Minimales Ausfallrisiko

Abb. 1 Mit den Polytron-Sensoren von Dräger lassen sich über dreihundert Gase und Dämpfe detektieren. Links: Infrarot-Transmitter Polytron 2 IR zur Detektion brennbarer Gase, zugelassen nach Atex II G 2, EEx d [ia] IIC T5

Abb. 2 In Verbindung mit ihren vielseitigen Einsatzmöglichkeiten und der flexiblen Parametrierung der Anzeige- und Schaltfunktionen des Regard-Controller-Systems bilden sie die Basis für eine zuverlässig arbeitende Gaswarnanlage. Rechts: Polytron 2 mit elektrochemischem HCl-Sensor und Spritzwasserschutz: Zweidraht-Transmitter zur Detektion von HCl im Bereich 0 bis 20 ppm, explosionsgeschützt gemäß EEx ia IIC T4/T6

Überall dort, wo brennbare und/oder toxische Substanzen gelagert, abgefüllt, verarbeitet oder transportiert werden, ist das Gefährdungspotential bekanntermaßen besonders hoch. Die richtige Planung und Auslegung von Gaswarnanlagen kann die Risiken für Mensch und Natur aber deutlich reduzieren.

Beispielsweise können im Bereich der chemischen Industrie unbeabsichtigte Freisetzungen von unter Druck stehenden Gasen, Leckagen an Rohrleitungen, das Austreten brennbarer Flüssigkeitsdämpfe durch schadhafte Ventile oder schlecht dichtende Verschlüsse zu gefahrvollen Zuständen führen, die

? im Falle von brennbaren Substanzen durch Zündung und Explosion erhebliche Anlagenschäden, meist verbunden mit Folgebränden und Personenschäden,

? im Falle von toxischen Substanzen eine erhebliche Gesundheitsgefährdung des Menschen, meist verbunden mit schwer einzuschätzenden gesundheitlichen Spätfolgen auch mit Todesfolge, also schwerste Personenschäden

mit sich bringen.

Sofern sie richtig geplant und eingesetzt, regelmäßig gewartet und auf Funktionsfähigkeit überprüft werden, sind unter anderem auch Gaswarnanlagen geeignet, um die Risiken im Umgang mit Gasen und Dämpfen möglichst gering zu halten (Abb. 1).

Zum Schutz von Mensch und Anlagen hat der Gesetzgeber Gesetze und Rechtsverordnungen erlassen, zu deren Ausgestaltung der zuständige Bundesminister nach gewissen Kriterien zusammengesetzte Fachgremien und Ausschüsse einberuft. Diese Arbeitskreise haben eine umfassende Sammlung von Technischen Regeln erarbeitet, die vom zuständigen Bundesminister bekannt gemacht werden und den Charakter von rechtsverbindlichen Ausführungsbestimmungen haben. Sowohl Anlagenplaner und Sicherheitsingenieure als auch die Sachverständigen, die mit der sicherheitstechnischen Abnahme von sog. überwachungsbedürftigen Anlagen beauftragt sind, haben solche Technischen Regeln zu beachten.

In gleicher Weise sind aber auch die Unfallverhütungsvorschriften der Unfallversicherungsträger (z. B. Berufsgenossenschaften und Gemeindeunfallversicherungen) verbindlich, hierzu verpflichtet das siebente Sozialgesetzbuch. Die Berufsgenossenschaften haben zahlreiche Richtlinien, Sicherheitsregeln und Merkblätter herausgegeben, von denen im Zusammenhang mit der Detektion brennbarer Gase und Dämpfe insbesondere das neu überarbeitete Merkblatt T 023 eine echte Hilfestellung für den Anlagenplaner sein kann.

Sowohl die Explosionsschutz-Regeln (Ex-RL) als auch das Merkblatt T 023 fordern, dass Gaswarnanlagen, die für den sog. vorbeugenden (primären) Explosionsschutz eingesetzt werden, gewisse Sicherheitskriterien erfüllen müssen, die durch anerkannte Prüfstellen geprüft und bescheinigt werden. Richtig eingesetzt, verhindern solche Geräte aktiv, dass eine explosionsfähige Atmosphäre überhaupt entstehen kann: Sie schalten beim Überschreiten einer gewissen vorgegebenen Gaskonzentration (z. B. 10% der unteren Explosionsgrenze, UEG) eine effektive Gegenmaßnahme. Nur wenn diese Maßnahme sich als nicht ausreichend erweist und die Gaskonzentration im überwachten Bereich trotz dieser Maßnahme weiter ansteigt, wird beim Überschreiten einer zweiten Alarmschwelle (z. B. 30% UEG) eine Zwangsmaßnahme geschaltet, indem sämtliche potentiellen Zündquellen (z. B. elektrische Betriebsmittel) abgeschaltet werden.

Schon zum Zeitpunkt der Planung müssen konkrete Aussagen über die erforderlichen, durch die Gaswarnanlage auszulösenden Gegenmaßnahmen vorliegen. Das Abschalten von elektrischen Betriebsmitteln, Schließen von Gasventilen und Einschalten einer effektiven Lüftung ist genauso üblich wie das Spülen von Rohrleitungen, die Kühlung heißer Oberflächen oder die Aktivierung von Wasserschleiern. Weiterhin müssen solche Aktionen von organisatorischen Maßnahmen begleitet sein, die in Form von Alarmplänen festgeschrieben sind. Beispielsweise kann beim Freiwerden toxischer Gase im Falle eines Hauptalarms der Einsatz von Atemschutzgerät und die Räumung des Gefahrenbereiches ebenso vorgeschrieben sein wie die Verwendung von tragbaren Gaswarngeräten beim Wiederbetreten des nach Gasausbruch geräumten Bereiches. Im Allgemeinen also stören Gasalarme den reibungslosen betrieblichen Ablauf, sie sollten deshalb möglichst selten auftreten. Schon der Voralarm sollte derartig effektive Konsequenzen haben, dass der betrieblich störende Hauptalarm möglichst gar nicht aktiviert wird. Auch die Gaswarnanlage muss zuverlässig und hoch verfügbar sein, denn einerseits können im Alarmfall echte Gasalarme von fehlerhaften Gasalarmen zunächst nicht unterschieden werden, andererseits führt ein auch nur kurzzeitiger Ausfall meistens zur gleichen Konsequenz wie der Hauptalarm.

Jedem Planer von Gaswarnanlagen stellen sich zunächst die folgenden drei Kernfragen:

? Gase:Mit welcher Zielsetzung sollen welche Gase überwacht werden, wo werden sie vermutlich in welchen Konzentrationen und Mengen freigesetzt und wie oft?

? Gassensoren:Welches Sensorprinzip ist geeignet, wie viele Sensoren werden benötigt, wo und wie müssen sie platziert und wie kalibriert werden?

? Gaswarnanlage:Welche Alarmschwellen sind sinnvoll und wie muss die Alarminformation weiterverarbeitet werden?

Die Beantwortung der ersten Kernfrage umreißt die aktuelle Aufgabenstellung, sie verschafft Klarheit über die Betriebsbedingungen und den vorgesehenen Zweck, d. h. darüber, ob toxische oder durch Sauerstoffmangel erstickend wirkende Gase zum Schutz des Menschen oder aber brennbare Gase oder Dämpfe zum Schutz vor Explosionen (Brandschutz) detektiert werden sollen.

Im Wesentlichen haben sich drei Messverfahren im industriellen Einsatz über viele Jahre besonders bewährt (siehe nebenstehende Kurzdarstellungen): Einerseits das elektrochemische Messprinzip, das insbesondere zur Detektion von toxischen Gasen im unteren ppm-Bereich geeignet ist, andererseits das Wärmetönungs- und das Infrarotmessprinzip, die beide geeignet sind, um brennbare Substanzen in Konzentrationen bis zur UEG zu detektieren. Da jedes Messprinzip je nach vorgesehener Anwendung seine Vor- und Nachteile haben kann, wird wohl der Hersteller, unterstützt durch sein Applikationslabor, die zuverlässigsten Aussagen über deren Eignung für die aktuelle Aufgabenstellung machen können.

Weiterhin enthält die zweite Kernfrage wohl eine der am häufigsten gestellten Fragen überhaupt: „Wie viel Quadratmeter können mit einem Sensor überwacht werden und wie muss er positioniert werden?“ Leider geben die oben angeführten Technischen Regeln hierzu keine konkrete Antwort, denn zu sehr hängt sie von den individuellen Gegebenheiten und der Aufgabenstellung ab.

Man unterscheidet drei grundlegende Anordnungsstrategien, wobei natürlich auch Kompromisse und fließende Übergänge zwischen diesen Strategien denkbar sind:

? Punktüberwachung: Die potentiellen Leckagequellen (z. B. Ventile, Abfüllstutzen, Flansche, Balgen) sind bekannt und lokalisierbar. Daher können die Sensoren so positioniert werden, dass Gasleckagen schon sehr frühzeitig und zuverlässig detektiert werden (spot monitoring).

? Flächenüberwachung: Die potentiellen Leckagequellen sind nicht lokalisierbar, sie liegen aber irgendwo innerhalb eines definierten Bereiches. Die Sensoren müssen daher über den gesamten Bereich verteilt werden (area monitoring).

? Randbereichsüberwachung: Die potentiellen Leckagequellen sind nicht lokalisierbar, daher wird die Außengrenze der Anlage überwacht (fence monitoring), um den Übertritt gefährlicher Gaskonzentrationen in angrenzende ungesicherte Bereiche zu erkennen.

Hier wird auch eine Abstufung des Sicherheitskonzepts deutlich. Während die Punktüberwachung noch einen sehr gezielten Einsatz weniger Gassensoren zulässt, ist die Flächenüberwachung nur mit einer großen Anzahl von Sensoren realisierbar. Sie wird beispielsweise bei der Überwachung von gelagerten brennbaren Flüssigkeiten durchgeführt, wobei die Sensoren rasterartig über die gesamte Fläche verteilt sind. Der Überwachungsbereich eines Sensors liegt in dieser Anwendung zwischen 50 bis 100 m2, in Lösemittellagern hat sich eine Kreisfläche von ca. 10 m Durchmesser (Fläche 75 m2) als ein sinnvoller Kompromiss durchgesetzt.

Oftmals aber wird die Flächenüberwachung bei der Anlagenplanung nur deshalb favorisiert, weil zum Zeitpunkt der Planung die potentiellen Leckagequellen noch völlig unbekannt sind. Dieses ist zweifellos die kostspieligste und auch wartungsintensivste Lösung, die sich später in vielen Fällen als nicht einmal notwendig herausstellt. Ein Anlagenplaner kann die Gaswarnanlage also um so kostengünstiger auslegen, je genauer er die Orte der potentiellen Gasfreisetzung kennt. Aus sicherheitstechnischer Sicht ist die Randbereichsüberwachung die Methode der Gasdetektion, die eher einen informativen Charakter hat, denn gezielte Gegenmaßnahmen sind im Alarmfall kaum möglich.

Gegenmaßnahmen können nämlich nur dann effektiv ausgeführt werden, wenn eine möglichst gute Ort-Zeit-Information über die Leckage vorliegt. Diese ist im Fall der Flächenüberwachung deutlich schlechter. Bei der Randbereichsüberwachung sind Aussagen über Ort und Zeit der Gasleckage schon gar nicht mehr möglich. Letzteres trifft insbesondere dann zu, wenn Open-Path-Systeme, d. h. Lichtschranken, die ein durch ein Gas hervorgerufenes Gefährdungspotential detektieren, für die Randbereichsüberwachung eingesetzt werden.

Bei der Positionierung eines Gas-Sensors sind gewisse Grundregeln zu beachten. Die Dämpfe brennbarer Flüssigkeiten sind immer schwerer als Luft. Sie fließen im Bodenbereich. Sensoren sind daher sehr niedrig – aber für Kalibrierzwecke zugänglich – über dem Boden anzubringen. Nur drei brennbare Gase gibt es, die deutlich leichter sind als Luft, nämlich Methan, Ammoniak, Wasserstoff. Wenn nicht tiefkalt, steigen sie auf, sammeln sich im Deckenbereich und bilden dort Gasnester. Im Freien sind Leckagen dieser drei Gase weniger problematisch. Toxische Gase, die zwar schwerer als Luft sind, jedoch nur in geringen Konzentrationen in Luft vorhanden sind (z. B. kleiner 1 Vol-%), sollten in Kopfhöhe (Atmungsbereich) detektiert werden, denn ihre Ausbreitung ist im Wesentlichen durch Konvektion und Thermik bestimmt.

Gibt es eine bevorzugte definierte Luftströmung oder eine durch geeignete Leitbleche erzwungene Luftströmung, so muss sich der Sensor auf der Anströmseite befinden. Wird die Überwachung in Abluftrohren vorgenommen, müssen Verdünnung und Alarmverzögerung berücksichtigt werden. Bei der Detektion brennbarer Gase/Dämpfe muss der Sensor zwischen Leckage und Zündquelle angeordnet sein. Auch müssen die Reaktionszeit und die Zeit bis zum Wirksamwerden der vorgesehenen Gegenmaßnahme (z. B. Anlaufzeit der Zusatzlüftung) im Sicherheitskonzept berücksichtigt werden. Über maximal zu erwartende Quellstärken und Luftwechselzahl lässt sich das entstehende zündfähige Volumen zumindest abschätzen (IEC 79-10: 1995), wobei allerdings Strömungshindernisse nur unzureichend berücksichtigt werden können.

Wenn sich – aus welchen Gründen auch immer – ein Sensor nicht direkt im Bereich der potentiellen Leckagequelle positionieren lässt, so kann man auch kontinuierlich ansaugen und die Gasprobe am Sensor vorbeiführen. Diese Methode ist jedoch aufwendig. Nicht nur, dass die Ansaugung mit einem Durchflusswächter überwacht werden muss, auch eventuelle Adsorption des Gases in der Rohrleitung und Kondensat durch Temperaturgefälle muss berücksichtigt werden. Im ungünstigsten Fall muss eine komplette Gasaufbereitung erfolgen, die gegebenenfalls auch explosionsgeschützt auszulegen ist. Natürlich wird durch die Ansaugung auch die Reaktionszeit des Gaswarnsystems verlängert.

Gaswarngeräte sind wie nahezu alle Messgeräte relativ messende Geräte: Sie messen eine Gaskonzentration und vergleichen diese mit einer bekannten Gaskonzentration, die aber natürlich nicht aktuell vorliegt, sondern als Geräteeinstellung (Nullpunkt und Empfindlichkeit) mit der letzten Kalibrierung festgeschrieben wurde. Die Messqualität wird also immer wesentlich dadurch bestimmt, wie die letzte Kalibrierung ausgeführt wurde und – falls die Messqualität einer Alterung unterworfen ist – wann sie durchgeführt wurde.

Die präzise ausgeführte Kalibrierung ist demnach eine grundsätzliche Voraussetzung für ein zuverlässiges Messergebnis. Ein noch so exakt messendes Gerät kann sehr falsche Werte liefern, wenn die Kalibrierung unzureichend durchgeführt wurde. Gerade die Kalibrierung mit Prüfgasen sehr niedriger Konzentration des Zielgases (z. B. 1 ppm Chlor in Stickstoff) setzt Sachkenntnis voraus und ist oftmals vor Ort gar nicht durchführbar. Wie gut, wenn es dann bereits auf toxische Gase vorkalibrierte elektrochemische Sensoren gibt, die nur noch in den Transmitter eingesteckt werden müssen (Abb. 2). Die Kalibrierung von Wärmetönungssensoren sollte vorzugsweise mit dem Gas vorgenommen werden, das auch betriebsmäßig detektiert werden soll. Handelt es sich dabei um Dämpfe brennbarer Flüssigkeiten, so kann man in einer kleinen Kalibrierkammer direkt vor Ort Konzentrationen von z. B. 50% UEG Cyclohexan erzeugen. Obwohl die Kalibrierung mit dem Zielgas am zuverlässigsten ist, hat sich auch die Verwendung von einmal ermittelten Kalibrierfaktoren durchgesetzt. Diese Methode kann allerdings beim Wärmetönungssensor mit einem Fehler behaftet sein, der sicherheitstechnisch betrachtet schon bedenkliche Ausmaße annehmen kann. Die Faktoren oder Ersatzkalibrierwerte werden ja im Allgemeinen nur mit fabrikfrischen Sensoren ermittelt. Nur durch Begasen mit dem Zielgas lässt sich die Veränderung solcher Faktoren mit zunehmendem Sensoralter erkennen.

Ein Infrarot-Sensor hat diesen Nachteil übrigens nicht; darüber hinaus lässt er sich vorzugsweise gerade dort einsetzen, wo betrieblich bedingt ständig Sensorgifte vorhanden sind. Gasförmige Schwefel-, Silizium- oder Bleiverbindungen wie auch halogenierte oder korrosive Gase (Chlorwasserstoff, Stickoxide) können die Messempfindlichkeit eines Wärmetönungssensors erheblich herabsetzen.

Jedes Messgerät weist einen gewissen Messfehler auf, der vom Hersteller durch die Standardabweichung oder Wiederholbarkeit charakterisiert wird. Auch für Gaswarngeräte lässt sich eine Wahrscheinlichkeit dafür angeben, dass ein Messwert innerhalb vorgegebener Grenzen um den wahren Wert streut. Betrachtet man zusätzlich noch die Umgebungsparameter Temperatur, Druck, Feuchte und Strömungsgeschwindigkeit, so kann sich die statistische Streuung des Nullpunktes mit der Streuung einer zu niedrig eingestellten Alarmkonzentration sogar überlappen. Hierdurch treten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Fehlalarme auf. Fehlalarme werden in der Sicherheitstechnik als sehr gefährlich eingestuft, da ihr häufiges Auftreten zur Ignoranz führt, die im tatsächlichen Alarmfall schwere Anlagenschäden verursachen kann. Mit anderen Worten: Durch Herabsetzen der Alarmschwelle unter eine gewisse Grenze lässt sich keine höhere Anlagensicherheit erzwingen.

Zu niedrig eingestellte Alarmschwellen sind erfahrungsgemäß immer wieder die Ursache für die Unzufriedenheit der Betreiber von Gaswarnanlagen. Die Frage, wie niedrig eine Alarmschwelle eingestellt werden darf, lässt sich nur anhand der Sensordaten und den individuellen Betriebsbedingungen rechnerisch abschätzen: Die niedrigste Alarmschwelle sollte das Sechsfache der Nullpunktstandardabweichung unter Betriebsbedingungen nicht unterschreiten.

Je nach Zielgas, eingesetzter Sensortechnologie und Anwendungsfall kann die minimal sinnvolle Alarmschwelle durch die betriebsmäßig vorliegenden Gaskonzentrationen oder durch die Geräte- und Sensoreigenschaften vorgegeben sein. Sollten die arbeitshygienisch oder sicherheitstechnisch wünschenswerten Alarmschwellen allerdings niedriger liegen, so wären diese nur mit erheblichem betrieblichem oder gerätetechnischem Aufwand erreichbar. Hier muss in der Planungsphase ein von allen Beteiligten akzeptierter Kompromiss erarbeitet werden. Es ist außerordentlich wichtig, die Alarmschwellen dem vereinbarten Kompromiss anzupassen. Häufige Alarme stören den betrieblichen Ablauf und verursachen unnötige Kosten.

Auch wenn oftmals mehr verlangt wird, in der Gasmesstechnik haben sich über Jahrzehnte zwei Alarmschwellen als ausreichend erwiesen: Der Voralarm fordert die Reaktion, sei es automatisch und/oder in Form von Alarmanweisungen (Alarmplan), andernfalls wird möglicherweise der Hauptalarm ausgelöst. Dieser ist konsequenzbehaftet bis hin zur Abschaltung von Maschinen und Räumung des Anlagenbereichs. Ein Hauptalarm sollte selten oder besser niemals erreicht werden.

Genauso wichtig sind Störungsmeldungen: Ein gestörter Sensor ist gar kein Sensor. Hier muss unverzüglich ein Sensorwechsel durchgeführt oder die Controller-Karte in der Zentrale getauscht werden. Je nach Anwendung ist also auch eine Ersatzteilbevorratung zu empfehlen. Häufigeren Netzausfällen begegnet man durch Netzersatzanlagen. Zwar wird ein Netzausfall durch die Ruhestromrelais erkannt, doch ist eine ausgefallene Gaswarnanlage eben keine Gaswarnanlage, und daher werden vorsichtshalber beim Ausfall die gleichen Maßnahmen aktiviert, die im Falle des Vorhandenseins von Gas erforderlich wären.

E cav 285

Dr. Wolfgang Jessel