau in conductele ce apartin de aceasta si care au rolul de a evacua gazele de ardere catre cos. Acest volum il vom denumi spatiul/camera de combustie a cuptorului. Un amestec inflamabil periculos in interiorul cuptorului se compune din acumulari de materii inflamabile amestecate cu oxigen intr-o proportie care va genera o combustie rapida si necontrolata in momentul in care se adauga o susrsa de aprindere. O explozie intr-un cuptor poate avea loc in urma unei astfel de acumulari. Magnitudinea si intensitatea acesteia depinde de cantitatea relativa a materiilor combustibile si proportia de aer-combustibil din momentul aprinderii. In cadrul Regulamentului 86 sunt discutate cerintele de baza stabilite pentru un cuptor alimentat cu gaz explicatiile referitoare la elementele sitemului de siguranta. Cele mai importante sunt sistemul de control al procesului de combustie, ciclul de purificare/purjare, sistemul de monitorizare al flamei, instalatia de intrerupere totala/pozitiva a alimentarii cu combustibil, efectuarea de cursuri de pragatire pentru personalul de mentenanta si operare si testarea periodica a dispozitivelor de siguranta.

Cerintele Regulamentului 86 al NFPA

Tabelul 1 cuprinde cele mai importante reglementari aplicabile cuptoarelor. Tabelul ofera o descriere generala a informatiilor cuprinse in cadrul regulamentului. Pentru mai multe detalii, referitoare la anumite cazuri specifice de aplicare, a se consulta varianta completa a Regulamentului 86. Alarmele nu sunt incluse in tabel deoarece acestea nu constituie dispozitive de siguranta. Cu toate acestea,in cazul multor sisteme, dispozitivele sunt prevazute cu alarma sau setate sa emita semnale sonore si acustice.

Aparat de comanda/regulator al arzatorului

regulatoarele moderne ale arzatorului sunt dispozitive digitale electronice de comanda ce au rolul de a monitoriza si controla functionarea in siguranta a arzatoarelor. In termeni mai simpli, acest regulator/sistem de comanda este centrul de comanda ce monitorizeaza si controleaza functionarea in parametrii de siguranta arzatorului. Un astfel de regulator verifica debitul/fluxul de aer si timpul de purificare/purjare inaintea declansarii procesului de combustie, impune setarea minima a valvei de aprindere la setarea corespunzatoare detectiei flacarii oprite , monitorizeaza prezenta flacarii in timpul operarii; In cazul in care regulatorul BMS constata ca o conditie nu se afla in cadrul parametrilor stabiliti/setati intra in functiune mecanismul principal de decuplare de la alimentarea cu combustibil ( master fuel trip), acesta inchide valvele de siguranta ale alimentarii cu combustibil.

Regulamentul 86 cere ca un regulator BMS sa fie "inregistrat pentru a fi utilizat in scopul de folosire", al carui statut poate fi verificat de un asigurator al echipamentului asigurat. Mai cuprinde,de asemenea, si cerintele minime pe care trebuie sa le indeplineasca un sistem BMS precum: limitari ale modificarilor pe care acesta le poate indeplini, inchiderea acestuia dupa 7 avarii/defectari diferite, programe de siguranta stocate in memoria permanenta si multe altele. Mai mult, Regulamentul 86 mentioneaza ca mecanismul de decuplare de la alimentarea cu combustibil al unui sistem cu arzator necesita interventia manuala a unui operator cu pregatire adecvata pentru a corecta avaria inainte de repunerea in functiune a arzatorului.

Ciclul de purjare/purificare

Purjarea/purificarea este fluxul de aer filtrat prin cuptor care are rolul de a elimina gazele acumulate, inlocuindu-le. Fluxul de aer cu rol purificator si timpul de purificare/purjare trebuie sa fie suficiente pentru a permite ca " cel putin 4 feet³ (1feet =aprox 30 cm )de aer sau gaz inert per picior cubic de camera de combustie" (paragraf 5-4.1.2.). Volumul i ce trebuie purificat ar trebui sa includa tot echipamentul, de la arzator pana la , insa fara, cos. Regulamentul 86 cere ca " inaintea fiecarei porniri a sistemului de ardere a cuptorului se va proceda la evacuarea vaporilor inflamabili si a gazelor care ar fi putut intra in sistem in timpul operatiunilor de inchidere" (paragraful 5-4.1.1).

Doua cerinte de baza trebuie implementate in cadrul procesului de purificare/filtrare al aerului, fiind adecvate si din punct de vedere al perioadei de verificare. Masurarea directa si cea dedusa sunt doua metode diferite folosite pentru a determina coeficientul adecvat al fluxului de aer. Masurarea fluxului de aer direct poate fi indeplinita fie prin utlizarea dispozitivelor de masurare, fie prin masurarea scaderii presiunii din cadrul unei sectiuni fixe din conductele de aerare. Dispozitivele de masurare includ : aparat Venturi, annubar, sectiuni in aripa (air foil), dispozitive ptr masurarea masei de aer. Metoda indirecta este indeplinita prin verificarea si constatarea faptului ca ventilatorul sau ventilatoarele functioneaza ( datorita presiunii sau vitezei) si ca conducta de aer are clapeta deschisa ( prin verificarea comutatoarelor clapetei). Metoda directa este mai sigura insa poate necesita mai multe resurse financiare pentru implementare. Contorul de purjare/purificare constata perioada de timp de-a lungul careia conditiile obligatorii aplicabile procesului trebuie mentinute. Orice intrerupere a fluxului de aer sau al ciclului de purificare necesita reluarea acestuia.

Monitorizarea flamei/flacarii

Monitorizarea flamei se face pentru a asigura ca procesul de ardere se desfasoara atunci cand valvele de siguranta de inchidere a alimentarii cu combustibil sunt deschise. Exceptie face doar in timpul procesului de aprindere. Dispozitive de monitorizare utlizate des sunt :termocupluri/termoelemente, senzor de flacara, dispozitiv de scanare cu UV (ultraviolete) si cu infrarosii (IR) -vezi tabelul 2. Fiecare tip de dispozitiv de monitorzare este utilizat intr-un mod in cadrul caruia acesta poate indica si afisa variabila masurata pentru care a fost conceput si sa transforme informatia intr-un semnal electric de iesire pe care sa-l transmita sistemuli BMS. Dispozitive de scanare diferite sunt utilizate in cadrul diferitolor aplicatii deoarece caracteristicile combustiei variaza in functie de tipul de combustibil. Un termocuplu/termoelement este un dispozitiv de monitorizare, activat de caldura degajata, avand astfel un timp de raspuns/indicare relativ lung in privinta stingerii flamei. Din aceasta cauza termocuplurile sunt rar folosite in cadrul acestor aplicatii industriale. Un senzor de flama ( flame rod) este un dispozitiv de monitorizare care indica conductibilitatea flacarii, si este mai rapida decat termocuplul. Senzorii de flacara necesita mai multe lucrari de mentenanta decat dispozitivele de scanare/de baleiere cu UV si cu IR, insa nu sunt asa de costisitoare. Dispozitivele de monitorizare cu UV sunt utilizate pentru a scana flama, precum cele din cadrul arzatoarelor pe baza de titei usor sau gaz. Acesti combustibili au propietati ultraviolete si sunt usor de detectat. Dispozitivele de scanare/baleiere cu IR sunt folosite pentru a scana alte tipuri de flama , precum cele care ard pe baza de carbune si titei greu. Acesti combustibili pot bloca propietatile ultraviolete ale flacarii.Atat dispozitivele de monitorizare cu UV cat si cele cu IR sunt scanere optice care indica radiatia flacarii avand astfel un timp de raspuns/indicare foarte rapid.

Regulamentul 86 cere ca fiecare flacara pilot (de veghe) si flacara princiala sa aiba sisteme de monitorizare independente insa permite folosirea unui singur senzor de flacara pentru ambele daca flacara pilot este una intermitenta sau daca arzatorul este unul secundar cu aprindere automata. Dispozitivul de monitorizare al flacarii ar trebui sa aiba un timp de raspuns in caz de avarie de 4 secunde sau mai putin si ar trebui sa fie integrat in sistemul/schema logica de siguranta al arzatorului. Semnalul care indica stingerea unei flacari trebuie sa declanseze un mecanism principal de decuplare de la alimentarea cu combustibil prin inchiderea valvelor de siguranta de la alimentarea cu combustibil, orpind astfel functionarea arzatorului.

Intreruperea totatal a alimentariin cu combustibil ( positive fuel shut-off)

Pot exista scapari de gaze printr-o valva ceea ce , in cazul unui cuptor, ar putea duce la acumularea unei cantitati de gaz semnificative in interiorul acestuia. O astfel de acumulare de gaz , care preceda punerea in functiune a cuptorului, ar putea duce la formarea unui amestec exploziv, care, in final ,in urma aprinderii, produce o explozie. Cauzele unei scapari de gaze prin valve pot fi o valva uzata sau impuritatile acumulate. Pentru a preveni scaparile de gaz atunci cand cuptorul nu functioneaza, doua valve automate vor fi montate pe rand/succesiv in cadrul conductei principale de gaz. Valvele principale de inchidere sunt actionate pentru a a se deschide sau inchide in cazul pierderii semnalului de la senzorii care monitorizeaza flacara. In mod normal sistemul BMS transmite acelasi semnal la ambele valve, amandoua deschizandu-se concomitent. Ele sunt actionate de un dispozitive motorizate si de cele solenoide, deschizandu-se in rastimp de 1 pana la 7 secunde. Se inchid insa, la pierderea semnalului, intr-o secunda sau mai putin. ( Observatie: Unii asiguratori cer in plus montarea unei supape/unui ventil de aerisire intre cele doua valve principale care sa opereze in sens invers fata de acestea- a se vedea cerintele privind asigurarea).

Regulamentul 86 include normele privitoare la aceste valve de siguranta:

Valvele nu pot fi utilizate pentru reglarea debitului de combustibil, decat daca s-a permis acest lucru

Indicarea pozitiei este obligatorie pentru valvele de siguranta din cadrul arzatoarelor ( sau a flacarilor pilot/de veghe) care au mai mult de 150,000 Btu/h aport/absortie de caldura (heat input)

Doua valve de siguranta sunt necesare in cazul arzatoarelor ( sau a flacarilor pilot) care au mai mult de 400,000 Btu/h aport/absortie de caldura. Asupra valvelor nu trebuie exercitata o presiune mai mare decat cea recomandata de producator. De asemenea, valvele trebuie testate( cel putin anual) in vederea prevenirii scaparilor.

Cursuri de pregatire a pesonalului operator si de mentenanta

Regulamentul 86 cere personalul operator,de mentenanta si care se ocupa cu supravegherea sa fie in mod adecvat si complet instruit pentru asigurarea indeplinirii in mod corespunzator si in siguranta a sarcinilor. De asemenea cursuri de pregatire trebuie repetate impreuna cu cursul initial recomandat pentru a asigura o buna intelegere a materiei. Cursurile de pragatire privitoare la cuptoarele pe baza de gaz trebuie sa includa principiile arderii, pericole de explozie, surse de aprindere si dispozitive de control. Instructiunile de operare , precum diagramele reprezentand tubulatura si schema circuitelor, procedurile de oprire si de punere in functiune, instructiuni referitoare la mentenanta trebuie incluse in programul de pregatire.

Testarea dispozitivelor de siguranta

Autorul a fost implicat in testarea cuplajelor/dispozitivelor de sincronizare/blocare de siguranta a combustiei atat in cazul boilerelor cat si al cuptoarelor de toate tipurile si poate certifica faptul ca dispozitivele de siguranta neutilizate pentru o perioada lunga de timp ar putea sa nu functioneze atunci cand trebuie.Intr-un studiu recent asupra sistemelor de siguranta a combustiei asupra unui numar de 21 de arzatoare ( toate montate pe boilere), 15 dispozitive de siguranta nu erau operabile. Printre dispozitivele in cauza se numarau: dispozitiv de baleiere/scanare a flacarii, comutator pentru gaz cu presiune joasa, componente de baza in cadrul oricarui arzator alimentat cu gaz.

Regulamentul 86, anexa B ofera o lista cu verificarile ce necesita a fi efectuate in cazul unor dispozitive precum aprinzatoarele ( ignition spark) - poate fi adaugat la lista si aprinzator presiune gaz-, temperaturile de functionare, ventilatie adecvata. Anexa B mentioneaza in continuare alte verificari ce trebuie efectuate la fiecare tura, in fiecare saptamana, in fiecare luna si periodic. Aceste liste cu proceduri de verificare nu sunt cerinte standard ale Regulamentului 86, ci sunt oferita doar ca referinta si informatii folositoare. Spre exemplu, verificarile lunare presupun:

Testarea cuplajelor/dispozitivelor de blocare/sincronizare tuturor ecipamentelor de siguranta a combustiei.

Verificarea fiecarui cuplaj/dispozitiv de blocare/sincronizare prin inchiderea manuala a sistemului

Verificarea reglajului presiunii la nivelul tuturor comutatoarelor de presiune in raport cu o valoare de referinta

Inspectarea si curatarea, daca este necesar, a tuturor comutatoarelor electrice

Inspectarea si curatarea , daca este necesar, a tuturor filtrelor ventilatoarelor

Inspectarea si curatarea, daca este necesar, arzatoarele principale si cele pilot ( de veghe).

Tabelul 1

Tabel 2

Tipuri de dispozitive de scanare/baleiere a flacarii