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Die
Erfindung betrifft ein Brandgasanalysesystem für den Einsatz bei Bränden in
Steinkohlegruben, mit einer unter Tage installierbaren Analyseeinrichtung
zur Bestimmung der Brandgaszusammensetzung, sowie Einrichtungen
zur Übertragung
von Messdaten der Analyseeinrichtung zu einer Erfassungs- und Auswerteinrichtung über Tage.
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In
Steinkohlengruben kommt es durch Selbstentzündung mitunter zu versteckten
Bränden, in
deren Entstehungsphase der Kohlenmonoxidgehalt in den Abwettern
ansteigt. Bei fortschreitender Brandentwicklung und erhöhten Temperaturen
muß mit
dem Auftreten weiterer Brandgase, hauptsächlich Kohlendioxyd (CO2), Wasserstoff (H2),
Methan (CH4) und höherer Kohlenwasserstoffe (HKW)
gerechnet werden. Neben der Gefahr der Vergiftung durch das Kohlenmonoxid
besteht bei erhöhter
Brandgaskonzentration zusätzlich
Explosionsgefahr.
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Zur
Beurteilung dieser Gefahren bedarf es einer Analyse der Zusammensetzung
der Grubenbrandgase. Hierzu werden unter Tage genommene Gasproben
in einem Gaslabor über
Tage untersucht. Wegen der durch Probentransport ins Übertagelabor verursachten
Zeitverzögerung
mangelt es dem Analyseergebnis häufig
an Aktualität,
insbesondere unter den sich schnell verändernden Bedingungen während einer
Brandbekämpfung.
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Die
DE 32 37 021 A1 beschreibt
ein selektives Gas-/Rauchgasdetektionssystem. Es umfasst mehrere,
an verschiedene Messstellen geführte
Absaugleitungen, welche Gasproben von den Messstellen einem Detektor
zuführen,
der selektiv auf ein bestimmtes Gas reagiert. Ventile in den Absaugleitungen
werden abhängig
davon, ob ein Detektorsignal vorliegt oder nicht, so gesteuert,
dass entweder alle Absaugleitungen gleichzeitig oder die Absaugleitungen
zyklisch oder gruppenweise in Verbindung mit dem Detektor gebracht
werden. Aus der
DE-OS
2 136 968 geht ein ähnliches
Detektionssystem mit Absaugleitungen und darin angeordneten Ventilen
hervor, wobei die Absaugleitungen Gasproben von verschiedenen Messstellen
einer Kohlenmonoxid nachweisenden Detektoreinheit zuleiten. Vor
Eintritt in die Detektoreinheit werden nicht gasförmige Anteile
aus dem Probengasstrom entfernt.
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Ein
Gasanalysesystem der eingangs erwähnten Art ist in der Dissertation
Elmar Fuchs „Ein Beitrag
zur Erhöhung
der Sicherheit bei der Grubenbrandbekämpfung im Steinkohlenbergbau
durch die Entwicklung eines Brandgas-Analysesystems und neuartiger
Explosionsdiagramme",
RWTH Aachen, 1993 beschrieben. Dieses System umfasst eine unter
Tage installierbare Analyseeinrichtung, welche analoge Messdaten
zu einer Erfassungs- und Auswerteinrichtung über Tage sendet. Das System
liefert ohne Zeitverzögerung
aktuelle Analysedaten, erlaubt jedoch keine Analysen durchgehend über einen
längeren
Zeitraum und ist bei Vergiftungs- oder/und Explosionsgefahr nur
bedingt einsatzfähig.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte
Brandgasanalysesystem der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, dass
bei verbesserter Messgenauigkeit kontinuierliche Analysen über lange
Messzeiträume
durchführbar
sind.
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Das
diese Aufgabe lösende
Brandgasanalysesystem nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass über
Tage ferner Steuereinrichtungen zur Fernbedienung der Analyseeinrichtung
vorgesehen sind.
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Vorteilhaft
erlaubt ein solches Gasanalysesystem nach der Erfindung, dessen
Analyseeinrichtung keine Bedienhandlungen durch Betriebspersonal
vor Ort erfordert, einen Weiterbetrieb auch dann, wenn Vergiftungs-
oder Explosionsgefahr besteht.
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Insbesondere
weist das Gasanalysesystem nach der Erfindung eine automatische
oder/und durch die Steuereinrichtungen fernbedienbare Kalibriereinrichtung
sowie fernbedienbare Messstellenumschalteinrichtungen auf. Das System
nach dem Stand der Technik ließ sich
nur durch Bedienhandlungen vor Ort nachkalibrieren, was bei Vergiftungs- oder
Explosionsgefahr nicht möglich
war, so dass die Messungen abgebrochen oder erhöhte Messfehler in Kauf genommen
werden mussten.
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Vorzugsweise
sind die Übertragungseinrichtungen
zur Übertragung
digitaler Messdaten der Analyseeinrichtung sowie digitaler Steuerdaten
der Steuereinrichtungen vorgesehen, die sich jeweils unmittelbar
durch die empfangenden Rechner verarbeiten lassen. Somit besteht
mehr Variabilität
in bezug auf Art und Umfang des Datenaustauschs.
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Die
Analyseeinrichtung umfasst wenigstens eine Trägerpalette, auf welcher mehrere
Baueinheiten der Analyseeinrichtung vorinstalliert sind. In bevorzugten
Ausführungsformen
sind zwei oder drei Trägerpaletten
vorgesehen, die sich leicht transportieren und zwischen denen sich
mit geringerem Aufwand die erforderlichen Leitungsver bindungen herstellen
lassen. Zweckmäßig ist
eine den Messstellenumschalter bildende Baueinheit am Fließ des Probengases
orientiert.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Analyseeinrichtung
eine einen Analysator umfassende Baueinheit mit einer Überdruckkapselung
auf. Die Überdruckkapselung
erlaubt die Verwendung von Analysatoren, wie sie auch über Tage eingesetzt
werden.
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Zweckmäßig umfasst
die Erfassungs- und Auswerteinrichtung einen gesonderten Rechner
zur Messdatenerfassung und Sicherung von Rohdaten, welcher auch
die Steuereinrichtungen für
die Analyseeinrichtung enthalten kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dieser Erfassungsrechner
an ein innerbetriebliches oder/und außerbetriebliches, Auswertrechner
umfassendes Computernetz angeschlossen, wobei alle Auswertrechner
auf den Datenbestand des gesonderten Erfassungsrechners zugreifen
können.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Analyseeinrichtung
einen den Analysator steuernden Rechner auf, welcher über den
Erfassungsrechner parametrisierbare Programme enthält, so dass
sich z. B. gewünschte
Mess- und Kalibrierbedingungen einstellen lassen.
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Der
letztgenannte Rechner wertet die Messsignale der für die einzelnen
Gasbestandteile bestimmten verschiedenen Messkanäle des Analysators derart aus,
dass in den ermittelten Gaskonzentrationen durch Querempfindlichkeiten
der Messkanäle
bedingte Messfehler eliminiert sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden,
sich auf dieses Ausführungsbeispiel
beziehenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 das
Grundschema des Analysesystems nach der Erfindung,
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2 eine
detailliertere Schemadarstellung eines Analysesystems nach der Erfindung,
und
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3 eine
Schemadarstellung einer in dem Analysesystem von 1 verwendeten
Analyseeinrichtung.
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Eine
transportable Einrichtung 1 zur Gasanalyse ist unter Tage
nahe, aber in sicherem Abstand von einem Grubenbrandherd installiert
und steht über
eine vorzugsweise durch Lichtwellenleiter gebildete Datenleitung 2 in
Verbindung mit einer über Tage
vorgesehenen Einrichtung 3, welche von der Analyseeinrchtung 1 gelieferte
digitale Messdaten erfasst und auswertet. Insbesondere prüft die Erfassungs-
und Auswerteinrichtung 3, ob in den Abwettern des Brandherdes
explosionsfähige
Zusammensetzungen vorliegen oder nicht.
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Die
Analyseeinrichtung 1 ist mit Saugleitungen 4 verbunden,
die an voneinander entfernt liegenden Messstellen am Brandherd enden
und von dort Probengas ansaugen.
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Wie
aus 2 hervorgeht, weist die Analyseeinrichtung 1 einen
Messstellenumschalter 5 auf, durch welchen wahlweise eine
der Saugleitungen 4 über
eine Leitung 6 mit einem Gasanalysator 7 verbunden
werden kann. Die restlichen Saugleitungen können in beliebiger Reihenfolge
vorbesaugt werden.
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In
die Leitung 6 mündet
eine Gasleitung 8 für die
Zuführung
von Kalibriergas aus einer Kalibriergasquelle 9, welche
wahlweise mit der Gasleitung 8 verbindbare Kalibriergasbehälter 10 für alle durch den
Analysator 7 im Probengas nachzuweisenden Gasbestandteile
enthält.
Es handelt sich hierbei um CO, CO2, CH4, C2H4,
O2 und H2.
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Sowohl
der Messstellenumschalter 5 als auch die Kalibriergasquelle 9 stehen über Steuerleitungen 11 und 12 in
Verbindung mit einer Steuerung 13, welche ihrerseits über eine
Leitungsverbindung 14 an einen Messsignale des Gasanalysators 7 verarbeitenden
und den Analysator steuernden Rechner 15 angeschlossen
ist. Die Steuerung 13 liefert Schaltspannungen für die Betätigung elektromechanischer
Ventile im Messstellenumschalter und in der Kalibrergasquelle, um
die Leitung 6 bzw. 8 mit der gewünschten
Leitung 4 bzw. dem gewünschten
Kalibriergasbehälter 10 zu
verbinden.
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Eine
Ein-/Ausgabeschnittstelle 16 verbindet den Rechner 15 mit
der obengenannten, zu der Erfassungs- und Auswerteinrichtung 3 über Tage
geführten
Datenleitung 2.
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Über nicht
gezeigte Sensoren kann zur Beurteilung des Brandumfangs außerdem die
Temperatur der Brandgase an verschiedenen Stellen erfasst und auf
dem gleichen Übertragungsweg
zur Erfassungs- und Auswerteinrichtung über Tage gesandt werden.
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Der
Analysator 7, der Rechner 15 und die Ein-/Ausgabeschnittstelle 16 sind
in einem gemeinsamen Gehäuse 17 untergebracht,
dessen Innenraum durch Überdruck
beaufschlagbar ist, so dass kein zündfähiges Gasgemisch in das Gehäuse eindringen
kann.
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Die
Datenleitung 2 ist über
eine Ein-/Ausgabeschnittstelle 18 mit einem Rechner 19 verbunden, welcher
der Erfassung und Sicherung von Rohdaten, welche die Analyseeinrichtung 1 liefert
sowie der Steuerung der Analyseeinrichtung 1 dient. Der
Rechner 19 und die Sendeeinrichtung 20 sind in
einer gemeinsamen Baueinheit 21 untergebracht.
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Der
Rechner 19 steht über
einen Server 22 in Verbindung mit einem betrieblichen Computernetz (Intranet),
an welches weitere Rechner 23 und 24 angeschlossen
sind. Über
den Server 22 haben die Rechner 23 und 24 Zugriff
auf alle durch den Rechner 19 erfassten und gesicherten
Daten. Der Server 22 enthält Auswertsoftware, auf welche
die Rechner 23 und 24 zugreifen können.
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Wie 2 ferner
erkennen lässt,
steht das betriebliche Computernetz über eine Datensicherungseinrichtung 25 in
Verbindung mit dem Internet, so dass auch ein z. B. an einem Heimarbeitsplatz
installierter Rechner 26 Zugriff auf die Daten im Server 22 bzw.
Rechner 19 hat.
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Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, welcher näher die
bauliche Struktur der Analyseeinrichtung 1 erläutert. Die
Analyseeinrichtung umfasst mehrere Baueinheiten 27 bis 32,
von denen die Baueinheiten 27 und 28 auf einer
gemeinsamen Trägerpalette 33,
die Baueinheiten 29 und 30 auf einer gemeinsamen
Trägerpalette 34 und
die Baueinheiten 31 und 32 auf einer gemeinsamen
Trägerpalette 35 vorinstalliert
sind.
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Die
Baueinheit 27 enthält
eine Spannungsversorgungseinheit, welche Versorgungsspannungen von
220 und 500 Volt für
die Baueinheiten 28, 31 und 32 bereitstellt.
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Die
Baueinheit 28 enthält
das in 2 gezeigte Steuergerät 13, welches Schaltspannungen für die Baueinheiten 29, 30 und 32 liefert,
wobei die Baueinheit 30 über die Baueinheit 29 mit
der Baueinheit 28 verbunden ist.
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Die
Baueinheit 29 enthält
den in 2 gezeigten Messstellenumschalter 5.
Die Baueinheit 30 enthält
neben der Kalibriergasquelle 9 eine Gasaufbereitungseinrichtung.
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Die
Baueinheit 31 enthält
eine Saugpumpe, welche von dem Messstellenumschalter Probengas ansaugt
und durch die in der Baueinheit 30 enthaltene Gasaufbereitungseinrichtung
hindurch der Baueinheit 32 zuführt. Die Baueinheit 32 umfasst
das Gehäuse 17 mit
dem darin angeordneten Analysator 7, dem Rechner 15 und
der Ein-/Ausgabeschnittstelle 16. Die Baueinheit 31 enthält ferner
eine Vorbesaugungspumpe, welche dafür sorgt, dass bei Umschaltung
auf eine andere Leitung durch den Messstellenumschalter 5 in
der betreffenden Leitung am Messstellenumschalter schon Probengas
angekommen ist.
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Die
Paletten 33 bis 35 mit den darauf angeordneten
Baueinheiten 27 bis 32 bilden zum Einsatzort schnell
und bequem transportable Baugruppen. Die gewählte Baugruppenstruktur erleichtert
die Herstellung der erforderlichen Leitungsverbindungen und damit
die kurzfristige Inbetriebnahme der Analyseeinrichtung. Sämtliche
Baugruppen 27 bis 32 genügen hinsichtlich Sicherheit
der europäischen
Richtlinie 94/9/EG (Atex-RL).
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Die
Analyseeinrichtung 1 des vorangehend beschriebenen Analysesystems
ermittelt laufend Werte der Konzentration obengenannter Gase an verschiedenen
Messstellen unter Tage am Brandherd, wobei über den Messstellenumschalter 5 vom Rechner 19 aus
ferngesteuert abwechselnd Probengas von unterschiedlichen Messstellen
angesaugt wird. Die Messstellenabfrage durch den Rechner 19 ist
programmierbar, so dass z. B. bei Bedarf bestimmte Messstellen öfter als
andere abgefragt werden können.
Die Steuerung des Analysators 7 durch den Rechner 15 lässt sich über den
Rechner 19 parametrisieren, z. B. zur Einstellung optimaler
Vorspülzeiten.
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Der
Rechner 15 sendet über
die Ein-/Ausgabeschnittstelle 16 und die Datenleitung 2 abwechselnd
den verschiedenen Messstellen zugeordnete digitate Konzentrationswerte
der verschiedenen Gase an den Rechner 19 in der Geräteeinheit 21, welcher
diese Daten erfasst und speichert.
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Eine
Auswertung kann zusätzlich
zu den Rechnern 15 und 19 in einem der Rechner 23, 24 und 26 erfolgen,
welche über
das Inter- bzw. Intranet alle Zugriff auf den Datenbestand im Rechner 19 und
die Auswertsoftware im Server 22 haben. Einer der Rechner 23, 24, 26 ist
zweckmäßig in einem
für die Grubenbrandbekämpfung zuständigen Einsatzzentrale,
ein anderer in einer Rettungsstelle installiert.
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Bei
der Auswertung geht es insbesondere um die Feststellung, ob an den
Messstellen explosionsfähige
Gaszusammensetzungen vorliegen. Die automatische Auswertung durch
den Rechner 23, 24 oder/und 26 erfolgt
auf der Grundlage sogenannter FUCHS/CULMANN-Diagramme, welche Konzentrationswertebereiche
für den
Sauerstoff und die brennbaren Gasbestandteile, in welchen das Gasgemisch explosionsfähig ist,
enthalten und welche in der obengenannten Dissertation beschrieben
sind.
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Liegt
ein explosionsfähiges
Gasgemisch vor, so erzeugt der betreffende Rechner automatisch ein Alarmsignal.
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Durch
laufende Auswertung anfallender Messdaten können die Auswirkungen von Brandbekämpfungsmaßnahmen,
wie die Zuführung
von Inertgas oder Abschottung des Brandherdes gegen Sauerstoffzufuhr,
beurteilt werden. So lassen sich durch die laufende Auswertung Gegenmaßnahmen
geeignet steuern.
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Die
Bestimmung der Gaskonzentration durch den Analysator 7 erfolgt
je nach Gasart in unterschiedlichen Messkanälen des Analysators durch Messung
von Infrarotabsorption, Paramagnetismus oder Wärmeleitfähigkeit. in jedem Fall bedarf
es von Zeit zu Zeit einer Nachkalibrierung der Messkanäle durch
definierte Zufuhr eines Kalibriergases. Hierzu wird wahlweise aus
den Behältern 10 der
Kalibriergasquelle 9 Kalibriergas durch die verschiedenen Messkanäle des Analysators 2 geleitet.
Die Kalibrierung erfolgt ferngesteuert durch den Rechner 19,
wobei der Kalibriermodus vorprogrammier- und veränderbar ist.
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Der
den Analysator 7 steuernde Rechner 15 verarbeitet
die Messsignale der einzelnen Messkanäle des Analysators derart,
dass durch Querempfindlichkeiten der einzelnen Messkanäle bedingte Messfehler
eliminiert werden.
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Die
Baueinheit 32 weist eine Bildschirmanzeige auf, über die
unter Tage vor Ort Messdaten dargestellt und ausgewertet werden
können.
Im übrigen ist
die Analyseeinrich tung 1 vollständig fernbedienbar. Es bedarf
keiner Bedienhandlungen durch Arbeitskräfte vor Ort.
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In
einer von dem vorangehenden Ausführungsbeispiel
abweichenden Bauform sind den Baueinheiten 27 bis 32 entsprechende
Einheiten auf nur zwei Trägerpaletten
untergebracht. Eine dieser Paletten tragt eine der Messstellenumschaltung
dienende Ventilsteuerung, Einrichtungen zur Durchflussüberwachung
sowie zwei Pumpen zum Ansaugen von Probengas und zur gleichzeitigen
Vorbesaugung von Probengasleitungen. Angeordnet auf dieser Palette sind
ferner eine ausschließlich
220 V liefernde Spannungsversorgungseinheit sowie eine Steuerung.
Die andere Palette trägt
eine Analyseeinheit mit einem eine Tastatur und einen Bildschirm
aufweisenden Bedienpult sowie Einrichtungen zur Gasaufbereitung und
Fernkalibrierung.