Przemysł wydobywczy - bezpieczeństwo, automatyka i komunikacja

Praca w górnictwie i przy wydobyciu gazu ziemnego oraz ropy naftowej jest niebezpieczna z wielu powodów. Jednym z nich jest możliwość wytworzenia się atmosfery wybuchowej, czyli mieszaniny palnych gazów, par lub pyłów (w kopalniach węgla kamiennego głównie metanu i pyłu węglowego) z powietrzem, w której po zainicjowaniu źródłem zapłonu spalanie rozprzestrzenia się samorzutnie. Przebywający w pobliżu są wtedy narażeni na działanie wysokich temperatur i fali uderzeniowej.

Niebezpieczne są również przemieszczające się w niekontrolowany sposób resztki zniszczonych przez wybuch obiektów, brak tlenu i trujące produkty reakcji spalania. W kopalniach liczyć się trzeba oprócz tego z możliwością tąpnięcia, a w jego następstwie zawaleniem się korytarzy.

Zapłony i wybuchy substancji łatwopalnych były przyczyną wielu tragedii w górnictwie, także w Polsce. Przykładowe zdarzenia, do których doszło w ciągu ostatnich kilkunastu lat, to: zapłon i eksplozja metanu w kopalni Wujek Ruch Śląsk w Rudzie Śląskiej (2009), wybuch metanu w kopalni Borynia w Jastrzębiu-Zdroju (2008), wybuch metanu, który zainicjował wybuch pyłu węglowego w kopalni węgla kamiennego Halemba w Rudzie Śląskiej (2006) oraz wybuch pyłu węglowego w kopalni Jas-Mos w Jastrzębiu-Zdroju (2002). W wypadkach tych łącznie zginęło prawie 60 osób.

KIEDY PYŁ WĘGLOWY MOŻE WYBUCHNĄĆ?

W związku z tym zapłonom i eksplozjom trzeba zapobiegać. Przede wszystkim należy w tym celu przeciwdziałać powstawaniu mieszaniny wybuchowej. Nie zawsze sama obecność substancji łatwopalnych jest równoznaczna z tym, że w połączeniu z powietrzem wytworzą one atmosferę wybuchową. Zwykle powinny być spełnione dodatkowe warunki. Na przykład w przypadku pyłu węglowego musi on zawierać więcej niż 10% części lotnych w przeliczeniu na bezwodną i bezpopiołową substancję węglową. Powinien być także odpowiednio rozdrobniony.

Warunkiem koniecznym jest ponadto, żeby stężenie substancji łatwopalnej zawierało się pomiędzy dolną a górną granicą wybuchowości, czyli w zakresie zawartości czynnika palnego w mieszaninie z powietrzem, pomiędzy którymi może dojść do wybuchu. W przypadku pyłu węglowego wartości graniczne to 50 g/m³ i 1000 g/m³, natomiast optymalne mieszczą się w przedziale od 300 do 500 g/m³. W obecności metanu wybuchowość pyłu węglowego jest większa. Na przykład przy 2% zawartości CH4 minimalne stężenie pyłu węglowego, przy którym powstanie mieszanka wybuchowa, wynosi 10 g/m³.

Aby zatem zapobiec wytworzeniu się atmosfery wybuchowej, należy przede wszystkim przeciwdziałać gromadzeniu się substancji łatwopalnej o odpowiednich właściwościach.

Jak wykryć wyciek gazu ziemnego?

W górnictwie i przemyśle paliwowym koniecznym uzupełnieniem systemów automatyki oraz transmisji danych są sensory. Ich przykładowym zastosowaniem w tych branżach jest pomiar stężenia różnych gazów.

W kopalniach używa się na przykład czujników, które mierzą stężenie metanu. W branży paliwowej natomiast ważnym zadaniem jest m.in. detekcja wycieków gazu ziemnego. Na różnych etapach wydobycia i dystrybucji tego paliwa może bowiem dojść do jego niekontrolowanego wypływu. Stanowi to nie tylko zagrożenie dla bezpieczeństwa personelu, ale jest również źródłem strat surowca, co przekłada się na mniejszą wydajność produkcji, a w efekcie mniejszy zysk.

Nieszczelności występują przeważnie w miejscach połączeń elementów urządzeń, przykładowo pomp i zaworów, i na złączach rurociągów. Przyczynia się do tego wiele czynników, na zewnątrz i wewnątrz, na przykład wahania ciśnienia, temperatury i naprężenia mechaniczne. Dochodzi do nich również w wyniku niedopasowania złączonych elementów oraz uszkodzenia albo zużycia się uszczelnień.

Do wykrywania wycieków gazu używa się różnych czujników, stacjonarnych i przenośnych. Działają one w oparciu o różne metody pomiarowe. W detektorach gazu mierzy się na przykład ładunek powstały w wyniku jonizacji gazu lub wykorzystuje się zjawisko absorpcji przez niego promieniowania o określonej długości fali. Używa się również czujników, które mierzą sygnał akustyczny, który jest emitowany w momencie, gdy gaz o większym ciśnieniu wycieka na zewnątrz, gdzie panuje niższe ciśnienie.

PO CZYM POZNAĆ BEZPIECZNY SPRZĘT?

W przypadku pyłu węglowego powinno się w tym celu m.in. stosować techniki urabiania węgla, które powodują jak najmniejsze zapylenie, usuwać go, na przykład zmywając wodą i pozbawiać go lotności, przykładowo przez zraszanie wodą. Jeżeli powstawania mieszanki wybuchowej nie można wykluczyć ani nie da się całkiem zlikwidować źródeł zapłonu, należy zrobić wszystko, co możliwe, aby ewentualna eksplozja wyrządziła jak najmniejszą szkodę ludziom i mieniu znajdującemu się w jej najbliższym otoczeniu.

Podstawowym zabezpieczeniem jest odpowiednie wyposażenie, czyli urządzenia elektryczne oraz mechaniczne, których konstrukcja przystosowana jest do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. Wymagania, jakie powinno ono spełniać, opisane są w dyrektywie ATEX 94/9/WE oraz w normach, które są z nią zharmonizowane. Przykłady to zbiory norm PN-EN 60079 Atmosfery wybuchowe i PN-EN 13463 Urządzenia nieelektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.

Przy zakupie powinno się sugerować oznakowaniem sprzętu. Najważniejsze informacje to: grupa, kategoria, rodzaj ochrony przeciwwybuchowej, grupa wybuchowości, klasa temperaturowa albo maksymalna temperatura powierzchni. W podziale na grupy kryterium jest miejsce użycia.

Wyróżnia się dwie grupy: I i II. Do pierwszej zaliczane są urządzenia, które można wykorzystywać w górnictwie, tam gdzie występuje zagrożenie wybuchem metanu lub pyłu węglowego. Te należące do grupy II mogą być natomiast używane w atmosferach wybuchowych, ale poza górnictwem.

Zdalne sterowanie w kopalniach - przykład systemu

System Sterowania Radiowego Maszynami Górniczymi ESSRK-1001 firmy Elsta Elektronika służy do sterowania kombajnami ścianowymi, kombajnami chodnikowymi, obudowami hydraulicznymi, tamami wentylacyjnymi, zwrotnicami i kolejkami spągowymi. Główne jego elementy to: odbiornik sterowania radiowego, instalowany w maszynie, który służy do odbioru poleceń przesłanych przez pilota zdalnego sterowania, pilot sterowania radiowego używany przez operatora maszyny, bateria iskrobezpieczna zasilająca piloty, pilot kablowy, adapter (urządzenie pomocnicze do podłączania pilota radiowego w trybie kablowym), ładowarka, stacja bazowa i wzmacniacz linii.

Odbiornik zabudowuje się na zewnątrz skrzyni aparaturowej maszyny. Jego zadaniem jest odbiór sygnałów sterujących i przekształcanie ich na cyfrowe dane w formacie rozumianym przez sterownik kombajnu. Częścią odbiornika jest tor radiowy z kanałami w paśmie 433 MHz. Urządzenie jest zasilane z iskrobezpiecznego zasilacza zainstalowanego na kombajnie.

Ze stacji bazowej i wzmacniacza linii korzysta się, by rozszerzyć zasięg radiowy systemu. Stacja bazowa zasila linię przewodu promieniującego zakończonego anteną radiową lub bezpośrednio antenę radiową umieszczaną w środku odcinka objętego zdalnym sterowaniem. Stację bazową wyposaża się w separator zasilania, moduł nadawczy i wzmacniacz mocy.

Wzmacniacz linii jest urządzeniem aktywnym, które jest zasilane bezpośrednio z linii przewodu promieniującego. Zawiera stopień wzmacniający służący do regeneracji sygnału radiowego.

Za pomocą pilota można równocześnie przesyłać dowolną liczbę poleceń ciągłych lub chwilowych, bez ich weryfikacji. Kontrola uprawnień operatora i analiza priorytetu poleceń jest przeprowadzana w odbiorniku. Pilot może pracować w trybie radiowym lub kablowym, za pośrednictwem adaptera. W drugim przypadku zasilany jest z iskrobezpiecznego zasilacza w kombajnie. Pełni on wówczas funkcję lokalnego pulpitu, na przykład w razie awarii toru radiowego nadajnika, odbiornika albo rozładowania baterii.