Чтобы «увидеть» водородное пламя, наилучшей на сегодняшний день технологией является мультиспектральное инфракрасное обнаружение пламени.

Сам по себе водород бесцветен, не имеет запаха, вкуса и нетоксичен. Но когда даже небольшое количество этого, казалось бы, безвредного вещества смешивается с воздухом, оно превращается в серьезную опасность пожара. Поэтому отрасли, использующие водород, нуждаются в передовых технологиях обнаружения пламени и утечек газа, чтобы обеспечить безопасную среду для людей и процессов.

Водород, первый элемент периодической таблицы, является самым распространенным химическим веществом во Вселенной. На Земле он обычно встречается в сочетании с другими элементами (например, в молекулах воды), но редко в чистом виде.

В дополнение к своему значению в мире природы, водород играет важную роль во многих промышленных процессах. К ним относятся нефтепереработка и пищевая промышленность, а также производство удобрений, пластмасс, фармацевтических препаратов, кремниевых чипов и стеклянных листов.

Отправить заявку

Каждый горючий газ горит по-разному, создавая характерное пламя. По сравнению с углеводородным пламенем, водородное пламя излучает мало видимого света или инфракрасного излучения, и поэтому его труднее обнаружить людям и оборудованию.

Чем опасен водород?

Промышленные пользователи водорода должны иметь дело с высокой реакционной способностью и взрывоопасными свойствами этого газа. В системе маркировки, используемой для обозначения опасных материалов, водороду присваивают самый высокий рейтинг «4» по шкале воспламеняемости, потому что он легко воспламеняется при смешивании даже в небольших количествах с обычным воздухом. Материалы с рейтингом воспламеняемости «4» — это те, которые легко воспламеняются при комнатной температуре, включая ацетилен, пропан и газообразный водород.

Кроме того, для воспламенения водорода требуется лишь небольшое количество энергии. На самом деле он действительно может самовоспламениться даже без внешнего источника энергии в тех случаях, когда он протекает из трубы при достаточно высоком давлении.

Еще более опасным водород делает тот факт, что, в отличие от углеводородного пламени, человеческие чувства не могут легко обнаружить водородное пламя. Люди, столкнувшиеся с водородным пламенем, не увидят его даже вблизи. Вместо этого они могут видеть мерцающую область перед собой, как если бы это был мираж. Они также могут видеть искры, которые представляют собой частицы пыли, кратковременно горящие в пламени.

Кроме того, люди, приближающиеся к огню, не почувствуют сильного жара. Это связано с тем, что водородное пламя излучает очень мало инфракрасного (ИК) излучения, которое заставляет людей ощущать тепло, когда они стоят рядом с пламенем. Когда не на что смотреть и в окружающую среду излучается мало лучистого тепла, человеческие чувства не будут предупреждать людей, чтобы они остановились, когда они приближаются к водородному пламени. В результате они могут неосознанно войти в него.

Детекторы газа: первая линия защиты

К счастью для промышленных предприятий, использующих водород, детекторы газа и детекторы пламени могут работать как команда, чтобы быстро определить утечку газа или возникшее пламя. Поскольку люди не могут видеть, чувствовать запах или пробовать газообразный водород в обычных условиях, следует использовать систему обнаружения газа, чтобы предупредить персонал станции об утечке до того, как она воспламенится. Такие системы можно считать первой линией защиты в случае выброса водорода. В случае утечки быстрое обнаружение позволяет остановить утечку до того, как она вызовет пожар или взрыв.

Двумя распространенными технологиями обнаружения горючих газов являются ИК-детекторы и детекторы с каталитическими шариками (пеллисторы). ИК-детектор газа реагирует на газы, поглощающие ИК-излучение, такие как метан и пропан на углеводородной основе. Но поскольку водород не может поглощать ИК-излучение, ИК-детекторы газа не обнаружат водород, и поэтому их использование не рекомендуется.

Это делает детекторы каталитического типа шариками правильным выбором для обнаружения водорода при более низком уровне воспламенения. Каталитический шариковый датчик обнаруживает любой горючий газ, который соединяется с кислородом с выделением тепла. Если газ может гореть в воздухе, этот датчик обнаружит это.

Датчик каталитического газа обычно состоит из пары согласованных платиновых проволочных резисторов, один из которых заключен в керамический шарик. Активный каталитический шарик покрыт катализатором; эталонный каталитический шарик остается необработанным. Эта согласованная пара затем закрывается огнеупорным агломератом или пористым фильтром.

При работе шарики резистивно нагреваются. Когда горючий газ вступает в контакт с поверхностью каталитического шарика, он окисляется и выделяется тепло, вызывая изменение сопротивления проволоки. Эталонный (или пассивный) шарик поддерживает то же электрическое сопротивление в чистом воздухе, что и активный шарик, но не катализирует горючий газ. Датчик обнаруживает газ, сравнивая токи. Если они отличаются, детектор может подать сигнал тревоги. Если газового облака нет, то обе бусины будут иметь одинаковый ток, и тревога не сработает.

Детекторы с каталитическими шариками имеют недостатки. Во-первых, они могут не сигнализировать о сбое. Они также подвержены отравлению, что может привести к их выходу из строя из-за воздействия силиконов и других химических веществ, которые распространены в промышленных условиях. В этих случаях пористый фильтр засоряется, в результате чего активная бусина ведет себя так же, как эталонная бусина, что может повлиять на точность системы или, возможно, помешать детектору обнаруживать газ. 

Если активная бусина в каталитическом детекторе не может обнаруживать газ, оператор в диспетчерской не сможет об этом узнать. Поэтому для обеспечения надлежащей работы сенсора необходимо периодически проводить ударные или контрольные испытания с калибровочным газом. 

При размещении этих газоанализаторов пользователи должны помнить, что водород, самый легкий газ, быстро всплывает вверх и рассеивается. По этой причине установщики должны убедиться, что газоанализатор расположен близко и над местом, где может произойти утечка или может скопиться газообразный водород, например, прямо над штоком клапана.

Обнаружение водородного пламени бывает нескольких видов

В дополнение к детекторам газа оптимальная группа безопасности водорода включает детекторы, которые могут быстро и точно обнаружить водородное пламя, если утечка действительно возгорается. Одним из вариантов обнаружения водородного пламени является тепловой детектор. Детекторы этого типа не будут подавать сигнал тревоги, пока температура контролируемой зоны не превысит порог срабатывания извещателя, поэтому логично расположить их непосредственно над возможным местом возгорания водорода. Однако источник утечки водорода может создать пламя, направленное в сторону от детектора. 

Еще больше усложняет ситуацию то, что низкое ИК-излучение водородного пламени может быть недостаточным, чтобы вызвать тревогу теплового детектора. Несмотря на то, что тепловые детекторы полезны, их правильное расположение является самой большой проблемой.

Другой альтернативой является использование оптического датчика пламени, который может обнаруживать водородное пламя. По сравнению с углеводородным пламенем водородное пламя излучает мало видимого света. Доступны технологии, которые обнаруживают водородное пламя, в том числе те, которые обнаруживают невидимое инфракрасное и ультрафиолетовое (УФ) излучение. 

В УФ-детекторах пламени используются анодно-катодные вакуумные трубки типа Гейгера-Мюллера, технология, восходящая к началу 20 века, для обнаружения УФ-излучения, испускаемого пламенем. УФ-излучение попадает в вакуумную трубку через кварцевое окно и попадает на катод. Энергия УФ-фотона высвобождает фотоэлектрон и создает электрический импульс, когда он движется к аноду.

Поскольку водородное пламя излучает энергию в основном в УФ-диапазоне, УФ-детекторы пламени лучше всего подходят для быстрого обнаружения водородного пламени. УФ-детекторы пламени также обеспечивают хорошую дальность обнаружения.

С другой стороны, УФ-детекторы пламени чувствительны к дуговым разрядам, искрам, сварке, молниям и другим непламенным источникам с высоким содержанием УФ-излучения. Эти УФ-излучатели могут вызывать ложные срабатывания УФ-детекторов пламени, что может иметь дорогостоящие последствия и снижать чувствительность людей к реальным потенциальным опасностям.

Поэтому УФ-извещатели пламени лучше всего подходят для мест, изолированных от источников ложных срабатываний, например, в закрытых помещениях. Однако даже здесь проблема, вероятно, не будет полностью устранена, поскольку в большинстве закрытых помещений есть вентиляционные каналы, которые могут отражать УФ-излучение от молнии и сварочных работ, что приводит к срабатыванию УФ-детектора пламени.

Существуют детекторы, в которых используются как ультрафиолетовые, так и инфракрасные технологии. Этим извещателям для срабатывания сигнализации требуется наличие как УФ-, так и ИК-сигналов. Это обеспечивает лучшую возможность подавления ложных тревог по сравнению с обнаружением только УФ-излучения. Тем не менее, УФ-ИК-детекторы по-прежнему чувствительны к комбинациям источников ложной тревоги.

Извещатели пламени МИК становятся фаворитами

Проблема ложной тревоги, с которой сталкиваются УФ- и УФ-ИК-детекторы пламени, является одной из причин, по которой мультиспектральное инфракрасное (МИК) обнаружение пламени стало предпочтительным выбором для обнаружения водородного пламени в большинстве внутренних и наружных условий. В этих детекторах пламени используется комбинация фильтров ИК-датчиков и программного анализа, чтобы обнаруживать пламя и снижать количество ложных срабатываний.

Некоторые детекторы пламени МИК были разработаны специально для обнаружения слабого излучения водородного пламени с использованием уникального набора ИК-фильтров. Эти специальные устройства обеспечивают очень хорошую дальность обнаружения. Оснащенные оптимальным набором ИК-фильтров, некоторые детекторы пламени могут обнаруживать вдвое больше, чем у УФ-детектора пламени. Детекторы пламени МИК также имеют хорошее время отклика, но не вызывают ложных срабатываний при воздействии дуги, искр, сварки и молнии. Кроме того, они обеспечивают солнечную устойчивость и нечувствительны к искусственному освещению и большей части излучения абсолютно черного тела, что может отрицательно сказаться на других технологиях обнаружения.

С другой стороны, дальность действия извещателей пламени МИК уменьшается из-за наличия воды или льда на линзе. Чтобы смягчить эту проблему, некоторые детекторы оснащены нагревателями линз, которые растапливают лед и ускоряют испарение воды.

В итоге

Водород — ценный товар с растущим списком применений. Но это также легковоспламеняющееся вещество, представляющее особую опасность для людей и имущества. Эти угрозы могут быть сведены к минимуму руководителями предприятий и персоналом, которые понимают уникальные характеристики водорода, а затем развертывают детекторы, предназначенные для решения задач быстрого и точного обнаружения утечек газообразного водорода и пламени.

Углеводород. Обнаружение водородного пламени

Технология оптического обнаружения пламени должна соответствовать типу топлива, которое она, как ожидается, обнаружит. Чтобы убедиться, что пламя существует, датчик пламени должен обнаружить один или все компоненты пламени. В пламени, подпитываемом источником углеводородов, компонентами являются двуокись углерода (CO₂), углерод, вода и тепло. Но не все пожары одинаковы. Водородный огонь не выделяет CO₂. 

Широко используемые сегодня технологии обнаружения пламени основаны на ультрафиолетовых (УФ) и инфракрасных (ИК) датчиках. Поскольку пожары на углеводородной основе являются сильными излучателями в ИК-спектре, для их обнаружения подходят одинарные и двойные ИК-извещатели. Комбинированные УФ/ИК-детекторы также были популярным выбором для обнаружения возгораний на основе углеводородов, поскольку они снижают количество ложных срабатываний.

В отличие от углеводородного пламени, водородное пламя излучает энергию преимущественно в УФ- и водяном диапазонах. Таким образом, УФ-детекторы пламени являются логичным выбором для обнаружения водородного пламени.

Фактически, УФ-детекторы пламени хорошо реагируют как на углеводородные, так и на неуглеводородные возгорания. Но для обнаружения обоих видов возгораний УФ, УФ/ИК, а также одиночные и двойные ИК детекторы заменяются многоспектральными ИК (МИК) или тройными ИК системами обнаружения. Технология предлагает лучшую производительность, меньшее количество ложных срабатываний и часто более низкую стоимость покрытия, чем ее традиционные аналоги для обнаружения во многих приложениях.

Отправить заявку