Možnosti detekce úniku plynů z tlakových zařízení

U společnosti Dräger je bezpečnost nejvyšší prioritou, ať už se jedná o vnitřní aplikace nebo náročné venkovní prostředí. Naše komplexní bezpečnostní systémy jsou navrženy tak, aby byly robustní a vysoce spolehlivé i v náročných podmínkách. Díky inovativní technologii senzorů, přesnému měření a spolehlivosti podporujeme bezpečný provoz pracovišť a procesů našich zákazníků po celém světě.

Ing. Oldřich Kotyza, Ph.D.

Dräger Safety, s.r.o,
Čestlice 

Tento příspěvek zazněl na 25. ročníku odborného fóra TLAK 2025, které se konal ve dnech 23.-24. září 2025 v Hradci Králové.

Detekce plynných paliv

Každý detekční systém je u firmy Dräger navrhován na míru danému zákazníkovi a prakticky nikdy není totožný. Je to dáno především rozličnými nároky různých zákazníků. Co však mají zákazníci společné jsou detekované látky. Rizika látek jsou vždy uvedena v bezpečnostních listech, které slouží jako základ pro návrh detekčního systému.

U látek obecně můžeme rozlišovat dva druhy rizik: (a) toxicitu a (b) výbušnost. U toxických látek je detekce zaměřena na detekci přípustných expozičních limitů (PEL) a nejvyšších povolených koncentrací (NPK) daných nařízením vlády (Nařízení vlády č. 361/2007 Sb.). Některé látky jako například amoniak (NH₃) představují riziko jak toxické, tak výbuchu. Proto u takových látek vždy uvažujeme závažnější riziko a cílíme detekci na něj. U zmíněného amoniaku je mezi dolní mez výbušnosti (DMV) vysoká (16 obj. %) a zároveň horní mez výbušnosti (HMV) nízká (25 obj. %), tudíž v případě NH3 je detekce cílena na toxicitu i s ohledem na mnohem nižší hygienické limity (PEL = 20ppm/ NPK = 50 ppm)¹. Když se přesuneme k plynným palivům, tak u těch nejvyužívanějších představuje riziko především výbušnost viz tabulka 1. U všech uvedených látek si můžete všimnout poměrně nízké DMV. Proto je detekce u těchto látek cílená na detekci výbušné atmosféry pod DMV. Na tento fakt je brán zřetel a například směs propan-butan má PEL = 1800 mg/m³ a NPK = 4000 mg/m³.

Tabulka 1: Meze výbušnosti nejvyužívanějších plynných paliv

	CAS	DMV (obj. %)	HMV (obj. %)
Vodík (H2)	1333-74-0	4,0	77,0
Methan (CH4)	74-82-8	4,4	17,0
Propan (C3H8)	74-98-6	2,1	9,5
n-Butan (C4H10)	106-97-8	1,4	9,4

Zdroj: Bezpečnostní listy firem LINDE GAS a.s. a SIAD Czech spol. s.r.o.

Při tvorbě návrhu detekčního systému je potřeba brát zřetel na fyzikální vlastnosti konkrétních látek.

Vodík (H₂)

Vodík není pouze budoucnost v rámci energetiky a dopravy, ale i přítomnost v chemickém průmyslu a farmaceutickém průmyslu, metalurgii či výrobě polovodičových součástek. Vodík je za normálních podmínek (tj. za teploty 273,15 K a tlaku 101325 Pa) hořlavý plyn, bez barvy, chuti a zápachu. Je 14,5x lehčí než vzduch, a tudíž při úniku rychle stoupá a rozptyluje se což činí detekci úniku obtížnou obzvláště ve venkovních technologiích. Zároveň je molekula vodíku extrémně malá (120 pm) a proto snadno uniká i drobnými netěsnostmi, kterými by například zemní plyn neunikal. Největší riziko představuje zahoření díky nízké energii zapálení 0,018 mJ (1/10 zápalné energie směsi benzín-vzduch), širokému rozmezí mezi DMV a HMV a fakt, že jeho plamen je nesvítivý (téměř „neviditelný“ i v noci).² Dle databáze HIAD (Hydrogen Acidents and Incidents Database)³ skončilo zahořením nebo explozí více než 80 % incidentů spojených s vodíkem.

Methan (CH₄)

Methan je hlavní složkou zemního plynu a vyskytuje se tudíž všude od distribučních soustav přes využití jako energetický zdroj, využití v dopravě (CNG/LNG) po využití jako surovina v chemickém průmyslu. Methan je za normálních podmínek hořlavý plyn, bez barvy, chuti a zápachu. Je hlavní složkou zemního plynu i bioplynu. Stejně jako vodík je lehčí než vzduch a při úniku stoupá. Molekula methanu je již relativně velká (414 pm) proto neuniká tak snadno. Iniciační energie zahoření je 0,28 mJ a tudíž největší riziko představuje při úniku akumulace methanu s následnou iniciací. Jedná se také o skleníkový plyn s 20x větším účinkem než oxid uhličitý (CO₂) a i proto se na jeho detekci a monitoring obrací čím dál větší pozornost ⁴  

Propan-butan (C₃H₈-C₄H₁₀)

Propan a butan jsou nejčastěji používány ve směsi s novodobým označením LPG. Procentuální zastoupení jednotlivých plynů se liší podle použití a ročního období. LPG se nejčastěji využívá jako palivo v dopravě, energetický zdroj nebo chladící médium. Směs je za normálních podmínek hořlavý plyn, bez barvy, chuti, zápachu a je těžší než vzduch. LPG narušuje přírodní pryž, a proto musí být všechna těsnění vyrobena ze syntetických látek. Největším rizikem na nízká DMV obou látek.⁵

Příslušné detektory jsou umisťovány dle chování daného plynu a reálné místní situace u zákazníka.

Technologie detekce plynných paliv

V rámci minimalizace rizik představují inženýrská řešení zahrnující i stacionární detekční systémy nejefektivnější řešení hned po eliminaci a substituci rizika. Co se týče ochrany proti výbuchu, rozlišujeme tři úrovně:

• Primární: prevence explozivní atmosféry
  • Prevence úniků plynů (plynotěsné konstrukce)
  • Rychlé odvětrání (ventilační systémy)
  • Rychlá detekce úniku
• Sekundární: prevence zdrojů zážehu
  • Ex-certifikované vybavení (dle ex-zóny)
  • Mechanické vybavení místo elektrického (např. ventily)
  • Použití uzemnění a vodivých podlah
• Terciární (konstruktivní): prevence a minimalizace škod způsobených explozí
  • Použití nehořlavých a samozhášivých konstrukčních materiálů
  • Použití přetlakových ventilů/nádob
  • Značené evakuační cesty

Plynová detekce slouží jako primární ochrana proti vytvoření explozivní atmosféry.

Zónová detekce

Ultrazvuková detekce

Klasické systémy pro detekci plynů, používané ke sledování úniků z potrubí nebo nádob se stlačeným plynem v průmyslovém prostředí, detekují únik plynu pouze v případě, že se plyn dostane do bezprostřední blízkosti senzoru. Vlivy vnějšího prostředí, jako je vítr, mohou zpozdit či znemožnit detekci oblaku plynu klasickými plynovými senzory. Ultrazvukový detektor ale není těmito faktory prostředí ovlivněn a detekuje úniky plynů z vysokotlakých zdrojů bezprostředně poté, co plyn začne unikat. Konkrétně detektor Dräger Polytron 8900 UGLD detekuje i drobné úniky z tlakových systémů nad 10 barů s dosahem až 20 m nehledě na druh plynu. 

Detektor s otevřenou cestou („open-path“)

Stacionární detektory plynů s otevřenou cestou fungují na principu infračervené technologie. Detektor se skládá z vysílače a přijímače. Konkrétně Dräger Pulsar 7000 detekuje široké spektrum uhlovodíků v plynném skupenství. Jde například o metan, propan a etylén. Hromadění kritické koncentrace těchto plynů lze měřit na vzdálenost až 200 metrů.

Plynová kamera

Plynová kamera je založena na kombinaci optického obrazu a infračervené technologie. Nepřetržitě sleduje možné úniky uhlovodíků (methan, ethylen, …) na velkých plochách, zviditelňuje zdroj a intenzitu úniků. Konkrétně produkt MetCam dokáže detekovat a vizualizovat i drobný únik 5,5 g/min až na vzdálenost 50 metrů.

Bodová detekce

Katalytické detektory

Senzory DrägerSensor s katalytickou vložkou jsou určeny pro nepřetržité monitorování a detekci hořlavých plynů a výparů – v různých verzích pro různé aplikace nebo koncentrace. Tyto senzory jsou vhodné i pro detekci vodíku a acetylenu. Ve svých modifikacích jsou vhodné i do aplikací až 150 °C i detekci velmi nízkých koncentrací hořlavých plynů 0-10 % DMV.

Infračervené detektory

Infračervené senzory Dräger zajišťují optimální výsledky měření a jsou odolné možným vlivům senzorových jedů. Dlouhodobá životnost těchto senzorů zaručuje, že následné náklady jsou téměř nulové. Infračervené senzory Dräger můžete použít k měření Ex a CO₂.

Elektrochemické detektory

Rychlejší odezva – vyšší přesnost – větší stabilita – delší životnost. Elektrochemické senzory Dräger tyto nabízejí všechny tyto výhody. Robustní a trvanlivé senzory se používají pro selektivní měření nejmenších koncentrací toxických plynů a kyslíku v okolním vzduchu.

Detekce plamene

Detektory ohně, hojně užívané v petrochemickém, ropném a plynárenském průmyslu, mohou spolehlivě odhalit celou řadu požárů s uhlovodíky i bez nich (například vodíkový plamen). Jako ideální řešení rostoucích požadavků na detektory ohně v průmyslových použitích se také stále častěji využívají společně s vybavením pro detekci plynů jako součást bezpečného řešení. Proto nabízíme široký sortiment různých a vysoce specializovaných detektorů ohně pro širokou škálu požárů. Kromě zavedených infračervených (IR), ultrafialových (UV) a UV IR detektorů ohně společnost Dräger nabízí vícekanálové IR vizuální detektory ohně.

Závěr

Kombinace senzorových technologií umožňuje extrémně rychlou detekci potenciálních úniků nebezpečných látek a plamene, což vede ke zvýšení bezpečnosti pracovního prostředí.

Zdroje:

1. Nařízení vlády č. 361/2007 Sb.
2. https://web.vscht.cz/~nadhernl/projektIV/vodik.html; bezpečnostní list LINDE GAS a.s.
3. https://data.jrc.ec.europa.eu/dataset/1d6b06e9-3a89-4ec2-b051-3fb8a28eab9f
4. https://cs.wikipedia.org/wiki/Methan; bezpečnostní list SIAD Czech spol. s.r.o.
5. https://cs.wikipedia.org/wiki/LPG; bezpečnostní list FLAGA s.r.o.