In ons artikel Inzet van bestaande meettechnieken in waterstof gasnetten bespraken we de eigenschappen van waterstof, de geschiktheid van verschillende sensortechnologieën en de explosiebeveiliging van de apparaten bij toepassing in aardgas-waterstofmengsels. In dit artikel willen we voortbouwen op de explosiebeveiliging van apparaten en dit onderwerp verdiepen vanwege de actualiteit ervan.
Elk gasmeetapparaat of gaswaarschuwingsapparaat dat bedoeld is voor gebruik in potentieel explosieve atmosferen volgens de ATEX-richtlijn en dienovereenkomstig gecertificeerd is, heeft een eigen markering die zichtbaar is op het apparaat. Het bevat diverse informatie over de explosiebeveiliging. Met behulp van de markering van ons gasmeet- en gaswaarschuwingsapparaat OLLI willen we verduidelijken wat erachter zit.
Explosiegroep
De explosiegroep is een onderdeel van de markering. Gassen en gasmengsels zijn onderverdeeld in drie groepen.
- IIA: Hieronder vallen gassen zoals methaan, ethaan, propaan etc.
- IIB: Hieronder vallen ethyleen, koolwaterstof en gasmengsels zoals stadsgas, dat tot 60 Vol.% waterstof kan bevatten
- IIC: Hieronder valt bijv. pure waterstof
De hogere explosiegroep omvat de daaronder vallende explosiegroepen, d.w.z. groep IIB omvat IIA.
Standaard spleetbreedte en minimale ontstekingsenergie
Tegen de achtergrond van de afgesproken klimaatbeschermingsdoelen wordt in Duitsland steeds meer waterstof aan bestaande aardgasnetten toegevoegd. In het begin was er <10 % bijmenging, bij de huidige versie van het DVGW werkblad G 260 (gaskwaliteit) is tot 20 % mogelijk na individueel onderzoek en inmiddels zijn er al eerste (test)netwerken of onderzoeksprojecten met 30 % bijmenging. Daarom rijst de vraag in welke explosiegroep deze aardgas-waterstofmengsels moeten worden ingedeeld en welke criteria hiervoor worden gehanteerd.
Op het gebied van elektrische explosiebeveiliging (men kan ook spreken van ontstekingsbeveiliging) wordt de bepaling gedaan via de zogenaamde standaard spleetbreedte en minimale ontstekingsenergie (MOE).
- De ontvlambaarheid van een gasmengsel wordt bepaald aan de hand van een standaard gedefinieerde spleetbreedte. De maximale experimentele veilige opening (MESG – Maximum Experimental Safe Gap), is de spleetbreedte, waarbij ontsteking van het mengsel na het verlaten van de spleet niet meer mogelijk is. Deze wordt bepaald in een gestandaardiseerde procedure voor verschillende gasmengsels.
- De minimale ontstekingsenergie is de minimale waarde van de elektrische energie die een gasmengsel in de meest ontvlambare samenstelling nog net ontsteekt. Hiervoor wordt de ontvlambaarheid van gassen bepaald met behulp van stroomkring volgens een gestandaardiseerde procedure. De bepaalde minimale ontstekingsstroom gerelateerd aan de minimale ontstekingsstroom van methaan resulteert in de minimale ontstekingsenergie (MIC – Minimum Ignition Current).
Maximale spleetbreedte en minimale ontstekingsstroom
Bij het indelen van gasmengsels in bovengenoemde explosiegroepen kunnen de spleetbreedtegrenzen en de minimale ontstekingsstroom als equivalent worden beschouwd. Er is een functionele relatie tussen de twee grootheden waardoor ze gecombineerd kunnen worden. Hierover heeft de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) een rapport uitgebracht waarin de volgende grafiek is weergegeven.
Dit betekent dat zowel de standaard- of maximale spleetbreedte als de minimale ontstekingsenergie of de minimale ontstekingsstroom kunnen worden gebruikt om gasmengsels in explosiegroepen in te delen.
Voor de volledigheid willen we ook de relatie tussen deze drie grootheden laten zien.
Onderzoeksproject naar waterstof in het bestaande aardgasnet uit 2015
We gaan terug naar het toenemende aandeel waterstof in het bestaande aardgasnet. De Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) voerde in 2015 in samenwerking met DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH en met financiële steun van BG ETEM een onderzoeksproject over dit onderwerp uit en publiceerde in 2016 een eindrapport. Het rapport Sicherheitstechnische Eigenschaften von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen (Veiligheidsgerelateerde eigenschappen van aardgas-waterstofmengsels) is te downloaden op de website van BG ETEM.
In het kader van dit project is onderzocht in hoeverre de toevoeging van 10 Vol.% waterstof aan aardgas al invloed heeft op de standaard spleetbreedte (Duits: NSW) en daarmee de explosiegroep van het aardgas-waterstofmengsel. Hierbij zijn geen noemenswaardige verschillen gevonden, waardoor de indeling in de laagste explosiegroep IIA blijft gelden. Bij de PTB is de NSW (standaard spleetwijdte) van waterstof-methaanmengsels onderzocht met een apparaat met dezelfde constructie en dit is ter beschikking gesteld van BAM voor het onderzoeksproject. In beide gevallen (aardgas & methaan) werd explosiegroep IIB pas bereikt wanneer ongeveer 30 % waterstof werd toegevoegd. De testen zijn uitgevoerd met verschillende verhoudingen waterstof tot aan 100 % met zowel aardgas als methaan. De resultaten zijn te zien in de twee grafieken.
Op basis van deze resultaten kan worden gesteld dat explosiegroep IIC pas wordt bereikt bij een toevoeging van ongeveer tweemaal de hoeveelheid waterstof aan het aardgas dan gepland bij 30 % toevoeging (dus vanaf ongeveer 60 Vol.- %).
Type ontstekingsbescherming
Naast de explosiegroep is het type beveiliging een ander onderdeel van de markering van gasmeet- en gaswaarschuwingsapparatuur. Er zijn verschillende soorten ontstekingsbeveiliging, zoals:
- Apparaatbescherming door drukvaste behuizing “d”
- Apparaatbeveiliging door inwendige overdruk “p”
- Apparaatbescherming door verhoogde veiligheid “e”
- Apparaatbeveiliging door intrinsieke veiligheid “i”
- Enz.
De eisen die aan apparaten met het betreffende type bescherming worden gesteld, zijn allemaal beschreven in de norm DIN EN 60079. Aan de hand van onze OLLI, willen we de twee soorten bescherming drukvaste behuizing “d” en intrinsieke veiligheid “i” uitleggen.
Drukvaste behuizing
Bij het drukvaste behuizing “d” wordt de hierboven uiteengezette standaard spleetbreedte gebruikt. De sensoren die in gasdetectie- en waarschuwingsapparaten zijn ingebouwd, hebben allemaal hun eigen ontstekingsbescherming en daarmee hun markering, die onafhankelijk is of kan zijn van het type bescherming van het meetinstrument. De sensoren die in de OLLI worden gebruikt, zijn ofwel drukvast ingekapseld of intrinsiek veilig.
Intrinsieke veiligheid
Een belangrijk criterium voor het beoordelen van de intrinsieke veiligheid “i” van een gasmeet- en waarschuwingsapparaat is de minimale ontstekingsenergie, die ook al eerder aan de orde kwam. Het gaat er hierbij om, dat de energieopslagonderdelen in het apparaat (bijv. capaciteiten, inductoren) bepaalde grenswaarden niet mogen overschrijden. Doordat bij toevoeging van waterstof aan aardgas de minimale ontstekingsenergie lager is dan bij normaal aardgas, nemen de eisen die aan het toestel met een hogere beschermingsklasse of explosiegroep (IIA, IIB of IIC) worden gesteld, toe. Ook stijgen de eisen aan de elektrostatische eigenschappen van het behuizingsoppervlak van de meetinrichting.
Vanwege de vergelijkbaarheid van de maximale spleetbreedte en minimale ontstekingsenergie of minimale ontstekingsstroom met betrekking tot de indeling van aardgas-waterstofmengsels in de aan het begin genoemde explosiegroepen, kan hier ook worden gesteld dat meetapparatuur met een IIB certificering met een geplande toevoeging van 30 % waterstof met het aardgas mag worden gebruikt.
Houd er rekening mee dat we met deze informatie ondersteuning willen bieden bij het beoordelen van een geschikt gaswaarschuwingsapparaat. Uiteindelijk moet de operator als onderdeel van zijn risicobeoordeling beoordelen welke gevaren voor lijf en leden te verwachten zijn en dienovereenkomstig geschikte hulpmiddelen selecteren.
Neem voor meer informatie of advies contact met ons op.