Sistemi di rivelazione basati sulle emissioni sonore in ambiente prodotte da fughe incontrollate di gas naturale

Sistemi di rivelazione delle perdite di gas in stabilimenti industriali

Per garantire la sicurezza e il contenimento delle conseguenze in caso di scenari incidentali, molti stabilimenti industriali sono dotati di diversi sistemi di rilevamento delle perdite di sostanze pericolose, in particolar modo del gas naturale come gli stabilimenti che detengono gas (naturale o di petrolio liquefatto) che, sia per la quantità che per le pressioni in gioco può generare scenari incidentali aventi le conseguenze più gravose.

Nasce quindi l’esigenza di avere impianti che siano in grado di segnalare le perdite da tubazioni, recipienti o più in generale da parti di impianto in tempi molto brevi al fine di permettere la messa in sicurezza della tratta oggetto della perdita attraverso l’azionamento di sistemi di blocco che possano intercettare la sostanza pericolosa.

Un sistema di uso comune è quello installato a protezione delle parti di impianto e basato sul rilevamento della percentuale in volume di gas nella miscela aria-gas in ambiente a causa di una perdita. I sensori sono spesso tarati per soglie di concentrazione relative al limite inferiore di esplosività della sostanza rilevata, LEL, in modo da assicurare l’intervento prima che si raggiungano le condizioni effettivamente pericolose ossia prima che si raggiunga il campo di esplosività della sostanza. Ad esempio, per il gas naturale:

• 15% LEL (soglia di preallarme): al raggiungimento di questa soglia viene generato un pre-allarme con segnalazione ottico/acustica in sala controllo (logica impianto: 1oon con n ≥ 2);
• 30% LEL (soglia di allarme): segnalazione ottico/acustica in sala controllo (logica impianto: 1oon con n ≥ 2);
• 30% LEL (soglia di allarme confermato): segnalazione ottico/acustica in sala controllo e blocco dell’impianto; azione spesso ripristinabile solo dall’operatore dopo aver verificato che l’impianto sia in condizioni di sicurezza (logica impianto: 2oon con n ≥ 2).

Oltre ai sistemi di rivelazione fughe gas legati alla rivelazione della concentrazione di gas in ambiente, negli stabilimenti che detengono gas sta prendendo piede l’installazione di sistemi fonometrici basati sulla rivelazione delle emissioni sonore in ambiente prodotte da fughe di gas incontrollate. Tali sistemi fonometrici, sono infatti definiti anche sistemi di rivelazione delle perdite, “Leak Detection System”, ed hanno la funzione principale di monitorare costantemente il rumore delle aree di stabilimento al fine di rilevare una potenziale fuoriuscita incontrollata di gas naturale dalle parti di impianto ed attivare i sistemi di blocco di processo e di emergenza e le procedure operative di emergenza dello stabilimento.

Il sistema è in grado di rilevare frequenze sonore comprese nel campo 5Hz-20kHz e discriminare le frequenze generate dall’emissione di gas in pressione da valvole di sicurezza, connessioni flangiate, apparecchiature, piping, ecc… da quelle normalmente generate dall’impianto in esercizio e dall’ambiente circostante trattandole come allarme. Infatti, la presenza di una fuoriuscita incontrollata di gas genera una deviazione dal rumore di fondo dello stabilimento e, nel caso venga rilevata da una coppia di fonometri (logica 2oon), dopo un opportuno tempo di ritardo impostato per evitare falsi allarmi (falsi positivi) legati a possibili rumori ambientali di fondo (es. passaggio di un treno, di un aereo, di un veicolo, ecc…) spesso impostato a 60 secondi continuativi, il sistema fonometrico genera l’allarme che viene gestita dal sistema centrale di stabilimento per la possibile attivazione della logica di blocco di processo dell’impianto.

Il sistema fonometrico è quindi un sistema di monitoraggio perdite incontrollate di gas che non costituisce un’alternativa agli esistenti sistemi di protezione attiva, al contrario, spesso viene ad essi integrato e costituisce un valido supporto ad altri tradizionali sistemi di di rivelazione gas metano e di rivelazione di alta temperatura (es. cavi termosensibili, tappi fusibili, ecc…). Pertanto, questo sistema può essere installato al fine di migliorare gli impianti di monitoraggio esistenti, incrementando il livello di sicurezza e riducendo notevolmente i tempi di intervento previsti, attraverso una rivelazione precoce di fughe incontrollate di gas. Di conseguenza, essendo inferiore il tempo di rivelazione, si potranno intercettare le sezioni isolabili in un tempo inferiore ed avere scenari incidentali ragionevolmente ipotizzabili con estensione delle conseguenze ragionevolmente più limitata.

Architettura del sistema fonometrico

Il sistema fonometrico installato nelle aree industriali è composto fondamentalmente da alcuni componenti installati nelle aree di impianto, altri in sala controllo che si integrano con le logiche di blocco e messa in sicurezza:

• apparecchiatura sensibile al rumore (microfono con campo di ascolto a 360°);
• apparecchiatura di misura (fonometro – due apparecchi);
• trasmettitori wireless in configurazione ridondata;
• supporti e protezioni meccaniche da agenti atmosferici e/o danni accidentali.

L’installazione può essere effettuata fuori terra con i microfoni posti sulla sommità di un palo, ad un’altezza di circa 4 o 6 metri dal suolo; tale posizione garantisce la copertura di tutte le aree con probabile emissione di gas, “idonee” per il rilevamento delle emissioni di gas incontrollate in stabilimento. I microfoni sono collegati al quadro contenente le apparecchiature fonometriche e i cablaggi installato sul medesimo palo ad altezza uomo per i necessari controlli e la manutenzione a circa 1,5 m da terra.
Normalmente, l’intervallo di funzionamento con risposta lineare dei fonometri è compreso tra un minimo di 25 e un massimo di 150 dB(A), con un errore di misura massimo di ± 1 dB.
Come tutti gli impianti che garantiscono una “protezione attiva”, l’affidabilità del sistema deve essere basata sulla ridondanza, a cominciare dall’installazione che deve essere effettuata in modo da garantire la copertura di tutte le aree che possono essere oggetto di perdite di gas.

In funzione delle possibili fonti sonore del processo di stabilimento e dell’attenuazione sonora stessa dovuta alla distanza, la dislocazione e il numero di fonometri necessari devono essere progettati in modo che ogni area oggetto di una fuoriuscita incontrollata di gas sia coperta dal raggio d’azione di almeno due fonometri per evitare che un fuori-servizio di un’apparecchiatura generi una situazione di potenziale pericolo (due fonometri sullo stesso palo, uno di riserva all’altro). Ogni apparecchiatura deve avere un adeguato raggio di copertura e i raggi devono intersecarsi tra loro per garantire una maggiore affidabilità in termini di intervento dei dispositivi. Dagli ultimi dati, le attuali tecnologie consentono di garantire una copertura massima pari a circa 100 m di raggio per ciascuna coppia di dispositivi installati su palo.

Ne consegue la necessità che il gestore dello stabilimento rediga un elaborato grafico riportante in pianta la posizione dei fonometri nelle diverse aree di stabilimento con i relativi raggi di copertura, oltre ad una relazione tecnica a firma di professionista abilitato contenente le caratteristiche tecniche e la descrizione dell’architettura del sistema fonometrico.

Attivazione dei sistemi di sicurezza

Ogni singolo sistema fonometrico (coppia di sensori) installato su palo comunica, a mezzo di cavo elettrico, fibra ottica o protocollo wireless ridondante di certificata affidabilità, con un sistema ricevente indipendente di controllo e supervisione installato presso la sala quadri elettrici e dotato di un sinottico sulla consolle della sala controllo di stabilimento per riportare lo stato dell’impianto in qualsiasi momento.

La comunicazione wireless può avvenire, ad esempio, attraverso antenne di comunicazione installate sulla copertura dell’edificio dove ha sede la sala controllo.
In alcuni stabilimenti come, ad esempio, gli stoccaggi di gas naturale, il sistema ricevente di sala quadri, anch’esso ridondato, colloquia con il sistema computerizzato automatico di controllo distribuito di stabilimento, Distributed Controller System, DCS, che, ai fini del riconoscimento dell’anomalia, esegue una diagnosi secondo un criterio di selettività, valutando la tipologia di allarme e garantendo, se necessario, l’attivazione dei sistemi di blocco e allarme.

Per garantire la funzionalità continua di tutto il sistema (h24) è possibile dotare il sistema fonometrico di alimentazione elettrica da rete primaria e copertura da gruppi di continuità UPS (Uninterruptible Power System) in bassa tensione. Inoltre, l’intero sistema può essere programmato con la funzione “auto restart”, in modo da riavviarsi in automatico senza tempi morti come, ad esempio, a seguito di un’interruzione dell’alimentazione elettrica.

Nel caso di installazione in aree classificate a rischio di esplosione, il sistema fonometrico deve essere rispondente alla direttiva 1999/92/CE  che definisce i requisiti minimi in materia di salute e sicurezza dei luoghi di lavoro con presenza di atmosfere potenzialmente esplosive e alla direttiva 2014/34/UE  sulla tipologia di apparecchi e sistemi di protezione da installare in tali aree.
L’intero sistema fonometrico deve essere compreso nella valutazione effettuata dal gestore per il rischio di scariche atmosferiche, ai sensi della norma CEI EN 62305.
A titolo di esempio possono essere descritte le logiche di blocco e allarme generalmente adottate in uno stabilimento di stoccaggio di gas naturale:

• Local Shut-Down, LSD: blocco pressurizzato della produzione localizzata in una parte ristretta dell'impianto dovuta a un'anomalia di processo;
• Production Shut-Down o Process Shut-Down, PSD: blocco di tutta la produzione dovuta ad un'anomalia di processo;
• Emergency Shut-Down, ESD: blocco depressurizzato di tutta la produzione dovuta a incendio o presenza di miscela esplosiva.

Un’anomalia rilevata dal sistema fonometrico provoca l’intervento con la seguente logica:

• Fonometro in allarme/guasto in logica 1oo2 (logica uno su due): segnale di allarme;
• Fonometro in allarme/guasto + Fonometro in allarme/guasto in logica 2oo2 (logica due su due): attivazione del blocco di produzione e conseguente messa in sicurezza dell'impianto.

Il controllo dei dati rilevati

Il sistema fonometrico deve prevedere la registrazione degli eventi di campo in modo da coprire tutte le zone interessate, visualizzando ogni singolo fonometro, accedendo, attraverso software, alla configurazione di ogni singolo apparato da postazione remota.
I dati devono essere registrati su un server dedicato che ne permetterà l’archiviazione, la consultazione e l’esportazione, in caso di necessità o di incidente, anche da remoto, della libreria eventi verificatisi ore, giorni o settimane precedenti.

Il sistema fonometrico deve essere progettato in modo da trasmettere i segnali dei fonometri anche ad eventuali unità preposte alla gestione in remoto degli impianti, spesso ubicate in un sito isolato rispetto agli stabilimenti telecontrollati in remoto, considerata l’importanza che tale struttura ha sulla gestione degli stabilimenti in termini di sicurezza e di operatività anche negli eventuali periodi di assenza di personale.

Tali sistemi, integrati con i tradizionali rivelatori di perdite gas, permettono, in conclusione, nel caso di perdite di gas naturale in grado di emettere un'emissione sonora compresa tra i 2 e gli 8 kHz una sostanziale riduzione dei tempi di intervento e una messa in sicurezza più rapida, contenendo le conseguenze di tale fuoriuscita di gas che, nel caso trovasse un innesco, potrebbe evolvere in uno scenario incidentale con forte irraggiamento come un incendio o un’esplosione.