Tiểu luận Kỹ thuật phát hiện rò rỉ khí Hydrocarbon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM TALENTS FOR DEVELOPMENT BÀI TIỂU LUẬN Đề Tài: KỸ THUẬT PHÁT HIỆN RÒ RỈ KHÍ HYDROCACBON Giảng viên: TS. Nguyễn Trung Khương Môn Học: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Nhóm: Nhóm 2 - Lọc Hóa Dầu Danh sách thành viên 1. Nguyễn Lương Thùy Dương 2. Nguyễn Thị Hồng Hoa 3. Trần Trung Hiếu 4. Đinh Văn Lục 5. Nguyễn Nhật Sang Bà Rịa, tháng 11 năm 2014 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 2 Lời Nói Đầu rong nhà máy chế biến dầu mỏ và khí đốt, hệ thống an toàn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo giới hạn an toàn cho con người và các thiết bị hoạt động ổn định. Hệ thống an toàn bao gồm nhiều hệ thống cảnh báo sớm trong đó có hệ thống phát hiện rò rỉ khí, đặc biệt là các khí dễ cháy như khí hydrocarbon. Các khí này bị rò rỉ không chỉ gây ô nhiễm môi trường làm việc mà còn là nguyên nhân chính gây ra cháy nổ trong nhà máy. Khi có sự cố cháy nổ xảy ra trong nhà máy, nó có thể gây ra những thiệt hại vô cùng to lớn đối với nhà máy, gây tổn thất nặng nề về người và của. Việc xác định các nguy cơ tiềm ẩn thông qua xác định nồng độ các khí trên có trong không khí thông qua các cảm biến khí được lắp đặt tại các vị trí khác nhau trong nhà máy. Trong bài tiểu luận này, chúng em xin trình bày về hệ thống phát hiện rò rỉ khí Hydrocarbon điển hình được sử dụng phổ biến trong các nhà máy, đặt biệt là các nhà máy chế biến khí. Trong quá trình thực hiện, dù đã rất cố gắng tuy nhiên sẽ vẫn còn có những sai sót. Mong thầy và các bạn sẽ đóng góp ý kiến sửa chữa để bài tiểu luận có thể đạt kết quả tốt nhất. Chúng em cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình về cả tài liệu và phương hướng làm đề tài của thầy đã giúp chúng em hoàn thành bài tiểu luận này. Nhóm sinh viên thực hiện Bà Rịa, tháng 11 năm 2014 T Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 3 Mục Lục Chương I. TỔNG QUAN 5 1. Tầm quan trọng của hệ thống phát hiện rò rỉ khí 5 2. Các tai nạn do rò rỉ khí dễ cháy nổ gây nên: [1] 5 3. Các đặc trưng của khí và hơi dễ cháy nổ 7 3.1 Các thuật ngữ liên quan [2] 7 3.2 Đặc trưng cơ bản cho khí và hơi dễ cháy nổ [3] 8 Chương II. ĐẦU DÒ XÚC TÁC LOẠI PELLISTOR [4], [5] 9 1. Giới thiệu chung 9 2. Cấu tạo 9 3. Nguyên tắc hoạt động 11 4. Độ nhạy tương đối 13 5. Đặc điểm của đầu dò xúc tác 14 Chương III. CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 15 1. Lịch sử phát triển [6] 16 2. Cơ sở lý thuyết [3] 17 3. Phân loại đầu dò hồng ngoại dựa trên vật liệu bán dẫn sử dụng [6] 19 4. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của đầu dò hồng ngoại 20 4.1 Cảm biến điểm (Point IR detector) [7] 21 4.2 Cảm biến đường truyền rộng (open path IR detector) [7] 24 5. Camera hồng ngoại (Gas detection camera) [8] 27 6. Đặc điểm của đầu dò hồng ngoại [9] 28 Chương IV. SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN [4], [10] 29 1. Khả năng phát hiện rò rỉ. 29 2. Thích ứng với môi trường làm việc. 29 3. Giới hạn làm việc của đầu dò. 30 4. Bảo trì và sửa chữa. 30 5. Tuổi thọ thiết bị 31 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 4 Chương V. XỬ LÝ TÍN HIỆU [7] 32 TỔNG KẾT 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 5 Chương I. TỔNG QUAN 1. Tầm quan trọng của hệ thống phát hiện rò rỉ khí Khí hydrocarbon là những khí dễ cháy nỗ khi tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ cao. Trong nhà máy chế biến khí, các khí hydrocarbon bị rò rỉ chính là các mối nguy chính gây ra ô nhiễm môi trường xung quanh cũng như gây ra cháy nổ trong nhà máy. Khi có sự cố cháy nổ xảy ra trong nhà máy, nó có thể gây ra những thiệt hại vô cùng to lớn đối với nhà máy, gây tổn thất nặng nề về người và của. Do đó, công tác phòng cháy chữa cháy luôn được chú trọng. Để phát hiện các nguy cơ cháy nổ trong nhà máy, nhà máy chế biến khí Dinh Cố sử dụng các đầu dò cảm biến: cảm biến khí, cảm biến nhiệt, cảm biến lửa và cảm biến khói. Các bộ cảm biến khí để phát hiện rò rỉ khí hydrocarbon trong nhà máy thường được lắp đặt ở những nơi tồn chứa sản phẩm, xung quanh đường ống, xung quanh các thiết bị công nghệ để xác định nguy cơ cháy nổ trong vùng đó. Các tín hiệu thu được từ các đầu dò cảm biến được truyền về và được hiển thị trên các panel điều khiển của hệ thống phòng chống cháy nổ trong phòng điều khiển trung tâm. Các pane điều khiển tự động xử lý các tín hiệu cảm biến để xác định vùng có nguy cơ cháy nổ, đồng thời:  Đóng van cô lập vùng cháy nổ và xả khí ra đuốc đốt.  Kích hoạt máy bơm chữa cháy  Mở van xả nước, CO 2 vào vùng có cháy nổ  Báo động bằng còi, đèn chớp ở vùng có cháy nổ và phòng điều khiển Các khí hydrocarbon có thể bị rò rỉ do vỡ, nứt hệ thống ống dẫn, thiết bị hay do hở các mối nối giữa các chi tiết cơ khí, hoặc bồn chứa. 2. Các tai nạn do rò rỉ khí dễ cháy nổ gây nên: [1] Dưới đây là bảng thống kê của Wiki về các tai nạn nghiêm trọng trên thế giới mà nguyên nhân là do rò rỉ khí cháy nổ gây nên từ năm 2000 đến nay, bao gồm cả khu vực công nghiệp và khu vực dân sinh. Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 6 Thời gian Địa điểm Thiệt hại 19/8/2000 Carlsbad, New Mexico Một đường ống dẫn khí tự nhiên bị vỡ và ngọn lửa lan ra đã giết chết 12 người cắm trại gần đó. 17/1/2001 Hutchinson, Kansas, Mỹ Khí tự nhiên được lưu trữ dưới lòng đất bị rò rỉ vào các hang động rỗng gây ra hai vụ nổ. Một phá hủy hai doanh nghiệp và làm bị thương 26 người. Một vụ nổ khác phá hủy một công viên và giết chết hai người. Hố sụt và các đám mây khí được hình thành xung quanh thành phố và khí dần dần bị đốt cháy. 16/3/2004 Arkhangelsk, Nga Một vụ nổ khí trong một căn hộ làm 58 người chết. 11/5/2004 Nhà máy nhựa Stockline, Maryhill, Glasgow Khí rò ra từ một đường ống bị vỡ đã đánh lửa làm 9 người thiệt mạng và 37 người bị thương. 2009 Versilia Tàu Viareggio trật bánh, GPL được chứa trong một toa xe lửa đã phát nổ, làm 33 người chết. 9/9/2010 San Bruno, California và một vùng ngoại ô của San Francisco Khí bị rò rỉ và phát nổ, giết chết 4 người, làm 53 ngôi nhà bị đốt cháy và hơn 120 ngôi nhà bị hư hại. 10/2/2011 Allentown, Pennsylvania Một vụ nổ khí đã giết chết 5 người và san bằng tòa nhà trong thành phố. 14/8/2012 Brentwood, New York Một vụ nổ khí đã san bằng 1 ngôi nhà, giết chết 1 đứa trẻ và làm bị thương 17 người. 23/11/2012 Springfield, Massachusetts Một vụ rò rỉ và nổ khí tự nhiên đã phá hủy 2 tòa nhà, gây thiệt hại cho 42 tòa nhà khác và làm bị thương 21 người. 18/12/2012 Reynosa, Mexico Nổ nhà máy khí của hãng Pemex, làm 26 người chết 6/8/2013 Rosario, Argentina Vụ nổ khí làm 21 người chết. 12/3/2014 Khu căn hộ East Harlem, Manhattan, New York Vụ nổ khí làm ít nhất 8 người chết và hơn 70 người bị thương. 31/7/2014 Cao Hùng, Đài Loan Rò rỉ khí trên đường ống dẫn khí dưới những con đường công cộng gây thiệt hại đáng kể cho thành phố. Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 7 Hình 1: Quang cảnh sau vụ nổ tại nhà máy khí của hãng Pemex, Mexico 3. Các đặc trưng của khí và hơi dễ cháy nổ 3.1 Các thuật ngữ liên quan [2]  Khí dễ cháy (flammable gas) là khí dễ dàng bắt cháy khi tiếp xúc với nhiệt và ngọn lửa. Các Hydrocarbon đều là các khí dễ cháy.  Giới hạn cháy/nổ dưới (Lower flammable limit – LFL/Lower explosion limit – LEL) là nồng độ thấp nhất của khí/hơi hoặc hỗn hợp khí/hơi có thể bắt cháy và duy trì sự cháy ở điều kiện xác định, thường cho bởi % về thể tích. Ở khoảng nồng độ thấp hơn giới hạn nổ dưới, khí/hơi không đủ để duy trì sự cháy.  Giới hạn cháy/nổ trên (Upper flammable limit –UFL /Upper explosion limit – UEL) là nồng độ cao nhất của khí/hơi hoặc hỗn hợp khí/hơi còn duy trì sự cháy ở điều kiện xác định. Ở khoảng nồng độ cao hơn giới hạn nổ trên, oxi không đủ để duy trì sự cháy.  Khoảng cháy/nổ (flammable range/ explosive range) là khoảng nồng độ từ giới hạn dưới đến giới hạn trên. Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 8  Điểm bốc cháy (flash point) là nhiệt độ thấp nhất mà chất lỏng tạo ra trên bề mặt nó một lượng hơi đủ để tạo thành hỗn hợp cháy/nổ. Điểm bốc cháy phụ thuộc vào áp suất hơi và giới hạn cháy/nổ dưới. 3.2 Đặc trưng cơ bản cho khí và hơi dễ cháy nổ [3] Trước hết, cần phân biệt rõ ràng 2 thuật ngữ khí và hơi:  Khí là dạng vật chất tồn tại trên khoảng nhiệt độ sôi, khả năng gây cháy nổ của khí được đặc trưng bởi giới hạn nổ dưới, giới hạn này càng thấp, khả năng gây cháy nổ càng cao.Ở khí không tồn tại điểm bốc cháy.Như vậy, để đảm bảo an toàn trong công nghiệp, cần kiểm soát nồng độ khí rò rỉ thấp hơn giới hạn nổ dưới để phòng ngừa khả năng cháy nổ. Giới hạn nổ dưới thường nằm từ 0,5 – 15% về thể tích.  Hơi là dạng vật chất thuộc thể khí tồn tại dưới khoảng nhiệt độ sôi, thường nằm trong cân bằng với pha lỏng hoặc rắn và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, áp suất. Khả năng gây cháy nổ của hơi phụ thuộc vào điểm bốc cháy (Ký hiệu F), nhiệt độ bốc cháy càng thấp, khả năng gây cháy nổ càng cao. Gas LEL in Vol - % LEL in g/m 3 Ignition Temp in o C Acetylene 2.3 24.9 305 Ammonia 15.4 109.1 630 1,3-butadien 1.4 31.6 415 i-butane 1.5 36.3 460 n-butane 1.4 33.9 365 n-butene 1.2 28.1 360 Dimethylether 2.7 51.9 240 Ethene 2.4 28.1 440 Ethylene oxide 2.6 47.8 435 Hydrogen 4.0 3.3 560 Methane 4.4 29.3 595 Methyl chloride 7.6 159.9 625 Propane 1.7 31.2 470 Propene 1.8 31.6 485 Bảng 1: Một số đặc trưng của một số loại khí dễ cháy nổ Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 9 Chương II. ĐẦU DÒ XÚC TÁC LOẠI PELLISTOR [4], [5] 1. Giới thiệu chung Đầu dò xúc tác loại pellistor đã được sử rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, trong các thiết bị phát hiện khí dễ cháy đơn điểm trong khoảng hơn 50 năm, bắt đầu từ khoảng những năm 1960. 2. Cấu tạo Đầu dò có cấu tạo tương đối đơn giản và dễ dàng để sản xuất. Cấu tạo phụ thuộc vào các nhà sản xuất khác nhau nhưng cơ bản đề gồm những thành phần cơ bản sau:  1 sợi platin hình xoắn ốc được phủ xúc tác nhạy khí, có vai trò là cảm biến.  1 sợi dây platin khác phủ vật liệu trơ không có hoạt tính xúc tác (như vàng) đóng vai trò bù lại sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường khi cảm biến hoạt động, đóng vai trò là bộ tham chiếu.  Cả 2 sợi dây được cố định bằng cách quấn quanh 1 lõi sứ kim loại, thường là nhôm oxit và được treo độc lập bằng mỗi 2 chấu bằng niken.  Chúng được đặt bên trong lớp nilon chịu nhiệt và lớp lưới bằng thép để bảo vệ đầu dò khỏi các tác động từ bên ngoài. Hình 2: Đầu dò (nhìn từ trên xuống) Hình 3:Sensor nhìn từ cạnh bên Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 10 Hình 4: Cảm biến khí xúc tác Hình 5: Hình ảnh thực tế đầu dò xúc tác  Người ta sử dụng platin là do các nguyên nhân sau:  Ở điều kiện thường các khí dễ cháy sẽ không cháy cho tới khi đạt được nhiệt độ bốc cháy (ignition temperature). Tuy nhiên, trong điều kiện hoạt động hóa học chúng có thể bắt cháy ở nhiệt độ thấp hơn. Hiện tượng này gọi là xúc tác cháy. Hầu hết các oxit kim loại và hợp chất của chúng có đặc tính xúc tác. Paladi, palatin, thori và các hợp chất của chúng là những chất xúc tác có hoạt tính cao nhất.  Platin có hệ số trở nhiệt lớn so với các kim loại khác. Hệ số trở nhiệt của Pt tuyến tính trong khoảng nhiệt độ từ 500 0 C – 1000 0 C, khoảng nhiệt độ cần thiết để cảm biến có thể hoạt động.  Tính chất vật lý của Pt cho phép chế tạo thành dạng sợi xoắn và kích thước nhỏ. Dây Pt có đường kính nhỏ không chỉ nhằm mục đích làm giảm kích thước của đầu dò mà còn làm tăng tín hiệu nhờ tăng điện trở, giảm công suất tiêu thụ. [...]... thông khí tốt và có gió, khả năng phát hiện rò rỉ giảm xuống Một số trường hợp do khoảng cách lớn cần lắp đặt thêm gương để tăng cường chùm tia phản xạ từ các góc tới thiết bị nhận của cảm biến đường truyền rộng Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 25 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Nhờ khả năng phát hiện rò rỉ trên diện rộng nên cảm biến đường truyền rộng thường được ứng dụng để phát hiện rò rỉ. .. detector) hoạt động dựa trên sự phát và nhận tín hiệu hồng ngoại để phát hiện rò rỉ khí, đặc biệt là các Hydrocacbon Hình 8: Đầu dò hồng ngoại Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 15 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon 1 Kỹ Thuật Đo Lường PVU Lịch sử phát triển [6] Các máy dò hồng ngoại được sử dụng để phát hiện, chụp hình, và đo năng lượng của bức xạ nhiệt mà tất cả các đối tượng phát ra Sự phát triển của cặp nhiệt điện... ngập trong khí, cảm biến cũng sẽ không bị hư hỏng  Có thể phát hiện ở mức trên 100% LEL  Nhược điểm của thiết bị phát hiện khí hồng ngoại:  Chi phí cao hơn Máy dò hồng ngoại thường đắt hơn các máy dò xúc tác  Chi phí phụ tùng cao  Các chất khí không hấp thụ năng lượng bức xạ hồng ngoại (chẳng hạn như hydro) không được phát hiện Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 28 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo... Lọc Hóa Dầu 24 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Không giống cảm biến điểm, cảm biến đường truyền rộng không giám sát độ rò rỉ của khí tại một vị trí, mà là trên cả quãng đường truyền bức xạ của nó Vì vậy, nồng độ khí có thể được đo đến ppm.m hoặc LEL.m, từ đó có thể tính toán đến nồng độ khí trung bình và độ dài của đám mây khí Như vậy một đám mây nhỏ dày đặc khí hydrocarbon có... 1 Khả năng phát hiện rò rỉ Cả hai đều đáng tin cậy, chúng đều có khả năng phát hiện khí có nồng độ thấp hơn giới hạn nổ dưới ( 0 -100% LEL) và được sử dụng trong phát hiện nhiều khí hydrocacbon với những giới hạn nổ từ LEL đến UEL khác nhau Chất lượng đo lường của đầu dò xúc tác và IR phụ thuộc vào sự hiệu chuẩn chính xác với nồng độ khí được biết đến Đầu dò xúc tác có thể phát hiện các khí như oxygen... kích hoạt báo động cho đèn thứ hai Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 34 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU TỔNG KẾT Bài tiểu luận đã cung cấp cái nhìn khái quát nhất về các loại cảm biến khí Hydrocarbon được sử dụng trong công nghiệp Bên cạnh cảm biến khí, còn rất nhiều loại cảm biến khác đang được sử dụng để kiểm soát các quá trình, phát hiện kịp thời các mối nguy để xử lý kịp thời, từ đó đảm... một đám mây khí phân tán rộng nếu nồng độ khí trên chiều dài đường đi là như nhau Hình 15: Cảm biến hồng ngoại IR5000 và vùng khuếch tán của khí rò rỉ trong điều kiện khác nhau Trong trường hợp khí phân tán trên diện rộng, khí vẫn có thể được phát hiện nhờ cảm biến đường truyền rộng, sử dụng cảm biến điểm chỉ phát hiện được bất thường trong trường hợp được lắp đặt tại vị trí xảy ra rò rỉ với nồng độ... hồng ngoại hoặc xúc tác phụ thuộc vào hệ thống phát hiện có phù hợp với đầu dò và kỹ thuật lấy mẫu để giám sát khu vực hay không Các chất khí khác nhau có thể đòi hỏi công nghệ phát hiện rò rỉ khác nhau do vậy mà không có một nguyên tắc phát hiện nhất định nào có thể cung cấp chính xác độ nhạy của thiết bị dò và thời gian đáp ứng yêu cầu cho tất cả các khí Do đó, cảm ứng phải phù hợp với môi trường... công nghệ đều đáng tin cậy, phát hiện nhanh chóng và chính xác sự rò rỉ khí Hydrocacbon trong quá trình vận hành, sản xuất Khi lựa chọn đầu dò cần xem xét kĩ lưỡng môi trường và lĩnh lực làm việc, để chọn được đầu dò thích hợp Kết hợp cả hai đầu dò là một giải pháp tối ưu để đem lại hiệu suất và độ an toàn cao Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 31 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Chương V... độ bức xạ, do đó sẽ cho cùng một tín hiệu đo Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 18 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Tuy nhiên, một số khí hydrocacbon và khí dễ cháy nổ khác phản hồi yếu hoặc không phản hồi với các cảm biến hồng ngoại Một số hydrocacbon thơm, acetilen, amoniac và khí cacbonic không thể được dò ra bởi kỹ thuật IR với các bức xạ 3,4 μm Ngoài ra, việc giảm cường độ bức xạ có . trọng của hệ thống phát hiện rò rỉ khí Khí hydrocarbon là những khí dễ cháy nỗ khi tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ cao. Trong nhà máy chế biến khí, các khí hydrocarbon bị rò rỉ chính là các. động dựa trên sự phát và nhận tín hiệu hồng ngoại để phát hiện rò rỉ khí, đặc biệt là các Hydrocacbon. Hình 8: Đầu dò hồng ngoại Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường. TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM TALENTS FOR DEVELOPMENT BÀI TIỂU LUẬN Đề Tài: KỸ THUẬT PHÁT HIỆN RÒ RỈ KHÍ HYDROCACBON Giảng viên: TS. Nguyễn Trung Khương Môn Học: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG