Ανάλυση διαρροής φυσικού αερίου

Transcript

1 Ασφάλεια Φυσικού Αερίου Το παρόν κείμενο βασίζεται σε εισήγηση του Απόστολου Ευθυμιάδη, Δρ. Μηχ., Διπλ. Μηχ/γος-Ηλ/γος Μηχ, στην Ημερίδα για το Φυσικό Αέριο : ΣΜΗΒΕ, Θεσσαλονίκη, 5 Δεκεμβρίου Τα βασικά αίτια της επικινδυνότητας του φυσικού αερίου κατηγοριοποιούνται σε δύο μεγάλες κατηγορίες : Διαρροή αερίου με παράλληλη ανάφλεξη ή έκρηξη Ατελής καύση αερίου με παράλληλη μείωση των συγκεντρώσεων οξυγόνου και αύξησης των συγκεντρώσεων μονοξειδίου του άνθρακα Ανάλυση διαρροής φυσικού αερίου Συνθήκες επικινδυνότητας Το φυσικό αέριο δεν είναι τοξική ουσία. Τυχόν όμως διαρροή έστω και σε μικρές ποσότητες περικλείει κινδύνους αναφλέξεως, εκρήξεως ή ακόμα και πρόκλησης πυρκαγιάς εάν συνδυαστεί με άλλες εύφλεκτες ή εκρηκτικές ουσίες. Σε περίπτωση δε όπου προκληθεί μεγαλύτερο ρήγμα σε κάποιο σημείο της εγκατάστασης ευρισκόμενο σε υψηλότερες πιέσεις ενυπάρχει και ο κίνδυνος πρόκλησης ατυχήματος από το ωστικό κύμα. Συνοπτικά οι κυριότεροι κίνδυνοι από το φυσικό αέριο έχουν ως εξής : α β Κίνδυνοι διαρροής, ανάφλεξης και πρόκλησης πυρκαγιάς. Σε περίπτωση ανάφλεξης ή έκρηξης, ένα θερμικό κύμα μπορεί επίσης να προκαλέσει εγκαύματα για εντάσεις θερμικής ακτινοβολίας άνω των 5 kw/m 2 και για διάρκεια άνω των 40 δευτερολέπτων (πρβλ 3) Κίνδυνοι από μεγάλη αστοχία της εγκατάστασης (σπάσιμο, ρηγμάτωση) και δημιουργίας κύματος πιέσεως. Ένα ωστικό κύμα είναι δυνατόν να προκαλέσει τραυματισμό για υπερπιέσεις άνω των 7000 Nt/m 2 ή 70 mbar (περίπου 1 psi) (πρβλ. 3). Υπενθυμίζεται ότι 1bar = 10 5 Nt/m 2 =10 5 Pa = 14,5 psi Η αστοχία και η διαρροή καυσίμου δύναται να προέλθει : - από μηχανική πρόσκρουση ή άλλη εξωτερική καταπόνηση επί της εγκατάστασης (π.χ. σεισμικές δράσεις) - από θερμική καταπόνηση της εγκατάστασης λόγω ύπαρξης πυρκαγιάς - από εσωτερική καταπόνηση της εγκατάστασης λόγω υπερπίεσης - από γήρανση ή διάβρωση των υλικών της εγκατάστασης (σωλήνες, βαλβίδες, παρεμβύσματα, στεγανωτικά υλικά, κλπ) Εκ των ανωτέρω κινδύνων, ο πιο σημαντικός από πλευράς αριθμού ατυχημάτων είναι η πρόκληση πυρκαγιάς λόγω διαρροής αερίου. Συχνά το φαινόμενο αυτό συνδέεται στενά με την σεισμική δράση που εμφανίζεται σε σεισμογενείς περιοχές. Αναλυτικά στοιχεία δίδονται στο [5] για τους τρεις τελευταίους σεισμούς την πολιτεία της Καλιφόρνια (Κοιλάδα Αγ. Φερνάδρου 1995, Λόμα Πιέτρα-Αγ. Φραγκίσκου 1989 και στα Στενά του Whittier νοτίως του Los Angelles to 1987) καθώς και για τον σεισμό

2 στο Kobe της Ιαπωνίας (1995). Στην έκθεση της Αμερικανικής Ενωσης Πολιτικών Μηχανικών προς τον Οργανισμό Αντισεισμικής Ασφάλειας της Καλιφόρνια διαπιστώνεται ότι από το σύνολο των πυρκαγιών που εκδηλώνεται μετά από κάθε μεγάλο σεισμό, το 20 έως 50% αυτών οφείλεται στο φυσικό αέριο [5]. Οι κίνδυνοι εκρήξεως διαρροής φυσικού αερίου είναι σχετικά περιορισμένοι λόγω της σπανιότητας των συνθηκών που απαιτούνται για την πρόκληση της έκρηξης (ποσότητα αερίου και ποσοστό ανάμιξής της με τον αέρα, ποσοστό υγρασίας, ύπαρξη κλειστών χώρων, κλπ). Όμως σε περίπτωση εκρήξεως υπάρχουν μεγάλες πιθανότητες για την πρόκληση τραυματισμών ή και θανατηφόρων ατυχημάτων. Τέλος οι κίνδυνοι από το ωστικό κύμα τυχόν απότομης διαρροής είναι πολύ μικροί, λόγω των χαμηλών πιέσεων που επικρατούν στα κτιριακά δίκτυα φυσικού αερίου. Ατελής καύση και παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα Συνθήκες επικινδυνότητας Τα ατυχήματα από διαρροή φυσικού αερίου είναι πιο σπάνια, δύναται όμως να καταστούν καταστροφικά. Αντίθετα τα ατυχήματα δηλητηριάσεων από παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα δύναται να είναι συχνότερα και αφορούν ιδιαίτερα ευπαθείς ομάδες πληθυσμού (παιδιά, ηλικιωμένοι, πληθυσμός χωρίς μόρφωση, αλλοδαπή, κλπ) Οι συνθήκες έλλειψης οξυγόνου και συνακόλουθα δημιουργίας συγκεντρώσεων CO αποτελούν διεθνώς την κύρια αιτία πρόκλησης ατυχημάτων από την χρήση του φυσικού αερίου. Οι κίνδυνοι αυτοί προκαλούνται : α Από ελλιπή αερισμό σε ένα χώρο με εστία καύσεως φυσικού αερίου με αποτέλεσμα την δημιουργία συνθηκών έλλειψης οξυγόνου και ατελούς καύσης. Όταν η συγκέντρωση οξυγόνου στον αέρα πέσει κάτω από το 19,5% κ.ο. έως και 15% τότε εμφανίζονται σταδιακά αρνητικά συμπτώματα καθώς και πρώιμα συμπτώματα καρδιακών, πνευμονικών ή κυκλοφοριακών συμπτωμάτων. Στην περιοχή 12 15%, τα συμπτώματα γίνονται πιο έντονα και συνοδεύονται από απώλεια κρίσεως και αυξημένο ρυθμό σφυγμών [6] β Από ελλιπή εξαερισμό σε ένα χώρο με εστία καύσεως χωρίς απαγωγή καυσαερίων, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται συνθήκες αυξημένων συγκεντρώσεων μονοξειδίου του άνθρακος ή άλλων προϊόντων της καύσεως. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι τοξικό αέριο. Σε συγκεντρώσεις 5-10 ppm δύναται να καταστεί επικίνδυνο για την υγεία. Παρατεταμένη εισπνοή επιφέρει και τον θάνατο. Τα προβλήματα αυτά εμφανίζονται συνήθως με τις συσκευές χρήσεως φ.α. τύπου Α (χωρίς απαγωγή καυσαερίων) και Β (με απαγωγή καυσαερίων) [1] όπου. συσκευές τύπου Α : Προσαγωγή αέρα καύσεως από και έκλυση καυσαερίων στον ίδιο τον χώρο της συσκευής (π.χ. μαγειρικές εστίες) συσκευές τύπου Β : Προσαγωγή αέρα καύσεως από τον χώρο εγκατάστασης της συσκευής και εξαγωγή καυσαερίων στο περιβάλλον μέσω καπναγωγών και καπνοδόχου (π.χ. θερμαντήρες νερού ή θερμάστρες χώρου).

3 Στις συσκευές τύπου Α το πρόβλημα σχηματισμού μονοξειδίου του άνθρακα συνήθως οφείλεται στην έλλειψη αερισμού, την μείωση των συγκεντρώσεων οξυγόνου και την δημιουργία συνθηκών ατελούς καύσεως. Για τις συσκευές τύπου Β, το πρόβλημα δύναται να προέλθει από πιθανή φραγή των καπναγωγών ή της καπνοδόχου με αποτέλεσμα την πιθανή επιστροφή των καυσαερίων στον χώρο της συσκευής, την συνακόλουθη μείωση των συγκεντρώσεων οξυγόνου και την δημιουργία συνθηκών ατελούς καύσεως, τα προϊόντα της οποίας επιστρέφουν στον χώρο της συσκευής. Γενικά μέτρα προστασίας Τα μέτρα προστασίας δύνανται να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες : προληπτικά μέτρα και κατασταλτικά μέτρα. o Η πρώτη κατηγορία μέτρων περιλαμβάνει τεχνικές και τεχνολογίες οι οποίες διασφαλίζουν τη μη διαρροή είτε υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας είτε υπό συνθήκες ατυχήματος (σεισμικές δράσεις, μεγάλες υπερπιέσεις από αστοχία βαλβίδων, υπερθερμάνσεις από πυρκαγιά, μηχανική πρόσκρουση ακόμα και δολιοφθορά). o Η δεύτερη κατηγορία μέτρων περιλαμβάνει τεχνικές και τεχνολογίες που διασφαλίζουν ότι σε περίπτωση διαρροής οι επιπτώσεις από την διαρροή αυτή είναι οι ελάχιστες δυνατές. Τα ελάχιστα απαιτούμενα μέτρα προστασίας δίδονται αναλυτικά στον νέο κανονισμό. Η τήρηση των μέτρων αυτών είναι βέβαιο ότι ελαχιστοποιήσει στο μέγιστο δυνατό βαθμό τις περιπτώσεις ατυχημάτων από φυσικό αέριο και θα καταστήσει τις εγκαταστάσεις φυσικού αερίου από τις ασφαλέστερες της χώρας. Προληπτικά μέτρα Μερικά από τα βασικότερα προληπτικά μέτρα τα οποία λαμβάνονται κατά την σχεδίαση των εγκαταστάσεων φυσικού αερίου έχουν ως εξής : (α) (β) Επιλογή ελάχιστης δυναμικότητας εγκατάστασης. Η εγκατάσταση πρέπει να σχεδιάζεται με το ελάχιστο δυνατό μέγεθος το οποίο ικανοποιεί τις απαιτήσεις παροχής και ομαλής λειτουργίας των συσκευών αερίου του καταναλωτή. Με τον τρόπο αυτό ελαχιστοποιείται η ποσότητα του φυσικού αερίου η οποία είναι συνεχώς αποθηκευμένη στις σωληνώσεις της εγκατάστασης και επομένως ελαχιστοποιείται η ποσότητα αερίου που θα διαρρεύσει σε περίπτωση ατυχήματος. Κατάλληλη μηχανολογική σχεδίαση και κατασκευαστική επάρκεια της εγκατάστασης. Η εγκατάσταση θα πρέπει να σχεδιάζεται με τα κατάλληλα υλικά και μηχανολογικό εξοπλισμό ώστε να μπορεί να ανταποκριθεί σε ένα πλήθος εξωτερικών καταπονήσεων όπως μηχανική καταπόνηση από πρόσκρουση, θερμική καταπόνηση από πυρκαγιά, στατικά ή δυναμικά φορτία, κλπ. Η μελέτη θα πρέπει να συνοδεύεται με αναλυτικούς υπολογισμούς όλων των επιμέρους κατασκευαστικών στοιχείων (επιλογή στηριγμάτων, αντοχή στηριγμάτων, αντοχή αγκυρίων, αντοχή πάσης φύσεως συνδέσεων και συγκολλήσεων, κλπ) [8]

4 (γ) (δ) Επιλογή πιστοποιημένων υλικών και εξοπλισμού. Ο εξοπλισμός και τα υλικά κατασκευής θα πρέπει να έχουν τα τις κατάλληλες προδιαγραφές και να διαθέτουν πιστοποιητικά ποιότητας, έτσι ώστε να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις αντοχής του νέου κανονισμού, όπως αυτές αναφέρονται επιγραμματικά στην προηγούμενη παράγραφο. [1,2] Επιλογή πιστοποιημένων συσκευών φυσικού αερίου. Οι συσκευές αυτές θα πρέπει να διαθέτουν κατάλληλες ασφαλιστικές διατάξεις διακοπής της ροής του φυσικού αερίου και κατάλληλους αισθητήρες ροής σύμφωνα με τις απαιτήσεις του νέου κανονισμού. Κατασταλτικά μέτρα Τα κατασταλτικά μέτρα πρέπει να λαμβάνονται για την αντιμετώπιση τυχόν περιπτώσεων διαρροής φυσικού αερίου. Τα μέτρα αυτά θα πρέπει να λαμβάνονται μετά από αναλυτική μελέτη και υδραυλικούς υπολογισμούς, προκειμένου να καθίσταται σαφής η συμβολή τους στην ασφάλεια της εγκατάστασης. Ειδικότερα, πέραν των απαιτήσεων του κανονισμού [1], λαμβάνοντας υπ όψιν τις απαιτήσεις του κανονισμού [2] προτείνονται τα εξής (Σχήμα 1): α Σωλήνας PE σύνδεσης του δικτύου διανομής 4 bar με τον μειωτήρα πιέσεως (οικιακού ή εμπορικού καταναλωτή). Αμέσως μετά την σέλλα σύνδεσης με το υπόγειο δίκτυο διανομής να προβλέπεται πάντοτε ασφάλεια ροής. Πρόκειται για βαλβίδα διακοπής η οποία ενεργοποιείται αυτόματα σε περίπτωση αστοχίας του σωλήνα PE (π.χ. από εσκαπτικό μηχάνημα κατασκευής άλλων δικτύων κοινής ωφέλειας, από σεισμικές δράσεις εδάφους). Τονίζεται ότι κατά κανόνα η βαλβίδα αυτή δεν προστατεύει από θραύση ή αστοχία σωλήνων στο εσωτερικό δίκτυο (μετά τον μετρητή). β Ασφαλιστικές διατάξεις (βαλβίδες αυτόματης διακοπής) στον μειωτήρα πιέσεως. Τόσο για τους μειωτήρες 4bar/23mbar (οικιακός τομέας) όσο και για τους μειωτήρες 4bar/1bar ή 300 mbar, να προβλέπονται οι ακόλουθες διατάξεις : - Ανακουφιστική βαλβίδα η οποία ενεργοποιείται όταν η πίεση εξόδου υπερβαίνει την ονομαστική. Η βαλβίδα αυτή εξαερώνει τις υπερπιέσεις εκείνες που οφείλονται σε προβλήματα έδρασης ή άλλα προβλήματα της κυρίας βαλβίδας μειώσεως της πιέσεως - Ασφάλεια υπερπίεσης (overpressure slam shut valve), η οποία ενεργοποιείται όταν η πίεση εξόδου υπερβαίνει την ονομαστική και επί πλέον η ανακουφιστική βαλβίδα δεν είναι ικανή να εξαερώσει την επιπλέον πίεση. Η βαλβίδα αυτή είναι απαραίτητη προκειμένου να προστατεύσει την εσωτερική εγκατάσταση από υπερπίεση λόγω αστοχίας της βαλβίδας του μειωτήρα - Αφάλεια υποπίεσης (βαλβίδα ακαριαίας διακοπής) που ενεργοποιείται όταν i) η πίεση εισόδου ή εξόδου είναι χαμηλότερη από την ονομαστική, ii) προκληθεί φθορά στη μεμβράνη 2 ου σταδίου ρύθμισης πίεσης, iii) υπάρχει υπερβολική ροή πάνω από την ονομαστική παροχή (περί το 40% άνω της ονομαστικής). Η βαλβίδα αυτή διακόπτει την παροχή αερίου σε περίπτωση καταστροφής ή άλλης αστοχίας της κυρίας γραμμής της εσωτερικής εγκατάστασης (από τον μετρητή έως και την πρώτη διακλάδωση)

5 γ Αφάλειες ροής στις γραμμές σύνδεσης με τις συσκευές. Πρόκειται στην ουσία για αντεπίστροφες βαλβίδες οι οποίες τοποθετούνται στην αρχή του εύκαμπτου σωλήνα σύνδεσης και οι οποίες διακόπτουν την παροχή σε περίπτωση υπερβολικής ροής λόγω αστοχίας της σύνδεσης αυτής. Τυπική παροχή διακοπής είναι 1,8 Nm 3 /h. δ Ασφάλεια αντισεισμικής προστασίας. Πρόκειται για βαλβίδες αυτόματης διακοπής οι οποίες τοποθετούνται μετά ή πριν τον μετρητή και ενεργοποιούνται με βάση τις δονήσεις ενός αντιπροσωπευτικού δομικού στοιχείου. Συνιστώνται για όλες τις εγκαταστάσεις σε κτίρια που κτίστηκαν προ της εφαρμογής του ΕΑΚ (Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός), σε κτίρια που έχουν ήδη υποστεί ζημίες από σεισμούς ή σε κτίρια που κρίνονται ότι δεν εγγυώνται πλήρη ασφάλεια έναντι σεισμικών δράσεων. Επίσης θα πρέπει να τοποθετούνται σε νέες εγκαταστάσεις φ.α. που δεν ικανοποιούν τα κριτήρια αντισεισμικότητας [8]. ε Ασφάλεια φραγής καπναγωγών BS (Blocked Safety). Συνιστάται να υπάρχει σε όλες τις νέες συσκευές αερίου τύπου Β. Σε αντίθετη περίπτωση θα πρέπει να εξετάζεται η εγκατάσταση συναγερμού μονοξειδίου του άνθρακα ή άλλων συστημάτων μηχανικού αερισμού εξαερισμού, εφ όσον ο φυσικός αερισμός κρίνεται ανεπαρκείς. Ηδη οι Εταιρείες Παροχής Αερίου της χώρα μας περιλαμβάνουν πλέον στις προδιαγραφές τους τις απαιτήσεις στα α και β. Πέραν της σωστής μελέτης, απαιτείται να διενεργείται συστηματικά και ο έλεγχος λειτουργίας των ασφαλιστικών διατάξεων τόσο κατά την φάση της εγκατάστασης όσο και κατά την φάση της λειτουργίας της εγκατάστασης (π.χ. κάθε δύο χρόνια). Η σωστή πιστοποίηση και ο έλεγχος καλής λειτουργίας των ανωτέρω ασφαλιστικών διατάξεων θα απαιτήσει συστηματικές προσπάθειες εκπαίδευσης και πιστοποίησης του τεχνικού κόσμου από όλους τους αρμόδιους φορείς.

6 Σχήμα 1 : Τυπικό κατακόρυφο διάγραμμα οικιακής εγκατάστασης φυσικού αερίου μετά των ασφαλιστικών διατάξεων Ρυθμιστής πίεσης με βαλβίδα ακαριαίας διακοπής και ασφαλιστική βαλβίδα ανακούφισης Ερμάρειo Βαλβίδες υπερβολικής ροής Κουζίνα Βαλβίδα διακοπής Σωλήνας παροχής PE 4 bar Σωλήνας δικτύου PE 4 bar Μετρητής Hλεκτροβάνα M Hλεκτροβάνα με αισθητήρα CO Ταχυθερμοσίφωνας Συσκευή αερίου Βαλβίδα διακοπής με αισθητήρα σεισμού Έδαφος Σέλλα Έδαφος Βαλβίδα υπερβολικής ροής