Detektor wodoru (H2)

Detektor wodoru to urządzenie wykrywające i mierzące wodór (H2) będące częścią systemu detekcji gazów lub samodzielnym czujnikiem. Zadaniem czujników wodru jest ochrona obiektu przed nagromadzeniem się gazu w ilości wystarczającej do powstania wybuchu (obiektowe detektory wodoru) oraz dodatkowo dla obiektów z instalacjami wodorowymi wczesne wykrywanie wycieków wodoru (detektory wycieków wodoru).

Charakterystyka wodoru

Wodór jest gazem bezwonnym, bezbarwnym i bardzo lekkim. Współczynnik gazu w stosunku do powietrza to 0,07. Jednocześnie wodór jest gazem palnym oraz posiada szerokie granice wybuchowości. Dolna Granica Wybuchowości (DGW) to już 4% objętościowo z kolei Górna Granica Wybuchowości (GGW) to aż 77% objętościowo zgodnie z normą PN-EN-60079-20-1 2010P. Klasa temperaturowa T1 kategoria IIC. Tym samym detektor wodoru montowany w strefie zagrożenia wybuchem musi posiadać odpowiednie certyfikaty dla danej strefy.

Wodór posiada właściwości, które w określonych warunkach mogą powodować uszkodzenia metali (zjawisko kruchości wodorowej). W większości przypadków nie może on być nawaniany jak to ma miejsce dla paliw gazowych ponieważ cząsteczki wodoru są mniejsze niż cząsteczki substancji nawaniającej i mogą przedostawać się przez szczeliny zby małe dla nawaniacza. Dodatkowo substancje nawaniające powodują zanieczyszczenia w instalacjach wodorowych, których niektóre technologie nie mogą tolerować.

Czujnik wodoru - budowa

Typowe czujniki wodoru zbudowane są z elementu pomiarowego (sensora) najczęściej z jakimś układem elektroniki jeżeli jest to sensor wymienny. Dodatkowo detektor posiada układ elektroniki odpowiadający za zasilanie oraz przetworzenie/wzmocnienie sygnału pomiarowego tak aby mógł on być przesłany do odbiornika (np. centrali systemu). Dodatkowo niektóre detektory mogą być wyposażane w dodatkowe wyjścia sterujące, wyświetlacze, sygnalizacją optyczną i/lub akustyczną. W przypadku urządzeń montowanych w strefach zagrożenia wybuchem wymagana jest konstrukcja przeciwwybuchowa dla grupy IIB + H2 lub IIC zgodnie z dyrektywą ATEX (wraz z dalszymi wymogami w zależności m.in. od kategorii strefy).

Dostępne są samodzielne czujniki wodoru (nie wymagające centrali) jak i systemy scentralizowane z komunikacją analogową lub cyfrową.

Czujnik wodoru – bepieczeństwo

System detekcji wodoru jest jedną z ważniejszych instalacji ochronnych obiektu i osoba projektująca musi mieć pewność odpowiednich reakcji systemu jak i bezpieczeństwa użytkownika. Jednym z rozwiązań jest wybór detektorów wodoru z certyfikacją SIL (ang. Safety Integrity Level – stopień bezpieczeństwa integralnego). Dla systemów detekcji typowy poziom to SIL2.

Detektor wodoru - zakres pomiarowy

Zakres pomiarowy to zwykle 0-100% DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości). Progi alarmowe powinny być ustawione na odpowiednich poziomach, aby stężenie gazu nie osiągnęło wartości mogących stanowić zagrożenie. Systemy PolyGard2 drugiej generacji są wyposażone w 4 stopniową skalę alarmową oraz sygnalizację awarii. Dzięki temu użytkownik ma nieporównywalnie większe możliwości płynnego sterowania i reakcji na bieżącą sytuację w stosunku do starych detektorów 2-progowych. Detektory 2-progowe załączały 1 bieg wentylacji i sygnał ostrzeżenia już na 1 progu co powodowało, że wentylacja jeszcze nie zdążyła prawidłowo zadziałać, a już użytkownik dostawał sygnał ostrzegawczy. Z kolei przy 2 progu np. w pomieszczeniu prostowników aktywowany był jednocześnie alarm, drugi stopień wentylacji i odłączenie ładowania. Dzięki większej ilości progów detektor wodoru może lepiej stopniować funkcje dając czas wentylacji na działanie i użytkownikowi rzeczywiste, prawidłowe komunikaty o zagrożeniu.

Detektor wodoru - technika pomiarowa

W detektorach wodoru H2 o zakresie pomiarowym 0-100% DGW rynek oferuje dwie technologie pomiarowe: półprzewodnikową oraz katalityczną. Technologia półprzewodnikowa jest obarczona wieloma problemami (nieliniowym pomiarem, wrażliwością na zmiany wilgotności oraz substancje zakłócające, oraz brakiem selektywności). Tym samym stosowanie techniki półprzewodnikowej pomiaru gazów na większości obiektów nie jest zalecane. Z kolei technologia katalityczna charakteryzuje się dobrymi parametrami, liniowością pomiaru oraz małą wrażliwością na zmiany warunków zewnętrznych, większą stabilnością w związku z tym katalityczny sensor wodoru jest korzystniejszym rozwiązaniem. Warto też zauważyć, że detektor wodoru wyposażony w katalityczny sensor jest dużo bardziej selektywny niż detektor wodoru z sensorem półprzewodnikowym. Oznacza to, że taki czujnik wodoru będzie mniej reagował na inne substancje niż docelowa.

Typowe zestawienie poziomów alarmowych oraz rekcji zabezpieczających urządzeń wykonawczych. Biorąc pod uwagę wysokie ciśnienia, duże ilości gazu oraz specyfikę zagrożenia czujniki wodoru powinny reagować szybciej niż czujniki innych gazów palnych na typowych instalacjach.

Poziom stężenia gazu (H2)	Rodzaj alarmu	Reakcja urządzeń wykonawczych
0% DGW	brak alarmu
10% DGW	alarm poziom 1	włączenie I biegu wentylacji
15% DGW	alarm poziom 2	włączenie II biegu wentylacji lub układu wymiany powietrza, włączenie optycznego sygnału alarmowego, powiadomienie operatora obiektu
20% DGW	alarm poziom 3	załączenie akustycznego sygnału alarmowego, powiadomienie wyznaczonych pracowników za pomocą SMS
25% DGW	alarm poziom 4	zabezpieczenie procesu, (opcjonalnie) zamknięcie procesu, (opcjonalnie) odłączenie zasilania obiektu

Z kolei dla akumulatorowni schemat alarmowania czujników wodoru jest nieco odmienny tak jak inny jest charakter emisji i możliwe scenariusze. Brak dyspersji, ograniczona ilość gazu oraz powolna emisja powoduje, że zadaniem czujników wodoru jest głównie reakcja w przypadku stanów awaryjnych spowodowanych przekroczeniem ilości lub pojemności ładowanych akumulatorów, nieprawidłowego położenia lub awarii układuy wyciągowego.

Poziom stężenia gazu (H2)	Rodzaj alarmu	Reakcja urządzeń wykonawczych
0% DGW	brak alarmu	wentylacja pracuje na I biegu (podstawowa wydajność)
10% DGW	alarm poziom 1	włączenie II biegu wentylacji (maksymalna wydajność)
20% DGW	alarm poziom 2	włączenie optycznego sygnału alarmowego
30% DGW	alarm poziom 3	odłączenie prostowników (nadal postępuje proces gazowania)
40% DGW	alarm poziom 4	odłączenie zasilania obiektu oraz załączenie akustycznej sygnalizacji alarmowej

Detektory wodoru, któych zadaniem jest wczesne ostrzeganie o wycieku wykorzystują technologię elektrochemiczną. Typowy zakres pomiarowy tych czujników to 0-1000ppm pozwalający na wczesne wykrycie niewielkich nieczelności i powiadomie obsługi aby mogła podjąć odpowiednie działania zanim wodór zacznie się gromadzić i tworzyć zagrożenie. Elektrochemiczne sensory wodoru są nietylko bardzo czułe, ale także stosunkowo selektywne i zapewniają liniową charakterystykę pomiaru. Nie są odporne na przekroczenia zakresu pomiarowego, ale też nie takie jest ich zadanie. Szersze informacje o sensorach gazów znajdują się w zakładce SENSORY GAZÓW.

Typowe lokalizacje detektorów wodoru

Odpowiednie rozmieszczenie czujników wodoru jest podstawą prawidłowo działającego systemu detekcji i może ono być nieco odmienne zależnie od przeznaczenia (czujniki obiektowe czy czujniki wycieków wodoru). Obiektowe czujniki wodoru ochraniające przed nagromadzeniem się gazu są lokalizowane zgodnie z właściwościami tego gazu w miejscach jego gromadzenia się w najwyższych punktach. Typowo do 30 cm od poziomu sufitu (np. wg rekomendacji standardu NFPA 2 2023 Annex L pkt. L.3 (2)). Wyjątkiem od tej reguły są instalacje ciekłego wodoru, który jest schłodzony do ekstremalnie niskiej temperatury. W takim przypadku często stosuje się dodatkowe detekotry wodoru lokalizowane przy podłożu ponieważ ciekły wodór nawet po odparowaniu posiada na tyle niską temperaturę, że opada na podłoże.

Dopiero dalsze ogrzewanie się wodoru powoduje, że zaczyna on się wznosić ku górze. Przez ten czas jednak może tworzyć niebezpieczne stężenie przy podłożu. W przypadku instalacji i urządzeń wodorowych stosuje się dodatkowo detektory wycieku wodoru, które typowo lokalizowane są w miejscach potencjalnych wycieków (np. wg rekomendacji standardu EIGA DOC 215/18 HYCO PLANT GAS LEAK DETECTION AND RESPONSE PRACTICES pkt.6.tab.2).

Dodatkowym czynnikiem dla instalacji wodorowych o wysokich ciśnieniach jest kwestia dyspersji, która może powodować wyrzucenie gazu nawet na kilka metrów od potencjalnego źródła co może mieć istotny wpływ na lokalizację detektorów wodoru.

Należy pamiętać, że zgodnie z przepisami o ochronie przeciwpożarowej lokalizację detektorów określa uprawniony projektant.

Materiały branżowe zawierające szersze informacje o doborze i lokalizacji detektorów wodoru:

Zastosowania detektorów wodoru

Detektory wodoru znajdują szerokie zastosowanie w ochronie różnych obiektów przemysłowych między innymi przemysł chemiczny i petrochemiczny, spożywczy, pomieszczenia ładowania akumulatorów czy generatorów gdzie wodór używany jest jako chłodziwo, laboratoria, a nawet na stacjach kontroli pojazdów i warsztatach zajmujących się pojazdami zasilanymi wodorem. Poniżej można przejść do systemów detekcji dedykowanych dla danego rodzaju obiektów.

Rodzaje detektorów wodoru.