Tìm hiểu về sự cháy - P3 : Hệ thống an toàn nội tại (Intrinsically Safe)

Chúng ta đã tìm hiểu về việc sử dụng các vỏ hộp chống cháy nổ để ngăn chặn nguồn đánh lửa tiếp xúc với môi trường có chứa nhiên liệu cháy. Vỏ hộp chống cháy nổ giúp hạn chế lực nổ bên trong hộp và giảm nhiệt của khí thoát ra ngoài nhờ đó ngăn chặn việc đánh lửa ra môi trường xung quanh.

Nhưng liệu còn phương án nào tối ưu hơn để ngăn ngừa rủi ro cháy nổ?

Hệ thống Intrinsically Safe (IS system – hệ thống an toàn nội tại, ký hiệu là "i" trong các tiêu chuẩn chống cháy nổ ATEX và IECEx) được thiết kế đáp ứng cho yêu cầu trên. Như đã đề cập ở bài đầu trong loạt bài viết này, dù trong môi trường xung quanh đã tồn tại nhiên liệu với nồng độ phù hợp nhưng vẫn phải cần có một nguồn đánh lửa có đủ năng lượng để kích nổ/cháy hỗn hợp nhiên liệu – không khí kia. Intrinsically Safe là kỹ thuật thiết kế để vận hành an toàn các thiết bị điện trong khu vực nguy hiểm bằng cách hạn chế năng lượng, điện và nhiệt, để tránh gây ra hiện tượng đánh lửa. Vì phương án bảo vệ này rất an toàn và không yêu cầu phải bảo trì điều đặn như phương án dùng vỏ hộp chống cháy/nổ nên hầu hết các kỹ sư trong ngành đều đánh giá đây là phương án an toàn nhất. Và càng ngạc nhiên hơn khi phương án này không quá đắt đỏ để triển khai.

Vậy phương án này hoạt động như thế nào?

Đầu tiên, hãy tưởng tượng có một căn phòng chứa khí Hydro trong không khí với nồng độ lý tưởng nhất để có thể gây ra một vụ nổ (tỉ lệ khoảng 30% hydro theo thể tích – xem biểu đồ bên dưới)

Hỗn hợp hydro – không khí này cần một tia lửa có mức năng lượng ~20mJ để kích nổ, hoặc nhiệt độ trong phòng vượt trên mức nhiệt độ tự cháy của khí Hydro (500 ^oC – 932 ^oF).  Nên để tránh xảy ra trường hợp xấu nhất (hỗn hợp khí bị kích nổ) thì các thiết bị điện gắn trong phòng phải duy trì mức năng lượng có mức giải phóng > 20mJ trong trường hợp xảy ra việc giải phóng năng lượng (đánh lửa, tia điện…), và nhiệt độ bề mặt các thiết bị phải thấp hơn mức nhiệt độ tự cháy của Hydro. Nếu đáp ứng được các yêu cầu trên (thỏa mãn yêu cầu của các tiêu chuẩn UL, FM, CSA, BASEEFA), thiết bị sẽ được công nhận là An Toàn Nội Tại. Tuy nhiên cũng có một vài loại thiết bị dù không được công nhận nhưng vẫn được sử dụng trong các khu vực nguy hiểm, các thiết bị này được gọi là các “Thiết bị đơn giản” (“simple apparatus”) vì chúng không tạo ra hoặc lưu trữ bất kỳ dạng năng lượng nào (Vd: RTD’s, thermistors, công tắc). Để được sử dụng trong khu vực nguy hiểm, các thiết bị này phải tuân thủ theo các giới hạn sau:

Vậy, nếu chúng ta có một cảm biến nhiệt độ (loại RTD) và một điện trở nhiệt – Thermistors (đã được dán nhãn An Toàn Nội Tại), liệu có thể kết nối chúng với bộ điều khiển và nguồn (được đặt ở bên ngoài khu vực nguy hiểm) và cấp nguồn cho các thiết bị?

Câu trả lời là CHƯA, chúng ta cần thực hiện ít nhất ba bước nữa.

Mặc dù các thiết bị trong khu vực nguy hiểm không có khả năng tự đốt cháy hỗn hợp khí, nhưng bộ điều khiển và bộ cấp nguồn vẫn có thể thông qua dây dẫn truyền đủ năng lượng để kích nổ hỗn hợp khí bên trong khu vực nguy hiểm. Một “hàng rào an toàn nội tại” sẽ giúp ngăn chặn điều này, và tất cả các thiết bị an toàn nội tại đều được yêu cầu phải gắn kèm với hàng rào này (ngoại trừ các thiết bị tự cấp nguồn bằng pin). Các hàng rào an toàn nội tại có thể có cấu tạo từ đơn giản đến phức tạp, nhưng tất cả đều phục vụ cho chức năng chính của hàng rào là hạn chế điện áp và dòng diện có thể truyền qua chúng ngay cả trong các trường hợp có lỗi trong hệ thống dây dẫn. VD: Giả sử có sự nhầm lần khiến nguồn 240 VAC (ở vùng an toàn) rò vào dây tín hiệu của cảm biến nhiệt độ và gây ra hiện tượng hồ quang điện, nêu không có hàng rào an toàn nội tại, hậu quả sẽ rất khó lường.

Hình 2 mô tả một hàng rào sử dụng diode ổn áp (Diode Zener), dòng điện cao áp ở phía khu vực an toàn sẽ khiến cho diode tạo ra một dòng cao áp và chuyển hướng đến cầu chì. Các điện trở cũng tham gia việc giới hạn dòng điện đi vào khu vực nguy hiểm.

Điều này đưa chúng ta đến vấn dề dây dẫn giữa khu vực nguy hiểm và hàng rào của chúng. Nếu dây dẫn quá dài và có điện dung cao, nó có thể lưu trữ đủ năng lượng để gây ra hiện tượng đánh lửa trong trường hợp xảy ra chập điện. Nếu thiết bị trường (cảm biến nhiêt độ trong ví dụ trên) cũng có điện dung, thì tổng điện dung của thiết bị trường và dây dẫn phải nằm trong phạm vi cho phép của hàng rào. Độ tự cảm của dây dẫn và thiết bị cũng phải đáp ứng tương tự.

Vấn đề cuối cùng là nối đất. Tất cả các bước chuẩn bị trên sẽ trở nên vô ích nếu một tia sét làm hiệu điện thế của mặt đất tăng lên vài nghìn volt so với hiệu điện thế của các dây dẫn trong khu vực nguy hiểm, hậu quả là các tia hồ quang điện phát ra từ dây dẫn sẽ khiến hệ thống an toàn nội tại của chúng ta trở nên vô nghĩa. Việc nối đất có ý nghĩa hết sức quan trọng trrong hệ thống an toàn nội tại, các điểm nối đất thường được gắn tại vị trí hàng rào và giúp cố định vỏ bọc (shield) của dây dẫn với nền đất.

Khi tất cả các bước đã hoàn tất, như hình 3 bên dưới, lợi ích của hệ thống An toàn nội tại mang lại là vô cùng to lớn. Bạn sẽ không cần phải ngắt nguồn và “làm sạch” không khí để tiến hành bảo trì. Việc hiểu chỉnh, điều chỉnh thậm chí thay thế thiết bị trong hệ thống vẫn có thể tiến hành bình thường ngay cả khi môi trường trong khu vực đang ở trạng thái nguy hiểm, vì một hệ thống An toàn nội tại được thiết kế phù hợp sẽ không thể giải phóng đủ năng lượng để kích nổ môi trường xung quanh.