火災およびガスシステムを理解することで安全性が向上します

エマソン、ローズマウント火災およびガス検知システム担当ディレクター、エドワード・ナランホ氏

プロセスプラントの従業員の多くは、火災およびガスシステムについてある程度の知識は持っていますが、これらのシステムの性質そのものが、基本的なプロセス制御から隔離されており、事故時にのみ動作するため、作業員がそれらを当然のことと考えている可能性があります。 家庭の煙感知器と同様、火災やガスのシステムは、一度設置されると簡単に背景に消えてしまいます。 作業員が消防およびガスシステムが提供する重要な役割を認識または再認識すると、全体的な安全性が向上します。

消防およびガス システム エンジニアリングは、ライフサイクル全体にわたるシステムの設計と保守の実践が長年にわたって進化するにつれて、より複雑になっている専門分野です。 全米防火協会、欧州共同体、そして最近では国際電気標準会議 (IEC) 61511 および国際オートメーション協会 (ANSI/ISA) 84.00.01 によって開発された規範規格の出現により、大きく変わりました。 これらの規格は、安全計装システム (SIS) の性能を評価するための性能ベースの基準を確立しました。 技術レポート TR84.00.07 は、ISA 84 ワーキング グループの下で開発され、IEC 61511 に従って火災およびガス システムを設計する方法に関するガイダンスを提供します。

では、アンモニアタンクの横に取り付けられているセンサーは何でしょうか? それらはどのように機能するのでしょうか?また、リリースがあった場合には何が起こるのでしょうか? 火災が起きた場合の手続きはどうなるのでしょうか？ ここでは、誰もが知っておくべき基本的な概念をいくつか紹介します。

基本的なプロセス制御や SIS と同様に、火災およびガス システムは、特定の状態の検出に応じて危険を軽減するタスクを実行するようにプログラムされたコントローラー (図 1) に接続されたセンサーを使用します。 一般的な危険には、可燃性または有毒なガスや液体の未発火の放出、または発火源が見つかった場合の直火の存在が含まれます。

図 1: 目に見える部分はセンサーだけかもしれませんが、火災およびガス検知システムのロジックは非常に複雑になる場合があります。

軽減措置は、検出された危険の性質、場所、重大度に応じて異なります。 火災の場合は、いくつかのアクションが考えられます。 これには、人員に対する警告アラームの鳴動、消火剤の放出、プロセスの流れの遮断、燃料源の隔離、装置の通気などが含まれます。 これらすべてが同時に起こり、火災が鎮火する可能性があります。 有毒ガスが放出された場合、職員を安全な集合場所に誘導するために警報が鳴る場合があります。

これらの機能は他のシステムのサポートなしで実行できる必要がありますが、単独で存在するわけではありません。 これらは、SIS、緊急停止 (ESD)、換気システム制御と統合されることが多く、これらの他のシステムと連動することで事故を軽減する能力が拡張されます。

応答は、プロセス安全性研究から生成された機能ロジックを反映しており、原因と結果を関連付ける透明で十分に文書化されたマトリックスに要約されています。 これらの因果関係図は、安全システムの機能要件を指定します。 制御アクションの一部は火災およびガス システムによって自律的に実行されますが、特定の内部トリップが先ほど述べた他のシステムを起動します。

火災およびガスシステムで使用されるセンサーは、よく知られたプロセス機器とは異なるため、最も理解されていない要素であることがよくあります。 まず、容器やパイプの中ではなく、オープンスペースで何が起こっているかを検出します。 危険なガス、液体、または火災などの放射エネルギー源をどのように検出するかを理解するには、注意が必要です。

ほとんどの有毒ガスまたは可燃性ガスセンサーは点検出器であり、非常に局所的な状態を監視します。 さらに、それらはセンサーに到達する対象ガスによって異なります。

センサーは、ガスがセンサー内の何かと反応して電気信号 (電気化学) を変化させる (図 2) か、ターゲットガスが赤外線 (IR) 光の特定の波長を吸収するため、ターゲットガスを識別します。 ガスが IR ソースとレシーバーの間を通過すると、その変化が測定可能になります。 IR ポイント センサーでは、単一の筐体内の 2 つの要素間の距離が 1 ～ 2 センチメートルしかない場合があります。

図 2: Rosemount™ 928 ワイヤレス ガス モニターなどの電気化学的有毒ガス センサーは、有毒ガスと内部触媒の間の反応を引き起こすことで硫化水素を検出するために使用できます。

より広い領域をカバーする必要がある場合は、オープン パス アプローチを使用して、IR センサーの 2 つの半分を分離し、数メートル離して配置することができます。 IR ビームは光源から受信機まで照射され、その 2 つの間のどこかに十分な量のターゲットガスが蓄積すると、警報が作動します。 当然のことながら、そのようなセンサーは、空間を通過する人または他の物体によるビームの短時間の中断を無視しなければなりません。

検出技術に関係なく、すべてのポイントおよびオープンパス検出器は特定の場所でのガスの検出に限定されているため、空気が停滞しガスが移動しないデッドスポットに設置されると効果がなくなる可能性があります。 同様に、ガードやカバーの配置が適切でないと、ターゲットガスがセンサー素子に到達するのを妨げる可能性があります。 プラント内で監視しているオペレーターがガスセンサーの位置や環境に何か変化があることを発見した場合は、適切な担当者に報告する必要があります。

対象ガスが加圧システム内にある場合、超音波範囲に調整された音響センサー (図 3) を使用して、システム内の漏れによって発生するノイズを検出できる場合があります。 このような漏れは、これらの対象周波数内でノイズを発生する可能性があり、従来のセンサーを作動させるのに十分な集中が得られる前に、逃走を警告するために使用できます。 一方、音響式ガス漏れ検知器は加圧された脱出にのみ適しており、無関係な騒音源により誤トリップを引き起こす可能性があります。

図 3: Emerson の Incus 超音波ガス漏れ検知器などの超音波ガス検知器は、加圧ガスの漏れる音を検知します。

火災による潜在的な損害を防ぐために、探知機は迅速に対応する必要があります。 同時に、プロセスの停止や消火剤の放出など、火災警報によって引き起こされるアクションは非常に破壊的なものであるため、誤った警報によって引き起こされてはなりません。

火災は電磁放射、熱、煙を発生させるため、検知できます。 総合的な火災およびガス システムには、3 つすべてを検出するセンサーが搭載されている場合があります。

電磁センサー (図 4) は、可視光スペクトルの上下の特定の波長の発光を検出します。 これらは、炎が発生し始めると数秒以内にこれらの放出を検出できるため、最も反応が速いセンサーです。 さまざまな可燃性製品は、紫外 (UV) および IR 範囲で特有の放射を生成します。 たとえば、ガソリンの燃焼を検出するには、水素の燃焼とは異なる IR 波長を監視する必要があるため、システム設計者は、どのような可燃性生成物が存在する可能性があるかを把握する必要があります。 一部のセンサーは 1 つの重要な波長を探しますが、他のセンサーは複数の波長を探して検出精度を向上させます。

図 4: Rosemount 975HR マルチスペクトル IR 火炎検出器などの電磁火炎センサーは、特定の燃料によって生成される IR 光の特定の波長を検出できます。

これらのセンサーはカメラとよく似た働きをするため、覆われたエリアへの見通しの良さに依存します。 そのため、通常は装置を見下ろす高い位置にあります。 障害物があると検出範囲が狭くなります。 誤警報を引き起こす可能性のあるソースに注意することも重要です。 たとえば、検出器の視界内で溶接を実行する必要がある場合、適切なオペレータにセンサーを一時的に無効にすることが必要な場合があります。

熱検知器は温度の上昇または温度変化に反応し、点型または長さ数メートルにわたる線型のいずれかになります。 対照的に、煙探知機は空気中の煙粒子の密度に反応します。 プロセスエリアでは、煙感知器は主に密閉空間やダクトを排気システムや換気システムから保護するために使用されます。

その他の補助検出器には、特殊な目的のための可融性プラグや壊れやすい電球などがあります。

特定の施設における潜在的な危険の性質は、関与する製品とプロセスによって異なります。 火災およびガスシステムの設計は、適切な対応を行うためにこれらの危険を反映する必要があります。 警報ホーンとストロボが出発点ですが、システムは消火器に拡張され、緊急停止システムと接続される可能性があります。 さまざまな危険に対応し、一般的な原因による障害を回避し、冗長性を提供するために、複数のタイプのセンサーを使用できます。 範囲を拡大し、全体的な効果を向上させるには、これらすべての要素を結び付ける必要があります。

同時に、火災およびガスシステムの応答は保証されません。 危険な放出や進行中の火災を検出する機能は、一般的なプロセス安全機能よりも多くの変数に依存します。 センサーの数と種類、および監視対象エリア内でのセンサーの配置は、火災およびガス システムの有効性に影響します。 これらの変数を 1 つずつ削減することで、工場の人員や設備、そして周囲のコミュニティの安全性を高めることができます。

著者について

エマソンのローズマウント火災およびガス検知システム担当ディレクターであるエドワード・ナランホ氏は、16 年の経験を持つ認定機能安全エンジニアです。 ナランホは国際オートメーション協会フェローであり、カリフォルニア工科大学とカリフォルニア大学サンタバーバラ校でそれぞれ化学工学の理学士号と哲学博士号を取得しています。 彼はシカゴ大学で経営管理の修士号も取得しています。

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