Miten tulipalon havaitsemisjärjestelmä tulee asentaa suojeltuihin alueisiin?

Tulipalon havaitsemisjärjestelmän asentamiselle suojattuihin alueisiin on tärkeää noudattaa tarkasti määräyksiä ja suosituksia, jotka varmistavat tehokkaan paloturvallisuuden kaikissa olosuhteissa. Erityisesti prosessilaitteiden, luokiteltujen suljettujen alueiden sekä ei-luokiteltujen suljettujen alueiden osalta on olemassa selkeät ohjeet asennettavien laitteiden valinnasta ja niiden toiminnallisuudesta.

Prosessilaitteissa tulipalon havaitsemisjärjestelmät, kuten sulavien liittimien ja muiden laitteiden (esimerkiksi ultraviolettisäteilyn palohälyttimet, infrapunasensorit) asentaminen, tulee toteuttaa siten, että ne tarjoavat vähintään saman toiminnallisuuden kuin taulukossa 1.1 esitetyt sulavat liittimet. Tämä voi tarkoittaa esimerkiksi sen varmistamista, että palohälytys voi laukaista normaalin sammutustoiminnon. Tällöin sulavat liittimet voivat sijaita turvajärjestelmien eri paineilmaputkistossa, mutta niitä ei saa asentaa helposti syttyvien kaasujen syöttöputkiin, jotta kaasuvuoto ei jatku sammutuksen jälkeen.

Ei-luokitelluilla suljetuilla alueilla, kuten tiloissa, joissa ihmiset nukkuvat, on oltava savuhälyttimet, jotka voivat käynnistää äänihälytyksen. Tällöin savuhälyttimien tai lämpötilan nousuindikaattorien tulee olla asennettu paikkoihin, joissa on lämmönlähteitä, kuten vesilämmittimiä, keittiöliesiä, takkoja tai tiloja, joissa on muita lämmityslaitteita. Tässä yhteydessä on huomattava, että ei-luokitelluilla alueilla ei saa käyttää sulavia liittimiä syttyville kaasuilla, vaikka nämä alueet olisivat luokiteltuja, koska tämä voi aiheuttaa vaarallisia vuotoja.

Prosessiturvallisuuden osalta kaasujen havaitsemisjärjestelmillä on tärkeä rooli erityisesti offshore-asemilla, joissa syttyvän kaasun kertymät voivat muodostaa vakavan turvallisuusriskin. Kaasun kertymistä voidaan estää riittävällä ilmanvaihdolla tai asentamalla kaasuhälytysjärjestelmä, joka hälyttää työntekijöitä ääni- ja/tai valoalarmilla, kun kaasupitoisuus lähestyy alarajan räjähdysrajaa (L.E.L). Kaasusensoreita tulee asentaa erityisesti suljettuihin tiloihin, joilla on huono ilmanvaihto ja joissa on syttyviä kaasuja tai kaasuja kuljettavia kompressoreita.

Kaasuhälytysjärjestelmän toiminta on suunniteltava niin, että se havaitsee vähintään kahta kaasua ja käynnistää automaattisen suojatoimenpiteen, jos kaasupitoisuus ylittää tietyn rajan. Esimerkiksi 60 %:n L.E.L. pitoisuuden saavuttaminen voi käynnistää kaasuputken sulkemisen tai virtalähteen katkaisemisen. On myös tärkeää ottaa huomioon, että erityisesti luokitelluilla alueilla (klassifioiduilla alueilla) ei voida suorittaa kokonaisprosessin sammutusta, vaan hälytetty alue voidaan eristää, kuten polttoaineen syöttöventtiilin sulkemisella.

Riittävä ilmanvaihto on perusvaatimus kaikissa suljetuissa tiloissa, jotta kaasu- tai höyryilma-sekoituksia ei kerry liian suuriksi. Ventilointijärjestelmien tulee estää kaasu- ja höyrypitoisuuksia, jotka ylittävät niiden syttyvyyden alarajan (L.E.L) 25 %. Tämä voi edellyttää joko luonnollista tai keinotekoista ilmanvaihtoa, joka takaa turvallisuuden alueella.

Miten luokitellaan sähköasennusten sijainnit öljyntuotantolaitoksilla ja miten varmistetaan prosessiturvallisuus?

Öljyntuotantolaitosten sähköasennusten sijaintien luokittelu perustuu riskialttiuteen, joka määritellään luokan I, divisioona 1 ja 2 mukaisesti. Näissä ympäristöissä on oltava erityisen tarkka varautuminen, sillä mahdolliset vuodot ja kaasupäästöt voivat aiheuttaa räjähdys- tai tulipalovaaraa. Vuotojen keräys- ja poistojärjestelmät ovat keskeisiä laitteita, joiden avulla varmistetaan vuotaneiden hiilivetyjen turvallinen kerääminen ja ohjaaminen hallittuun paikkaan. Kaikki laitteet, joista voi mahdollisesti vuotaa tai ylivuotaa nesteitä, tulee varustaa suojaverkoilla, viemärikaivannoilla tai tippakouruilla, jotka ohjaavat jäteöljyn jäteöljysäiliöön.

Painovoimaiseen poistoputkistoon ei saa päästä kaasun päästämistä jäteöljysäiliön poistoaukon kautta. Vesi- tai nestetiivisteiden asentaminen on suositeltavaa jokaiselle poistoputkelle tai putkiston haaralle. Takaiskuventtileitä ei pidä käyttää suojaamaan tiivisteitä, eikä paineen ja painovoiman poistoja saa sekoittaa ennen säiliön sisäänmenoa.

Jäteöljysäiliöt voivat olla joko säiliöitä, suljettuja tai avoimia tynnyreitä. Niissä on oltava automaattinen poistotoiminto, joka pystyy käsittelemään suurimman sisäänmenovirran. Ilmastointijärjestelmän tarkoituksena on hajottaa hiilivetyhöyryt turvallisesti. Riippuen säiliön tai tynnyrin rakenteesta ja sijainnista, liekinestintä voidaan joissakin tapauksissa jättää pois, jos putkiston korroosio, alhainen virtaus ja etäisyys syttymislähteistä takaavat turvallisuuden.

Avoimia jäteöljytynnyreitä voidaan käyttää tilapäisesti esimerkiksi kannen sadeveden tai roiskeiden keräämiseen ja käsitellyn tuotantoveden sekä hiekan poistoon. Suorat nestemäiset hiilivetyjen päästöt avoimeen jäteöljytynnyriin eivät ole suositeltavia, ellei kyseessä ole hätätilanne. Öljytynnyrien ylivuodon estäminen vaatii tapauskohtaista arviointia huomioiden tynnyrin pituus, nesteen ominaisuudet, maksimivirtaus, virtaustiheyden vaihtelut ja vuorovesivaikutukset.

Turvallisuuden kannalta on myös olennaista, että prosessilaitoksen tukijärjestelmät toimivat moitteettomasti. Pneumaattinen syöttöjärjestelmä tuottaa käyttövoiman ja instrumenttikaasun, ja kaasun poistojärjestelmä ohjaa prosessilaitteista vapautuvan kaasun turvallisesti ilmaan. Kaasun poistojärjestelmän turvallinen päästöpaikka on alue, jossa kaasun pitoisuus pystytään laimentamaan alle syttyvyysrajan tai jossa kaasu voidaan turvallisesti polttaa.

Pneumaattisen järjestelmän kaasun tulee olla puhdasta, ilman hiilivetyjä, kosteutta tai kiinteitä aineita, ja se ei saa olla syövyttävää. Ilmaa, maakaasua tai typpeä käytettäessä järjestelmän suunnittelussa on varmistettava, ettei kaasulähteiden sekoittuminen aiheuta räjähdysvaaraa. Kaasusyötön on katettava suurimmat mahdolliset kulutukset siten, että esimerkiksi turvalaitteet saavat toimintatehon enintään 45 sekunnissa häiriötilanteissa.

Kaasun poistopiste voi sijaita korkealla, kaukana laitoksesta, tai jopa veden alla. Turvallisuusseikat, kuten henkilöstön turvallisuus, poistettavan kaasun määrä ja läheisten laitteiden sijainti, on otettava suunnittelussa huomioon. Tuulensuunta ja vedenalaisen poiston virtaus on myös huomioitava. Venttiilien ja paineenalennuslaitteiden mitoituksessa noudatetaan kansainvälisiä standardeja, joiden mukaan järjestelmät on mitoitettava siten, että takaisinpaine ei ylitä laitteiden alhaisinta sallittua painetta.

Turvallisuusjärjestelmien ja niiden tukijärjestelmien saumaton yhteispeli korostaa, että pelkkä yksittäinen turvalaite ei riitä, vaan koko prosessiturvallisuusketju on tarkoin suunniteltava, ylläpidettävä ja valvottava.

Miten turvaventtiilien putkikoot ja purkuvoimat vaikuttavat niiden toimintaan?

Turvaventtiilin lähtöputken halkaisijan tulisi olla lähtöventtiilin halkaisijaa suurempi, jotta takapaine pysyy mahdollisimman alhaisena. Turvaventtiilin sisääntulo- ja ulostuloputkien putkikoon laskemisessa on huomioitava, että turvaventtiilin takapaine on hyvin pieni, minkä seurauksena kaasun nopeus lähtöputkessa on erittäin korkea. Tästä syystä on suositeltavaa käyttää supistajaa turvaventtiilin ulostulopaineessa, joka kasvattaa lähtöputken halkaisijaa. Tämä laskee kaasun nopeutta lähtöputkessa ja pitää Mach-luvun alle 0,7, mikä on oleellista virtausnopeuden hallitsemiseksi ja vahinkojen estämiseksi.

Turvaventtiilin ulostuloputken tulee olla kalteva (vähintään 1:500 kaltevuudella kohti liekkiputkistoa), eikä siinä saa olla U-muotoisia mutkia, jotka voisivat kerätä kondensaattia tai aiheuttaa ylimääräistä vastusta. Erityisesti jos venttiilin läpi virtaava aine voi jäätyä tai saostua huoneenlämpötilassa, on turvaventtiilin sisääntulo- ja ulostuloputkissa tarpeen käyttää lämmityskaapeleita estämään tukkeutuminen. Märän kaasun purkutilanteessa, jossa Joulen-Thomsonin ilmiö aiheuttaa lämpötilan laskua, jäätymisen muodostuminen on vähäistä virtausnopeuden suuren arvon vuoksi.

Kun märän kaasun turvaventtiilin lähtö liitetään liekkipaineen purkupäähän, putken tulisi liittyä pääputkeen 45 asteen kulmassa virtaussuuntaan, jotta kondensaatti ei virtaisi takaisin haaraputkeen ja turvaventtiilin takapaine alenisi.

Turvaventtiilin purkuvoima ja tärinä on otettava huomioon suunnittelussa, ja nämä tiedot tulisi toimittaa putkistosuunnittelijalle tai laitteen valmistajalta laskentakirjassa. Näin putkisto voidaan varustaa sopivilla kiinnikkeillä ja tuilla. Jos venttiilin etupuolen putkistossa syntyy liian suuria painehäviöitä, venttiilin ja putkiston resonanssi saattaa aiheuttaa voimakkaita tärinöitä ja jopa venttiilin tuhoutumisen. Resonanssivaikutukset korostuvat korkealla asetuspainetta, suuressa venttiilien aukossa ja suurissa painehäviöissä.

Purkuvoima, joka syntyy turvaventtiilin toiminnasta, välittyy asennuskohtaan ja tukirakenteisiin. Avoimissa purkujärjestelmissä kaasut purkautuvat ilmakehään kriittisessä vakaa-tilassa, jolloin purkuvoima koostuu sekä iskusta että staattisesta paineesta. Kaasun ja höyryn lisäksi kaksivaiheisen virtauksen purkuvoima voidaan laskea huomioiden kaasun ja nesteen massafraktio sekä tiheydet.

Suljetuissa purkujärjestelmissä purkuvoimat ovat yleensä pienempiä, mutta äkillisissä putken laajentumiskohdissa voimat voivat kasvaa. Tällaiset laskelmat ovat monimutkaisia ja vaativat järjestelmän aika- ja virtausdynamiikan analysointia.

Rikkomalätkien mitoituksessa on tärkeää, että niiden rikkoutumispinta-ala on vähintään yhtä suuri kuin venttiilin sisääntulon ala, ja että rikkoutumisen jälkeen kappaleet eivät häiritse venttiilin toimintaa. Rikkomalätkät voivat olla myös korroosion suojausratkaisuja, sijoitettuna venttiilin ulostulopuolelle.

Turvaventtiilien toiminnan ymmärtämiseksi on olennaista ymmärtää virtausdynamiikan, painehäviöiden ja materiaalien käyttäytymisen vaikutukset. Lisäksi laitteiden reaktiovoimat ja resonanssitilanteet vaativat tarkkaa analyysiä, jotta laitteet voivat toimia luotettavasti vaikeissa käyttöolosuhteissa. Rikkomalätkien käyttö täydentää turvajärjestelmää silloin, kun venttiilit eivät riitä tai niiden käyttöolosuhteet ovat rajoittuneita. Näiden laitteiden oikea valinta ja mitoitus ovat keskeisiä paineenpurkujärjestelmän kokonaisvaltaisessa turvallisuudessa.

Miksi liekkijärjestelmän suunnittelussa on tärkeää erotella purkutilanteet ja määrittää palovyöhykkeet?

Liekkijärjestelmän suunnittelu edellyttää syvällistä ymmärrystä purkujärjestelmän virtauksista, materiaalien käyttäytymisestä äärilämpötiloissa sekä järjestelmän reaktiosta hätätilanteisiin. Erityisesti pääkanavan ja siihen haarautuvien linjojen mitoitus riippuu monista kriittisistä tekijöistä, kuten virtauksen aiheuttamasta värinästä, sallitusta takapaineesta ja venttiilien rakenteellisista ominaisuuksista. Supersoninen virtaus aiheuttaa värähtelyä, joka voi vaarantaa rakenteiden eheyttä, ja virtausnopeuksien hallinta vaatii tarkkaa paineen ja materiaalin hallintaa koko linjastossa.

Nesteseparaattorin mitoitus liittyy suoraan järjestelmässä esiintyviin purkumäärien, faasien ja lämpötilojen vaihteluihin. Kaikki näihin liittyvä suunnittelu perustuu venttiilien rakenteisiin, kuten turvaventtiileihin (PSV), sekä ESD-järjestelmän eri tason sulkutoimintoihin. Näissä sulkutasoissa nollatason ja ykköstason sulut ovat varotoimenpiteitä erityistilanteita varten, joissa ESD-venttiili sulkeutuu ja rinnakkainen lukitus avaa automaattisen purkuventtiilin. Toisesta neljänteen tasoon ulottuvat sulut toimivat epänormaalien olosuhteiden hallintaan, eikä näissä tasoissa ole purkuventtiilien automaattista avaamista; paineenalennus tapahtuu vain turvaventtiilien kautta ylipaineistustilanteessa.

Paloturvallisuuden kannalta yksi keskeisimmistä näkökohdista on palovyöhykkeiden määrittely. Öljy- ja kaasulaitoksilla esiintyy usein tulipaloja, jotka vaihtelevat pienistä sähköpaloista suuriin prosessipaloihin. Paloturvallisuusarviointi perustuu vaara-arviointien, kuten HAZID, HAZOP ja QRA, tuloksiin, ja niiden perusteella arvioidaan, kuinka järkevästi palovyöhykkeet on suunniteltu ja onko aktiivinen sekä passiivinen palonsuojaus riittävä. Tavoitteena ei ole estää vaarallisia tapahtumia, vaan rajoittaa niiden seurauksia siten, että vauriot pysyvät hallinnassa ja eivät leviä laitoksen muihin osiin.

Palovyöhykkeiden rajat määritellään vakavimman uskottavan palo- ja eskaloitumisskenaarion perusteella. Jokaisen vyöhykkeen palovesitarve, laitteiden palokestävyys, poistumisreittien saavutettavuus ja koko vyöhykkeen itsenäinen toiminta on varmistettava. Suurempi määrä pienempiä palovyöhykkeitä edistää turvallisuutta, mutta liiallinen jakautuminen voi haitata prosessin käytettävyyttä. Vyöhykkeiden koon määrittämisessä on otettava huomioon alueen käyttötarkoitus, tulipaloriski, rakennuksen korkeus, sammutuskapasiteetti ja palon leviämisnopeus.

Fyysinen erottelu saavutetaan käyttämällä turvavälejä, paloesteitä, padotusalueita tai erillisiä viemäröintijärjestelmiä. Esimerkiksi 120 m³/h vesisyötöllä palotykin suojausetäisyys on 45 metriä, vaahtosammutuksen enimmäispaloaltaan koko noin 7000 m² ja yksittäisen palovyöhykkeen koko ei saisi ylittää 1000 m². Palovyöhykkeen tulee olla muodoltaan konveksi, mielellään suorakulmainen, ja sen suunnittelussa on otettava huomioon myös palo- ja sammutusveden kerääminen tai turvallinen poisto.

Prosessiteknisesti on ratkaisevaa erotella purkuvirrat keskenään, erityisesti tilanteissa, joissa syntyy kuumia tai kylmiä kaasuja, tai näiden yhdistelmiä. Kylmä kaasu – kuten propaanin jäähdytyksestä vapautuva kaasu – voi jäädyttää venttiiliin kertyneen veden, aiheuttaen tukoksia ja järjestelmävikoja. Vastaavasti erittäin kuumat kaasut voivat aiheuttaa höyrystymistä haihtuvissa aineissa, mikä voi johtaa räjähdysmäiseen purkautumiseen. Matalapainereservuaarien, kuten ilmatankkien, yhdistäminen korkeapainesuojajärjestelmiin voi aiheuttaa takapainetta, joka ylittää näiden säiliöiden suunnittelupaineen.

Tästä syystä jokaiselle purkutapaukselle tulisi olla oma päälinjansa, tai vähintäänkin rakenteellinen suunnittelu, joka estää haitalliset yhteisvaikutukset. Purkujärjestelmien yhdistäminen vaatii yksityiskohtaista analyysiä materiaalien, lämpötilojen ja kemiallisen yhteensopivuuden osalta. Materiaalivalinnat tulee perustaa korkeimpaan ja alhaisimpaan odotettavissa olevaan lämpötilaan sekä aineiden korroosiopotentiaaliin.

On tärkeää, että lukija ymmärtää, ettei liekki- ja purkujärjestelmä ole irrallinen tekninen yksikkö, vaan osa dynaamista kokonaisuutta, jossa mekaaninen, kemiallinen ja inhimillinen järjestelmä toimivat vuorovaikutuksessa. Suunnittelu ei saa perustua ainoastaan normeihin ja laskelmiin, vaan myös todennettuihin riskiskenaarioihin, prosessikohtaisiin ominaisuuksiin ja laitoskohtaiseen operatiiviseen logiikkaan. Vasta silloin saavutetaan järjestelmä, joka ei ainoastaan täytä vaatimuksia, vaan ennakoi poikkeamat ja kestää ne rakenteellisesti ja toiminnallisesti.

Miten paineenvähennyksellä on vaikutusta järjestelmän lämpötilaan ja miksi sen tarkka laskeminen on tärkeää?

Paineen vähentäminen eri prosessointivaiheissa, kuten paineenalennusventtiilien ja orificen kautta tapahtuvassa kaasun purkautumisessa, vaikuttaa merkittävästi järjestelmän lämpötilaan. Erityisesti tämä vaikutus on huomattavissa, kun tarkastellaan prosessissa syntyviä tiivistyneitä pisaroita, jotka kulkeutuvat kaasufaasissa polttokenttäjärjestelmään. Tämä puolestaan vaikuttaa paineen alennusventtiilistä poistuvan kaasun lämpötilaan. Lämpötilan aleneminen voi myös johtua nesteen, kuten veden, läsnäolosta. Esimerkiksi, jos järjestelmässä ei ole vapaata vettä tai kyllästettyä vettä, HYSYS-simulaatiot voivat ennustaa korkeampaa lämpötilaa. Tämä on erityisen tärkeää järjestelmän lämpötilan tarkassa ennustamisessa, sillä veden tilassa tapahtuvat muutokset, kuten jäätyminen, voivat merkittävästi eristää lämmönsiirtoa ja johtaa alhaisempiin lämpötiloihin.

Kun vesi on läsnä, se voi vaikuttaa sekä virtaavan nesteen että metalliseinämän lämpötilaan. Jäätyminen tapahtuu tavallisesti hiilivetyjen ja veden rajapinnalla, jolloin nesteen ja veden välinen lämpösiirto hidastuu. Tämä tekee ennusteista vaikeampia, sillä jäätymisen latentti lämpö ja sen vaikutus lämmönsiirto-ominaisuuksiin voivat johtaa epäluotettaviin laskelmiin. Jos insinöörit uskovat, että veden vaikutus on merkittävä paineen alennusprosessin lämpötilaan, on suositeltavaa käyttää asiantuntijoiden laskelmia tarkempien ennusteiden saamiseksi.

Paineen alennusprosessin alkuperäiset olosuhteet ovat toinen tärkeä tekijä. Järjestelmän alkuperäiset paine- ja lämpötilaolosuhteet määrittävät usein alhaisimmat mahdolliset lämpötilat, joita voidaan odottaa prosessissa. Yleisesti ottaen, mitä korkeampi alkuperäinen paine ja matalampi alkuperäinen lämpötila, sitä alhaisempi paineenalennuksen aikana saavutettava lämpötila voi olla. Esimerkiksi jäähdytyslaitteiden, kuten jäähdytysjärjestelmien ja laajennusmekanismien osalta käytetään tavallisesti järjestelmän käyttöolosuhteita alkuperäisinä olosuhteina, jolloin saavutetaan mahdollisimman alhaiset lämpötilat.

Paineen alennusprosessin aikarakenne on myös tärkeä tekijä. Vaikka paineen alennusprosessin aikakesto voi vaikuttaa merkittävästi nesteen ja metallin lämpötiloihin, tätä vaikutusta on vaikea ennustaa. Aikarakenteen muutokset voivat jopa johtaa siihen, että osassa järjestelmää lämpötila laskee, mutta toisessa se nousee. Koska prosessissa on monia muuttujia – nesteen ja ympäristön, säiliön ja putkiston lämpösiirto- ja termodynamiikka – paineenalennusprosessin aikarakenne on tärkeää laskea tarkasti.

Esimerkiksi tietyn paineen alennuksen aikana eri järjestelmäosissa voidaan kohdata erilaisia lämpötiloja. Jos paineen alennusaika on hyvin lyhyt, säiliön lämpötila pysyy alkuperäisessä lämpötilassaan, mutta jos prosessi kestää pitkään, lämmönsiirto ympäristöstä voi tasoittaa lämpötilaa, pitäen sen ympäristön lämpötilassa. Paineen alennuksen aikarakenne tulee siis ottaa huomioon herkkyysanalyysissä, jotta voidaan valita suunnitteluvaihtoehto, joka on mahdollisimman turvallinen.

Myös tislausprosessien, kuten tislaustornin kylmälaskelmissa, on tärkeää huomioida alkutilanteen lämpötila ja nesteen koostumus. Koska joissain projekteissa on havaittu, että ympäristön lämpötila on sopivin laskelmalähtökohdaksi, se tekee laskelmista konservatiivisempia. Joissain tapauksissa tislauksessa käytettävät kevyet komponentit, jotka voivat kulkeutua tornin yläosaan, vaikuttavat myös lopputuotteiden koostumukseen, jolloin paineen alennusprosessissa saatu lämpötila voi vaihdella.