Faktoren, die bei der Auswahl einer Pipeline-Flammensperre zu berucksichtigen sind
Die Auswahl der geeigneten Flammendurchschlagsicherung fur Rohrleitungen fur eine bestimmte Anwendung erfordert das Verstandnis und die Berucksichtigung mehrerer Faktoren. Das oben erlauterte Verstandnis der unterschiedlichen Verhaltensweisen von Gasflammen in Rohrleitungen ist die Grundlage fur die Berucksichtigung dieser Faktoren.
Wenn ein brennbares Gemisch in einer Rohrleitung stromt, ist die Geschwindigkeit des Ruckbrandgases eine besonders wichtige Bedingung; das heißt, die Gasgeschwindigkeit, die die Flamme stabilisiert, wenn sich die Flamme unter Deflagrationsbedingungen bei niedrigem Druck im Gegenstrom ausbreitet; Damit ist die „scheinbare“ durchschnittliche Gasgeschwindigkeit der gesamten Rohrleitung gemeint – das Verhaltnis von Volumenstrom zu Stromungsquerschnittsflache. Wenn die Gasstromungsgeschwindigkeit geringer ist als die Ruckbrandgasgeschwindigkeit, kann sich die Flamme im Gegenstrom ausbreiten. Die Geschwindigkeit des entzundungshemmenden Gases hangt von der Gasart und ihrem Luft-Gas-Mischungsverhaltnis sowie von Temperatur und Druck ab. In einer stochiometrischen Mischung und unter normalen Innenraumbedingungen betragt die Ruckbrandgeschwindigkeit fur Propan etwa 32 m/s und fur Wasserstoff etwa 20 m/s.
Wenn die zum Fackel- oder Abgasbrenner geleitete Gasgeschwindigkeit geringer ist als die Ruckbrandgeschwindigkeit der Fackelduse oder des Verbrennungsofens, bewegt sich die Flamme in die entgegengesetzte Richtung, in Richtung der Prozessquelle. Liegt die Gasgeschwindigkeit nur geringfugig unter der Ruckbrandgeschwindigkeit, bewegt sich die Flamme langsam im Gegenstrom. Wenn jedoch in einem langen Rohr die Gasgeschwindigkeit Null ist, beschleunigt sich die Flamme und schlagt mit hoher Geschwindigkeit nach hinten los. Ein Nulldurchfluss kann zu einer extrem heftigen Flammenausbreitung fuhren. Alle Flammensperrprodukte sollten vom Hersteller unter statischen (Null-)Durchflussbedingungen gepruft werden, um sicherzustellen, dass die Flammensperre auch unter den schwierigsten Flammenausbreitungsbedingungen (Flammenruckschlag) funktionieren kann.
Anfanglicher Betriebsdruck
Der anfangliche Betriebsdruck (IOP) bezieht sich auf den Druck des brennbaren Gasgemisches, wenn die Geschwindigkeit des brennbaren Gasgemisches in einem bestimmten Rohrleitungssystem unter die Ruckbrandgeschwindigkeit fallt
Absoluter Druck. Der IOD ist im Allgemeinen niedriger als der normale Betriebsdruck des Systems; Wenn beispielsweise ein Dampfkontrollsystem normal arbeitet und die Geschwindigkeit des fließenden Stroms hoher sein soll als die Ruckbrandgeschwindigkeit des Prozessgases, sollte der Systemdruck innerhalb des normalen Betriebsdruckbereichs uber dem Atmospharendruck liegen. Wenn jedoch unter normalen Bedingungen oder Notfallbedingungen das System abgeschaltet wird, wird der Prozessablauf verlangsamt und der Druck verringert. Es kann auch zu einem Flashback kommen, bevor die Geschwindigkeit Null erreicht. Im Falle einer solchen Systemabschaltung oder eines solchen statischen Durchflusses entspricht der Druck des Systems dem IOP-Druck des Systems.
Denken Sie daran, dass der Druck die Flamme beeinflusst: Je hoher der Druck, desto mehr Energie gibt die Flamme pro Volumeneinheit ab. Dies bedeutet, je hoher die Flammenintensitat, desto hoher ist der Energieaustausch pro Volumeneinheit und desto schneller beschleunigt sich die Flamme. Der Explosionsdruck eines bestimmten Gases ist ungefahr proportional zum anfanglichen Absolutdruck. Beispielsweise ist eine Verdoppelung des absoluten Drucks gleichbedeutend mit einer Verdoppelung des Explosionsdrucks. Daher ermittelt das IOP zwei Probleme im Zusammenhang mit der Produktauswahl von Flammendurchschlagsicherungen in einem bestimmten System. Der erste Faktor ist die Geschwindigkeit und der Druck der Flamme im Verhaltnis zur Distanz, die die Flamme im Rohr zurucklegt. Beispielsweise hat sich die Flamme eines bestimmten stochiometrischen Propan-Luft-Gemisches unter atmospharischem Druck (absoluter Druck 101,3 kPa) 10 Meter weit ausgebreitet, die Flammengeschwindigkeit betragt etwa 200 m/s und der Druck betragt etwa 800 kPa (absoluter Druck). Wenn der IOP auf 150,0 kPa erhoht wird, betragen die Geschwindigkeit und der Druck der Flamme in 10 Metern Entfernung 300 m/s bzw. 1200 kPa. In diesem Beispiel fuhrt eine 50-prozentige Erhohung des statischen Drucks zu einer 50-prozentigen Erhohung sowohl der Flammenkopfgeschwindigkeit als auch des Drucks. Dieser Faktor kann den Abstand zwischen der Zundquelle und der Flammensperre beeinflussen, was bedeutet, dass die Flammensperre naher an der Zundquelle platziert werden muss. Moglicherweise ist auch der Einsatz von Flammensperreinrichtungen anstelle anderer erforderlich.
Der zweite vom IOP beeinflusste Faktor ist die Energie, also die Energie pro Gasvolumeneinheit, die ein Ableiter absorbieren muss, um die Flamme zu loschen. Wenn der Druck in einem Prozesssystem steigt, steigt auch die von der Flamme pro Volumeneinheit freigesetzte Energie. Das bedeutet, dass die Flammensperre mehr Warme aufnehmen muss, um die Flammentemperatur vollstandig zu senken. Da jedoch die Warmeubertragungskapazitat der Flammensperre sicher ist, ist es fur die Flammensperre schwierig, diese Aufgabe zu erfullen. Wenn der IOP irgendwo hoher ist als der Auslegungs- oder Prufdruck der Flammensperre, kann die Flammensperre die Flamme nicht loschen. Um sicherzustellen, dass die Flammensperre richtig ausgewahlt ist und die Systemdesignanforderungen erfullt, muss der Hersteller daher den maximalen anfanglichen Betriebsdruck (IOP) der verschiedenen brennbaren Gasgemische angeben, mit denen die Flammensperre umgehen kann. Jedes Flammensperrprodukt sollte bei verschiedenen steigenden Drucken getestet werden, um seine IOP-Leistungsgrenzen fur gangige Gasmischungen zu bestimmen. Beispielsweise liegt der maximal zulassige IOD einer Standard-Niederdruck-Deflagrationsflammensperre normalerweise uber 5 % des Atmospharendrucks oder 106,0 kPa (15,4 psig); wahrend die explosionsgeschutzte Flammensperre 160 kPa (23 psig) betragt.
momentaner Impulsdruck
Die Rohrleitung ist in der Lage, durch eine sich ausbreitende Flamme erzeugten Druckpulsationen standzuhalten, die das Tausendfache des maximalen Einstelldrucks der Rohrleitung betragen konnen. Dieser durch die Flammenausbreitung erzeugte Druck ist kein statischer Druck, die Stoßwelle bewegt sich sehr schnell und die Kraft, die sie auf die Rohrwand ausubt, dauert nur den Bruchteil einer Sekunde. Der Flammendruck hingegen ist ein dynamischer Stoßdruck, der als transienter Impulsdruck oder TMP bekannt ist. Die augenblickliche Vorwartsbewegung des Gases ist sehr schnell, wenn die Stoßwelle vorbeizieht, und tragt eine große Menge an Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) und kinetischer Energie (die Halfte der Masse mal Geschwindigkeit im Quadrat). Alles, was die Richtung des Impulses andert, wie etwa ein Rohrkrummer, ein Absperrventil, ein Geblasegehause oder ein Brandschutz, ubertragt Energie durch Impuls. Diese Impulsenergie kann katastrophale Auswirkungen auf die Ausrustung haben.
Standard-Flammendurchschlagsicherungen sind nur fur niedrige transiente Impulsdrucke (TMPs) ausgelegt. Wenn hohe transiente Impulsdrucke (TMPs) auftreten, fuhrt dies zu einem mechanischen Versagen der Flammensperre. Die explosionsgeschutzten Flammendurchschlagsicherungen von BasCo konnen mit transienten Impulsdrucken (TMPs) jeder Großenordnung umgehen.
flammenstabil
Es gibt zwei Arten der Flammenstabilisierung: unbedeckt und begrenzt. Wenn ein bestimmtes brennbares Gemisch mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus einem geschlossenen Raum austritt, bleibt die vom Gas erzeugte unbedeckte Flamme stationar, was eine unbedeckte stabile Flamme darstellt. Beispielsweise ist die stationare Flamme am oberen Ende der Flamme, wenn die Flamme brennt, die unbedeckte Flammenstabilitat. Wenn die Geschwindigkeit des Prozessstroms aus irgendeinem Grund langsamer ist als die Ruckbrandgeschwindigkeit des Gases, beginnt sich die Flamme in Richtung des Fackelkamins zu bewegen und kann sich dann an der Flammensperre oder irgendwo im Rohr niederlassen. Diese Situation wird als lokalisierte Flammenstabilisierung bezeichnet (siehe Abbildung 18). Wenn die Geschwindigkeit des Prozessstroms Null ist, bewegt sich die Flamme nicht auf den Brenner zu, sondern beschleunigt die Ruckzundung und detoniert moglicherweise. Wahrend des Flammenruckschlags ist es unwahrscheinlich, dass im System eine stabile Flamme entsteht, doch manchmal kommt es vor.
Abbildung 18 Prinzip der stabilisierten Flamme in der Flammensperre, Stromung von rechts nach links
Wenn es um die Flammenstabilitat geht, wird jeder Flammensperrentyp aufgrund der Materialart und Qualitat des Flammensperrelements unterschiedlich verwendet. Benutzer sollten sich an den Hersteller der Flammensperre wenden, um zu erfahren, wie ihr Produkt mit der Flammenstabilitat umgeht. Da die Flamme stabil ist, ist die Installation eines Temperatursensors an der exponierten Seite der Flammensperre eine gute Moglichkeit, mit einem Flammenruckschlag umzugehen. Stabilisiert die Hitze der Flamme, lost automatische Steuerungen aus und loscht die Flamme.
Luft-Kraftstoff-Mischungsverhaltnis
Das Mischungsverhaltnis von brennbarem Gas zu Luft hat, wie bereits erwahnt, einen großen Einfluss darauf, wie die Flamme brennt, und beeinflusst nicht nur die Geschwindigkeit der Flamme, sondern auch die thermische Intensitat, die Zundenergie, die Selbstentzundungstemperatur, den Druckaufbau usw.
Gasgruppierung
Hunderte verschiedener brennbarer Gase entstehen als Produkte oder Nebenprodukte industrieller Prozesse. Ein Gas, dessen Eigenschaften hinsichtlich der Flammenausbreitung sich erheblich von denen anderer Gase unterscheiden. Um den Entwurf von Sicherheitsausrustung, Instrumenten usw. zu erleichtern, mussen Methoden zur Beschreibung der Eigenschaften dieser Gase verfugbar sein. Viele Prufstellen und Aufsichtsbehorden, darunter NEC, IEC, NFPA und NTIS, klassifizieren brennbare Gase anhand der folgenden Elemente:
·MESG (Maximum Test Safety Gap) \r
·Flammentemperatur\r
·Flammengeschwindigkeit\r
·Naturliche Temperatur\r
·Der Bereich von der unteren Explosionsgrenze bis zur oberen Explosionsgrenze
Jede Prufstelle oder Verwaltungsbehorde verfugt uber ein eigenes System zur Klassifizierung verschiedener Gase nach Verbrennungsgefahrengruppen. Die Klassifizierung basiert auf der Schwere der Explosion, dargestellt durch eine niedrige Selbstentzundungstemperatur (AIT), einen Bereich von der unteren Explosionsgrenze bis zur oberen Explosionsgrenze, eine hohere Flammentemperatur, eine schnellere Flammengeschwindigkeit oder eine Kombination dieser Merkmale. Die meisten davon stehen in direktem Zusammenhang mit der maximalen Prufsicherheitslucke (MESG) brennbarer Gase (siehe Tabelle 1).
Maximale Testsicherheitslucke (MESG)
Der maximale experimentelle Sicherheitsabstand (MESG) ist ein Standardmaß, das sich auf den kleinsten Spalt zwischen warmeabsorbierenden Metallen bezieht, durch den eine Gasflamme hindurchtreten kann. MESG wird verwendet, um die in elektrischen Instrumenten, Schaltkasten und Flammensperreninstallationen verwendeten Gase basierend auf ihrer Konstruktion und Auswahl zu klassifizieren. Sein Messgerat besteht aus einer kleinen hohlen Metallkugel, die in zwei Halften geteilt ist und einen bestimmten Durchmesser hat. Die Messung erfolgt in einem solchen Standardgerat. Jede Halbkugel hat an ihrem kreisformigen Rand einen Metallflansch mit einer bestimmten Breite. Bei dem Instrument werden die beiden Halbkugeln durch die Parallelitat der Flansche zusammengefuhrt, wobei jedoch ein schmaler Spalt verbleibt.
Unter normalen Innenraumbedingungen wird das Instrument in eine stochiometrische Mischung aus Testgas und Luft eingetaucht und dann wird ein elektrischer Funke verwendet, um die Mischung in der Kugel zu entzunden. Vergroßern Sie den Abstand zwischen den beiden Flanschen schrittweise und wiederholen Sie den Test, bis das Mischgas außerhalb der Kugel entzundet ist. Der Maximum Experimental Safety Gap (MESG) ist die maximale Distanz, uber die eine Flamme nicht durch den Flansch dringen kann. Je großer die Gasgefahrdung ist, desto geringer ist der maximale Prufsicherheitsabstand. Flammendurchschlagsicherungen mussen entsprechend den MESG-Werten von Industriegasen ausgelegt sein.
Verschiedene Gasmischungen
Einige Dampfsammelsysteme verarbeiten nur ein einziges, reineres brennbares Gas wie Methan oder Acetylen – eine Mischung mit Luft. Bei den meisten Prozessen, die Flammensperren erfordern, handelt es sich jedoch um Gemische aus mehreren brennbaren Gasen, von denen jedes seine eigenen gefahrlichen Eigenschaften aufweist. Bestimmte Gase in einer Mischung verbrauchen Luft effizienter als andere, wodurch sich die Mischung eher wie ein Einkomponentengas verhalt. Eine Gaskomponente, die als Katalysator fur ein anderes Gas wirkt und das Gemisch dadurch gefahrlicher macht als jedes Gas allein. Es liegen nicht viele Testdaten zu den gefahrlichen Eigenschaften brennbarer Gasgemische vor.
Oft kennen wir die maximale experimentelle Sicherheitslucke (MESG) fur ein Gasgemisch nicht. Um den Maximum Test Safety Gap (MESG)-Wert fur alle Gase zu erhalten\r
Das Experimentieren mit Gasgemischen ist unpraktisch. Flammensperren nach Industriestandard wurden auf der Grundlage der ungunstigsten Gaszusammensetzung des Gemischs entwickelt. Dieser Ansatz gilt fur den schlimmsten Fall und ist zu konservativ. NFPA497 bietet eine neue Methode zur Kategorieklassifizierung. Basierend auf der Kenntnis der maximalen Testsicherheitslucke (MESG) jeder brennbaren Gaskomponente wird die Lechatelier-Beziehung verwendet, um die effektive maximale Testsicherheitslucke (MESG) zu berechnen. Wenn Sie die Zusammensetzung Ihres Gasgemisches angeben konnen, kann BasCo Ihnen bei den Berechnungen helfen.
Selbstentzundungstemperatur (AIT)
Die Selbstentzundungstemperatur ist die Temperatur, bei der sich ein ideales Gemisch eines bestimmten brennbaren Gases unter normalem Atmospharendruck entzundet. Die Selbstentzundungstemperatur von Propan liegt bei 493 °C und die von Wasserstoff bei \r
Die Temperatur liegt bei 560 °C, bei Ethylen bei 425 °C. Die Funktion der Flammensperre besteht darin, das Gas unter seine Selbstentzundungstemperatur abzukuhlen. Wenn die Betriebstemperatur des Prozesses daher nahe an der Selbstentzundungstemperatur des Gases liegt, kann die anfangliche Hitze die Leistung der Flammensperre beeintrachtigen. Bei der Auswahl einer Flammensperre ist es wichtig, dem Hersteller die Betriebstemperatur anzugeben.
Seitenverhaltnis (L/D)
Im Folgenden werden die verschiedenen Prozesse der Flammenausbreitung erlautert. Jeder Prozess findet innerhalb einer bestimmten Entfernung von der Zundquelle statt. Diese Abstande werden in einem Rohr mit 12 Zoll Durchmesser angegeben und angegeben. Dies zeigt, dass der Abstand proportional zum Durchmesser ist; Entscheidend ist nicht der tatsachliche Abstand von der Zundquelle, sondern die Lange des Abstands im Verhaltnis zum Durchmesser dividiert durch den Durchmesser. Dieser relative Abstand wird als Seitenverhaltnis oder L/D-Verhaltnis bezeichnet. Beispielsweise tritt bei einem stochiometrischen Luft-Propan-Gemisch unter Innenbedingungen eine Niederdruckdetonation bei L/D-Verhaltnissen von weniger als 10 auf, wahrend eine stabile Detonation bei L/D-Verhaltnissen uber 60 auftritt. Alle Flammendurchschlagsicherungen, mit Ausnahme des Typs mit stabilisierter Detonation, unterliegen L/D-Leistungsbeschrankungen.
Rohrstruktur und Einschrankungen
Die Art und Weise, wie die Flamme brennt und sich ausbreitet, wird nicht nur von der Lange des Rohrs beeinflusst, sondern auch von Rohrbogen, Instrumenten (Durchflussmesserkanale, Drosselblenden, Schutzrohre usw.), Rohrkontraktion und -expansion sowie Ventilen. Alles, was die Gasturbulenz fordert, sorgt fur ein gleichmaßigeres Luft-Gas-Gemisch in der Flamme und fordert so die Verbrennung. Daruber hinaus kann, wie bereits erwahnt, die momentane Dynamik aufgrund von Unregelmaßigkeiten in der Pipeline eine Rolle spielen. Die Expansion von Gasen aufgrund der Verbrennung kann als treibende Kraft wirken, wenn eine Oberflache vorhanden ist, auf die die Expansionskraft ausgeubt werden kann. Die Flamme kann auf ein glattes, gerades Rohr keinen Schub ausuben, aber wenn sie durch ein Rohrkrummer oder eine Stromungsdrosselvorrichtung stromt, kann sie eine Kraft auf die Oberflache des Rohrkrummers oder der Stromungsdrosselvorrichtung ausuben, wodurch sie Vorwartsgeschwindigkeit und Druck erhalt.
Jede Flammendurchschlagsicherungskonstruktion wurde getestet und dokumentiert, die Tests umfassen jedoch moglicherweise auch Rohrbogen und Drosseln. Konsultieren Sie immer den Hersteller, bevor Sie eine Flammensperre in ein System mit Winkelstucken oder Drosseln einbauen.
Zundquellen und Zundenergie
Eine unbeabsichtigte Gasentzundung kann durch eine Reihe von Bedingungen verursacht werden: Das Geblaserad trifft auf das Geblasegehause, statische Elektrizitat oder Funken von Instrumenten, Zundflamme von einem Brenner oder Brenner, Hauptflamme an der Brennerspitze oder der Brennerkammer, heiße Arbeiten innerhalb des Gerats, externe Brande und viele andere Quellen. Diese Zundquellen konnen Flammen innerhalb oder außerhalb des Prozesssystems auslosen.
Unter Zundenergie versteht man die Energie, die benotigt wird, um ein bestimmtes brennbares Gasgemisch zu zunden. Die Energiemenge hangt von der Gasart und dem Luft-Gas-Mischungsverhaltnis ab. Je naher das Luft-Gas-Verhaltnis an der Stochiometrie liegt, desto geringer ist die Zundenergie. Wie in Abbildung 19 dargestellt. In der Abbildung konnen wir erkennen, dass die Energie, die zum Zunden von stochiometrischem Methan erforderlich ist, 0,2 Joule betragt.
Abbildung 19 Zundreichweite und Zundenergie
Unterschiedliche Gase benotigen zum Zunden unterschiedliche Energiemengen. Einige erfordern weniger, wahrend andere nahezu unmoglich zu entzunden sind. Je geringer die Zundenergie ist, desto gefahrlicher ist das Gas fur die Anlage und ihre Umgebung.
Die Zundquelle, die wichtigste Variable bei der Auswahl einer Flammensperre, ist der Ausgangspunkt fur die Messung des Abstands zur Flammensperre. Daher muss sich der Benutzer uber die Lage aller potenziellen Zundquellen im Zusammenhang mit der Flammensperre im Klaren sein.
Hochenergetische Zundquelle
Typische Zundquellen haben im Allgemeinen ein niedriges Energieniveau, das nur ausreicht, um ein brennbares Gasgemisch zu zunden. Hochenergetische Zundquellen konnen dazu fuhren, dass sich Flammen uber eine bestimmte Lange oder ein bestimmtes Seitenverhaltnis heftiger ausbreiten als niederenergetische Quellen. Die Flamme kann sogar uber die Deflagrationszustande bei niedrigem, mittlerem und hohem Druck hinausspringen und direkt zur Detonation fuhren. Dieses Verhalten stellt eine Ausnahme von der oben beschriebenen traditionellen Theorie der Flammenausbreitung dar; Es gibt jedoch keine festgelegten Kriterien, die es von normaler Zundenergie und Hochenergiezundung unterscheiden. Blitzeinschlage, Containerexplosionen und Brennkammerexplosionen gelten jedoch allesamt als Hochenergiezundungen.
Da eine hochenergetische Zundung die Ausbreitung der Flammen verandert, andern sich auch die Regeln fur die Auswahl von Flammensperrprodukten. Beispiel: Eine Deflagrations-Flammensperre vom Standardtyp, geeignet fur 20 Fuß hohe Schornsteine und Gase der Gruppe „D“, wobei die Flammensperre in der Nahe der Fackelbasis installiert ist. Wenn die Geschwindigkeit des Prozessstroms geringer ist als die Verbrennungswiderstandsgeschwindigkeit des Fackelspitzengases, kann es zu einem Flammenruckschlag kommen. Die Lange des Rohrs vom Brennerkopf (Zundquelle) bis zur Flammensperre ist kurz und die Kraft der Flamme ist nicht starker als die der Mitteldruck-Verpuffung, sodass die Deflagrations-Flammensperre die Flamme loschen kann. Wenn jedoch die Durchflussrate des Prozessstroms niedriger als die Anti-Zundgeschwindigkeit ist und der Brenner von einem Blitz getroffen wird (Hochenergiezundung), wird die Flamme sehr heftig, wenn sie die Flammensperre erreicht, was zu einer Hochdruckdeflagration oder einer ubermaßigen Detonation fuhren kann. In diesem Fall funktioniert die Flammensperre moglicherweise nicht, da sie nicht fur die Hochdruckdeflagration oder -detonation ausgelegt und dafur nicht geeignet ist. Wenn eine Zundung mit hoher Energie moglich ist, sollte anstelle einer Standard-Verpuffungssicherung eine instabile Detonationssicherung verwendet werden.
sauerstoffreiches Gas
In den meisten Dampfkontrollsystemen ist die Umgebungsluft die Sauerstoffquelle im brennbaren Gemisch. Allerdings haben einige Prozesse einen hoheren Sauerstoffgehalt als in einem Standard-Luft-Gas-Gemisch.
Staub und Gas
Wenn brennbare Feststoffe verbrennen, verwandeln sie sich in in der Luft schwebender Staub oder breiten sich in Rohrleitungen aus und verursachen eine Explosion, ahnlich wie brennbares Gas.
