พื้นที่อันตราย
(Hazardous Area Classification)
เป็นหัวข้อเรื่องที่น่าสนมากสำหรับวัยรุ่น เพราะวัยรุ่นเมื่อเจอพื้นที่อันตราย นั้นเป็นที่เข้าใจว่าเป็นที่ของการแสวงหาความเล้าใจ แต่ผู้เขียนแก่แล้วจึงไม่ขอความเล้าใจ หรอกครับ เรื่องของมันก็คือ ในการทำงานชั่งตวงวัดตามข้อกำหนดของกฎหมาย (Legal Metrology) เราหลีกเลี่ยงไม่ได้เลยต้องยุ่งเกี่ยวกับเครื่องชั่งตวงวัดที่ใช้งานกับผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม เช่น มาตรวัดปริมาตรของเหลว, Compact Prover, มาตรวัดมวลคอริออริส, Automatic Level Gauge และ อื่นๆ เป็นต้น ซึ่งผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมดังกล่าวจะเป็น “วัตถุที่ไวไฟ” ไม่ใช่ “วัตถุที่ไปไว” ตามที่พวกรถซิ่งติดสติ๊กเกอร์บนกระจกท้ายรถ ดังนั้นเมื่อต้องไปยุ่งกับเขาแล้วเราก็ต้องสะสมความรู้เพื่อรู้เขารู้เรากันเล็กน้อย พอควรแก่เหตุ
ในต้นศตวรรษ 1900 เป็นยุคที่อุตสาหกรรมขยายตัวอย่างมากและเริ่มมีการใช้มาตรฐานการออกแบบและการติดตั้งระบบไฟฟ้าของ North American Codes โดยที่มาตรฐาน NEC (National Electric Code) ใช้สำหรับประเทศสหรัฐอเมริกาและมาตรฐาน CEC (Canadian Electric Code) ใช้สำหรับประเทศแคนาดา ในช่วงเวลาเดียวกันสถาบันมาตรฐานของยุโรปคือ International Electrotechnical Commission (IEC) ก็ถูกก่อตั้งขึ้นที่ประเทศสวิตเซอร์แลนด์เพื่อเป็นสถาบันด้านมาตรฐานการออกแบบติดตั้งระบบไฟฟ้าสำหรับใช้ในประเทศภูมิภาคยุโรป นอกจากนี้ประเทศในภูมิภาคยุโรปยังร่วมกันสร้างมาตรฐานเพื่อใช้ในกลุ่มประเทศยุโรปโดยเฉพาะคือ CENELEC (European Electrotechnical Committee for Standardization) ซึ่งเนื้อหาโดยรวมแล้วเหมือนกับมาตรฐานของ IEC ของกลุ่มประเทศทวีปอเมริกาเหนือ นอกจากนี้ยังมีมาตรฐานต่างๆ ของแต่ลประเทศเองในยุโรปก็เกิดขึ้น เช่น British Standards Institution (BSI) ของประเทศอังกฤษ, Deutsches Institut für Normung (DIN) ของสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี, Association Française de Normalisation (AFNOR) ของประเทศฝรั่งเศส เป็นต้น ประกอบกับการกำเนิดรถยนต์และเครื่องบินในต้นทศวรรษที่ 1920 สร้างความต้องการใช้เชื้อเพลิงคุณภาพดีอย่างมาก ไอระเหยจากแก๊สโซลีนมีคุณสมบัติที่จุดติดไฟได้ง่ายจึงเป็นเชื้อเพลิงอย่างดีในการทำงานของรถยนต์และเครื่องบินทำให้อุตสาหกรรมรถยนต์และเครื่องบินจำเป็นต้องป้องกันการสปาร์กจากระบบไฟฟ้าไม่ให้อยู่ในบริเวณที่มีไอระเหยดังกล่าว พื้นซึ่งปรากฏไอระเหยดังกล่าวจึงถูกกำหนดเป็น “Extra Hazardous Location” ดังนั้นโรงงานอุตสาหกรรมที่สร้างขึ้นใหม่จึงจำเป็นต้องออกแบบระบบไฟฟ้าให้เป็นประเภท Explosion proof ในพื้นที่ที่มีไอระเหยของสารไวไฟ
รูปที่ 1 มาตรฐานด้านความปลอดภัยของอุปกรณ์ไฟฟ้าในแต่ละประเทศ
ในปี ค.ศ. 1913 (พ.ศ. 2456) มีอุบัติเหตุครั้งรุนแรงภายในเหมืองถ่านหินประเทศอังกฤษซึ่งมีสาเหตุการระเบิดอันเนื่องจากไฟอาณัติสัญณาณแรงดันไฟฟ้าต่ำเพื่อบ่งบอกว่ารถไฟขนคนงานได้ขึ้นจากใต้ดินเกือบถึงผิวดินแล้ว โดยไฟอาณัติสัญญาณแรงดันไฟฟ้าต่ำเกิดสปาร์กกับละอองฝุ่นของถ่านหิน เหตุการณ์ดังกล่าวสร้างความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินมากมาย ตั้งแต่นั้นมาจึงได้เริ่มมีการศึกษาค้นคว้าวิจัยถึงความปลอดภัยของวงจรไฟฟ้าถึงปัจจัยของการสะสมพลังงานในวงจรไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้า ตั้งแต่บัดนั้นจึงถือกำเนิด Intrinsic safety (IS) ซึ่งมีหลักการที่ว่าการจำกัดพลังงานที่มีขีดความสามารถทำให้จุดติดไฟจะต้องมีค่าต่ำกว่าจุดติดไฟของสารที่ทำงานด้วยหรืออยู่ในสภาวะแวดล้อมเดียวกัน
ในปี ค.ศ.1931 (พ.ศ. 2474) มาตรฐาน NEC กำหนดให้แบ่งพื้นที่อันตรายออกเป็น Class I สำหรับแก๊สและไอระเหย, Class II สำหรับฝุ่นที่จุดติดไฟ และ Class III สำหรับเส้นใยที่จุดติดไฟได้ และต่อมาในปี ค.ศ.1935 (พ.ศ. 2478) ก็มีการแบ่งกลุ่มแก๊สและไอระเหยใน Class I ออกเป็นกลุ่ม A, B, C และ D ตามคุณสมบัติ 3 ประการ คือ (1) ความดันจากการระเบิด (Explosive Pressure) (2) การขยายตัวของเปลวไฟ (Flame Transmission) และ (3) อุณหภูมิการจุดระเบิด (Ignition Temperature)
ในปี ค.ศ.1956 (พ.ศ. 2499) แนวคิดเรื่อง Intrinsic Safety (IS) เริ่มเห็นผลชัดเจนขึ้นและถูกกำหนดเป็นมาตรฐานของทวีปเมริการเหนือ (North American Codes) และในช่วงเวลาเดียวกันอุตสาหกรรมของอเมริกาเหนือขยายตัวเพิ่มมากขึ้นการติดตั้งระบบไฟฟ้าแบบ Explosion proof ทั้งหมดในพื้นที่ที่มีสารอันตรายจะทำให้มีค่าใช้จ่ายสูงมาก มาตรฐานของ NEC จึงได้เพิ่มวิธีการกำหนดพื้นที่อันตรายจากที่มี Division เดียวเพิ่มเป็น “Division 2” ซึ่งหมายถึงพื้นที่อันตรายที่ยอมให้ใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีมาตรฐานการป้องกันการระเบิดที่มีมาตรฐานต่ำกว่า “Division 1” ได้โดยมีเงื่อนไขคือ เป็นบริเวณที่มีการจัดเก็บหรือใช้สารไวไฟซึ่งจะมีโอกาสรั่วไหลของสารไวไฟสู่บรรยากาศในสภาวะไม่ปกติเท่านั้น เช่น การเกิดอุบัติเหตุระหว่างการทำงาน หรือการเกิดรอยแตกร้าวของถังบรรจุ เป็นต้น แต่ในเทอมของความเสี่ยงและค่าใช้จ่ายสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีราคาถูกลงผู้บริหารอุตสาหกรรมก็ต้องตัดสินใจเองด้วยเช่นกัน
ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาการจัดการพื้นที่อันตรายด้วยระบบ Zone System หรือ Area Classification จึงเกิดขึ้น ซึ่งจะมีวิธีการหรือตัดสินว่าพื้นที่บริเวณใดจะเป็น Class, Zone หรือ Group ซึ่งเป็นเรื่องทีต้องใช้ผู้มีความรู้ความชำนาญในการพิจารณาตัดสิน เราแค่พอรู้ในหลักการก่อนแล้วกันครับ
พื้นที่อันตราย (Hazardous Area)
หมายถึง บริเวณที่มีโอกาสจะเกิดอุบัติเหตุของการระเบิดหรือไฟไหม้ขึ้นได้ง่าย โดยสภาวะที่จะเกิดเหตุดังกล่าวจะต้องครบองค์ประกอบร่วม 3 อย่างในระดับที่เหมาะสมได้แก่
1. มีสารไวไฟในปริมาณมากพอที่จะจุดติดไฟได้ (Flammable Material in Ignitable Quantities) ซึ่งอาจเป็นของเหลวหรือละอองฝุ่นขนาด 0.1 -0.001 มิลลิเมตร
2. มีออกซิเจนในปริมาณที่เพียงพอให้เกิดการเผาไหม้ (ในอากาศปกติ จะมีออกซิเจนประมาณ 21%)
3. มีแหล่งจุดติดไฟ (Ignition Source) ทำให้เกิดพลังงานความร้อนที่มากพอกับส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศซึ่งการจุดติดไฟนี้ สามารถเกิดได้จากหลายสาเหตุ เช่น เปลวไฟ, การสปาร์กของอุปกรณ์ไฟฟ้า, มีความร้อนสูงสะสม และ การถ่ายเทประจุจากไฟฟ้าสถิต เป็นต้น
การจำแนกพื้นที่อันตราย
มีวิธีการจำแนก 2 วิธีที่แตกต่างกัน คือ
- การจำแนกเป็นประเภท (Class) และแบบ (Division) เป็นไปตามมาตรฐานของ NEC
- การจำแนกเป็นโซน (Zone) เป็นไปตามมาตรฐานของ IEC (IEC 60079)
แต่เมื่อเรานำการจำแนกพื้นที่อันตรายมาใช้งาน เราต้องไม่นำวิธีการในการจำแนกบริเวณอันตรายที่แตกต่างกันมาใช้ผสมปนเปกันในการจำแนกบริเวณอันตรายบริเวณเดียวกันอย่างเด็ดขาดเพราะนั้นเป็นการใช้มาตรฐานที่สับสนและจะขาดความเข้าใจอย่างแท้จริง งานนี้ต้องเป็นคนรักเดียวใจเดียวครับ “จะรักพี่เสียดายน้อง” ไม่ได้มันจะแย่เอา
การจำแนกเป็นประเภท (Class) และแบบ (Division); ตามมาตรฐาน NEC
มาตรฐานของ The National Electrical Code Committee (NEC) และThe National Fire Protection Association (NFPA) Publication 70 กำหนดพื้นที่อันตรายออกได้ดังนี้
1. บริเวณอันตรายประเภทที่ 1 (Class 1) คือ บริเวณที่ซึ่งมีก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (Flammable vapors and gases) ผสมอยู่ในอากาศปริมาณมากเพียงพอที่จะทำให้เกิดการจุดระเบิดได้
– บริเวณอันตรายประเภทที่ 1 แบบที่ 1 (Class 1, Division 1) คือ บริเวณที่มีการใช้ก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ ซึ่งสามารถรั่วไหลจากกระบวนการทำงานตามปกติ การซ่อมบำรุง รวมทั้งการรั่วไหลจากเหตุหรืออุปกรณ์ หรือเครื่องจักรทำงานผิดปกติ และยังอาจทำให้เกิดประกายไฟหรือความร้อนที่ทำให้สารไวไฟรั่วไหลจุดติดไฟได้
– บริเวณอันตรายประเภทที่ 1 แบบที่ 2 (Class 1, Division 2) คือ บริเวณที่มีการใช้ก๊าซหรือของเหลวไวไฟในระบบปิดซึ่งไม่มีการรั่วไหลนอกจากเกิดความเสียหายของภาชนะบรรจุหรือการทำงานที่ผิดพลาดของเครื่องมืออุปกรณ์ และยังรวมถึงบริเวณที่อยู่ใกล้กับพื้นที่อันตรายประเภทที่ 1 แบบที่ 1 ซึ่งก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟอาจถ่ายเทถึงกันได้ นอกจากนี้พื้นที่อันตรายประเภทที่ 1 แบบที่ 1 ซึ่งเมื่อได้ติดตั้งระบบระบายอากาศเพื่อช่วยลดปริมาณสารไวไฟที่ผสมในอากาศอย่างเหมาะสม แต่อาจเกิดสภาพอันตรายได้เมื่อระบบระบายอากาศขัดข้อง ก็จัดเป็นพื้นที่อันตราย แบบที่ 2 ด้วย
2. บริเวณอันตรายประเภทที่ 2 (Class 2) คือ บริเวณที่ซึ่งมีฝุ่นที่เผาไหม้ได้ (Combustible dust) ในปริมาณมากเพียงพอที่จะทำให้เกิดการจุดระเบิด
– บริเวณอันตรายประเภทที่ 2 แบบที่ 1 (Class 2, Division 1) คือ บริเวณที่มีฝุ่นเผาไหม้ได้อยู่ในอากาศในปริมาณมากพอให้เกิดส่วนผสมที่จุดระเบิดได้ในกระบวนการทำงานปกติ และบริเวณที่มีฝุ่นที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีในปริมาณที่อาจทำให้เกิดอันตรายจากการระเบิด รวมทั้งกรณีที่ฝุ่นที่เผาไหม้ได้เกิดการรั่วไหลจากเหตุที่อุปกรณ์หรือเครื่องจักรทำงานผิดปกติและอาจทำให้เกิดประกายไฟหรือความร้อนซึ่งทำให้ฝุ่นที่รั่วไหลออกมาเกิดการจุดระเบิดได้
– บริเวณอันตรายประเภทที่ 2 แบบที่ 2 (Class 2, Division 2) คือ บริเวณที่มีฝุ่นที่เผาไหม้ได้อยู่ในอากาศในปริมาณไม่มากพอทำให้เกิดส่วนผสมที่จุดระเบิดได้ในกระบวนการทำงานปกติ รวมถึงบริเวณที่มีฝุ่นซึ่งอาจสะสมอยู่บนอุปกรณ์ไฟฟ้าและอาจขัดขวางการระบายความร้อนของอุปกรณ์นั้นแต่ประกายไฟจากการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือจากการลัดวงจรไฟฟ้าอาจทำให้ฝุ่นเหล่านี้เกิดการจุดระเบิดได้
รูปที่ 2 การจำแนกพื้นอันตรายตามมาตรฐาน NEC เป็น Class และ Division
ในเทอมของระยะเวลาของการปรากฏของสารไวไฟใน 1 ปี
3. บริเวณอันตรายประเภทที่ 3 (Class 1) คือ บริเวณที่มีเส้นใยที่จุดติดไฟได้ง่าย (easily ignitible fibers or flyings) มีปริมาณมากเพียงพอที่จะทำให้เกิดอันตรายจากการจุดระเบิดได้
– บริเวณอันตรายประเภทที่ 3 แบบที่ 1(Class 3, Division 1) คือ บริเวณที่มีการผลิต การใช้ หรือการขนถ่ายเส้นใยที่จุดติดไฟได้ง่ายในปริมาณที่เพียงพอให้เกิดการจุดระเบิดได้
– บริเวณอันตรายประเภทที่ 3 แบบที่ 2 (Class 3, Division 2) คือ บริเวณที่มีการจัดเก็บหรือขนถ่ายเส้นใยที่ทำให้เกิดการลุกไหม้ได้ง่ายในปริมาณมาก
การจำแนกเป็นโซน (Zone); ตามมาตรฐาน IEC
การแบ่งพื้นที่อันตรายตามมาตรฐาน The International Electrotechnical Commission (IEC); IEC 60079-10 และ CEC Section 18 ซึ่งครอบคลุมสารไวไฟที่เป็นก๊าซ, ไอระเหยและหมอกฝุ่น (Gases, Vapors and Mists) แต่ไม่รวมฝุ่นไวไฟ (Combustible or Electrically Conductive Dusts) โดยให้ความตระหนักถึงโอกาสความเป็นไปได้ที่จะมีการสะสมของสารไวไฟขึ้นได้ แบ่งโอกาสความเป็นไปได้ของการเกิดสภาพบรรยากาศที่จุดติดไฟได้ (Explosive Atmosphere) ออกเป็นโซน 0, โซน 1 และ โซน 2
1. โซน 0 (Zone 0) คือ พื้นที่อันตรายเนื่องจากมีก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (flammable gases or vapors) ผสมอยู่ในบรรยากาศจนเกิดบรรยากาศที่จุดติดไฟได้อย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน เช่น ถังเก็บน้ำมันใต้ดิน (ดูรูปที่ 3)
พื้นที่ใน Zone 0 จะมีโอกาสสูงที่ความเข้มข้นของไอระเหยของสารไวไฟเกินกว่า 100% ของค่า Lower Explosive Limit (LEL) ของสารนั้นในภาวะปกติมากกว่า 1,000 ชั่วโมงต่อปี อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในพื้นที่ Zone 0 มักจะเป็นเครื่องมือวัดต่างๆ เช่น เครื่องมือวัดระดับของเหลว และ เครื่องมือวัดอุณหภูมิ เป็นต้น อุปกรณ์เครื่องวัดดังกล่าวจะต้องเป็นประเภท Intrinsically Safe เท่านั้นเพราะอุปกรณ์ประเภทนี้จะใช้กำลังไฟฟ้าในระดับต่ำมากทำให้เมื่อมีการเกิดลัดวงจรในอุปกรณ์เครื่องมือวัดเหล่านี้ พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะไม่มากพอให้แก๊สหรือไอระเหยไวไฟเกิดการจุดติดไฟได้
2. โซน 1 (Zone 1) คือ พื้นที่อันตรายเนื่องจากมีการรั่วไหลก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (flammable gases or vapors) ออกมาผสมอยู่ในบรรยากาศที่จุดติดไฟได้อยู่บ่อยครั้งในกระบวนการทำงานตามปกติ หรือเมื่อทำการซ่อมแซมเครื่องมืออุปกรณ์ในบริเวณดังกล่าว เช่น
· บริเวณที่มีการเติมน้ำมันเข้าถังน้ำมันรถยนต์ ดังในรูปที่ 3 ซึ่งรถยนต์จะเข้ามาและวิ่งออกไปเมื่อเติมแล้วเสร็จ
· บริเวณรอบช่องเปิดของถังบรรจุ
· บริเวณรอบ Safety Valve และบริเวณใกล้กับ Seal ของ Pump หรือ Compressor
· จุดถ่ายเทสารไวไฟ
· บริเวณที่มีการถ่ายบรรจุแก๊ส
· บริเวณที่มีการใช้สารตัวทำละลาย (Solvent)
พื้นที่ใน Zone 1 จะมีโอกาสที่จะมีความเข้มข้นของไอระเหยของสารไวไฟเกินกว่า 100% ของค่า Lower Explosive Limit (LEL) ของสารนั้นในภาวะปกติ ระหว่าง 10 ถึง 1,000 ชั่วโมงต่อปี
รูปที่ 3 แนวความคิดการแบ่งโซน ตาม IEC
3. โซน 2 (Zone 2) คือ พื้นที่อันตรายเนื่องจากมีการรั่วไหลของก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (flammable gases or vapors) ออกมาผสมอยู่ในบรรยากาศจนเกิดบรรยากาศที่จุดติดไฟแทบไม่เกิดขึ้นในการทำงานปกติ หรือโอกาสเกิดขึ้นได้นานๆครั้ง เช่น เมื่อเกิดอุบัติเหตุในกระบวนการทำงานหรือการทำงานผิดปกติ หรือจะเกิดขึ้นเฉพาะภายในระยะเวลาสั้นๆ ไม่ปล่อยให้เกิดการรั่วไหลเป็นเวลานาน
พื้นที่ใน Zone 2 จะมีโอกาสที่จะมีความเข้มข้นของไอระเหยของสารไวไฟเกินกว่า 100% ของค่า Lower Explosive Limit (LEL) ของสารนั้นในภาวะปกติ น้อยกว่า 10 ชั่วโมงต่อปี
รูปที่ 4 การจำแนกพื้นอันตรายตามมาตรฐาน IEC เป็น ZONEในเทอมของระยะเวลาของการปรากฏของสารไวไฟใน 1 ปี
รูปที่ 5 เกณฑ์พิจารณาหลักๆของการจำแนกพื้นอันตรายตามมาตรฐาน IEC เป็น ZONE
รูปที่ 6 เปรียบเทียบการจัดประเภทพื้นที่อันตรายระหว่าง IEC (Zone) กับ NEC (Division)
รูปที่ 7 เปรียบเทียบการจำแนกพื้นอันตรายตามมาตรฐาน NEC กับ IEC .ในเกณฑ์ของโอกาสการเกิดหรือปรากฏของสารไว้ไฟ
การจำแนกเป็นโซน (Zone); 2 ตามมาตรฐาน IEC
การแบ่งบริเวณอันตรายตามมาตรฐาน IEC สำหรับฝุ่นไวไฟ (Combustible or Electrically Conductive Dusts)แบ่งจำแนกบริเวณเทียบเคียงกับ Zone 0, 1 และ 2 สำหรับก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (flammable gases or vapors) แต่เพิ่มเลข 2 เข้าข้างหน้าเป็น
1. Zone 20
2. Zone 21
3. Zone 22
รูปที่ 8 เปรียบเทียบการจำแนกพื้นอันตรายตามมาตรฐาน NEC กับ IEC
ปัจจัยสำคัญในการจัดแบ่งกลุ่มแก๊ส (Gas Grouping); ตามมาตรฐาน IEC
แก๊สและไอระเหยแต่ละชนิดจะมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เราจึงไม่สามารถออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อใช้ป้องกันการระเบิดสำหรับแก๊สแต่ละชนิดได้ครอบคลุมทุกชนิด ดังนั้นวิธีการที่ดีที่สุดในทางปฏิบัติก็คือการแบ่งกลุ่มแก๊สไวไฟตามลักษณะที่สำคัญ 2 ประการ ตาม IEC 60079-12 คือ
1. Minimum Ignition Current (MIC) คือ ค่ากระแสไฟฟ้าน้อยที่สุดที่จะทำให้เกิดสปาร์กหรือประกายไฟจนเกิดการลุกติดไฟของแก๊สหรือไอระเหยจากการทดสอบในห้องทดลอง ถ้าแก๊สชนิดหนึ่งมีค่า MIC น้อย แสดงว่าแก๊สนั้นสามารถติดไฟได้ง่ายด้วยค่ากระแสไฟฟ้าน้อย
ดังนั้นการเลือกใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้กระแสไฟฟ้าต่ำกว่าค่า MIC ของแก๊สหรือไอระเหยเพื่อติดตั้งในบริเวณที่มีของแก๊สหรือไอระเหยชนิดดังกล่าวเจือปนในบรรยากาศจะช่วยป้องกันการเกิดประกายไฟที่มีความร้อนสูงจนเกิดการจุดระเบิดขึ้นได้แม้จะเกิดความบกพร่องในวงจรไฟฟ้าก็ตาม ซึ่งค่านี้จะมีความสำคัญเพื่อนำไปใช้ในการออกแบบระบบ Intrinsic safety ของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในพื้นที่อันตราย (Hazardous Area) โดยมีหลักการเพื่อป้องกันอุปกรณ์ไฟฟ้าจากการเป็นต้นเหตุของการระเบิดในสภาพแวดล้อมที่อันตรายที่มีการปะปนผสมกันของแก๊สหรือไอระเหยและมีโอกาสระเบิดได้ง่าย เช่น การเกิดประกายไฟหรือเกิดความร้อนสูงจากการทำงานจนเป็นเหตุจุดระเบิดส่วนผสมของแก๊สหรือไอระเหยเหล่านั้น อุปกรณ์ไฟฟ้าที่เป็นระบบ Intrinsic safety จึงต้องได้รับการออกแบบและติดตั้งด้วยวิธีการที่ไม่ให้มีพลังงานสูงมากเพียงพอที่จะก่อให้เกิดการจุดประกายไฟหรือความร้อนที่จะเป็นสาเหตุให้ส่วนผสมของแก๊สหรือไอระเหยเกิดระเบิดในพื้นที่อันตรายได้แม้ในกรณีที่เกิดการผิดพลาดก็ตาม ด้วยเหตุนี้อุปกรณ์ที่เป็นระบบ Intrinsic safety จะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำและใช้พลังงานต่ำกว่า 1 วัตต์
2. Maximum Experimental Safe Gap (MESG) คือ ค่าความกว้างของช่องเปิดมากที่สุดที่จะสามารถป้องกันการแพร่ขยายของเปลวไฟที่เกิดจากการจุดระเบิดของแก๊สหรือไอระเหยชนิดหนึ่งผ่านช่องเปิดนั้นไปสู่ภายนอกที่มีแก๊สหรือไอระเหยชนิดเดียวกันเจือปนอยู่ ดังนั้นถ้าแก๊สหรือไอระเหยชนิดใดมีค่า MESG มากในการเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันการระเบิด (Explosion proof) หรือ อุปกรณ์ป้องกันไฟ (Flame proof) ต้องเลือกอุปกรณ์ดังกล่าวที่มีค่า MESG น้อยกว่าค่า MESG ของแก๊สหรือไอระเหยนั้นเนื่องจากยิ่งช่องเปิดแคบลงเท่าไรก็จะมีโอกาสน้อยลงที่เปลวไฟจากการระเบิดภายในเครื่องห่อหุ้มจะแทรกออกสู่ภายนอก แต่ในขณะเดียวกันถ้าหากแก๊สหรือไอระเหยใดมีค่า MESG น้อยนั้นแสดงว่าเป็นแก๊สที่มีอันตรายสูงมากเพราะเมื่อมีการจุดติดไฟแล้วเปลวไฟสามารถลุกลามผ่านช่องเปิดแคบๆ ออกสู่ภายนอกได้ดีกว่า
เราพบว่าแก๊ส Acetylene และ Hydrogen เป็นแก๊สที่มีอันตรายสูงมาก เพราะเมื่อมีการจุดติดไฟแล้ว เปลวไฟสามารถลุกลามผ่านช่องเปิดแคบๆ ออกสู่ภายนอกได้ดีกว่า (ระยะ MESG แคบ) และจุดติดไฟได้ง่ายกว่าโดยใช้กระแสไฟฟ้าในการจุดติดไฟเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (ค่า MIC ต่ำ)
รูปที่ 9 ห้องที่มีช่องทางออกยาวคงที่ 25 มม. แต่สามารถปรับระยะความกว้างของช่องได้ เมื่อจุดระเบิดก๊าซภายในห้องแล้วเปลวไฟที่เล็ดรอดจากช่องว่างดังกล่าวต้องไม่ไปจุดติดไฟที่สภาวะแวดล้อมภายนอกซึ่งมีการก๊าซดังกล่าวเจือปนอยู่
การจัดแบ่งกลุ่มแก๊ส (Gas Grouping), Class I ตามมาตรฐาน IEC
การจัดกลุ่มก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (flammable gases or vapors) ได้ดังนี้ (ดูรูปที่ 10)
1. Group IIA คือ แก๊สและไอระเหยของสารไวไฟที่มีค่า MESG มากกว่า 0.90 มม. หรือมีค่า MIC Ratio มากกว่า 0.8
2. Group IIB คือ แก๊สและไอระเหยของสารไวไฟที่มีค่า MESG มากกว่า 0.50 มม. แต่ไม่เกิน 0.90 มม. หรือมีค่า MIC Ratio มากกว่า 0.45 แต่ไม่เกิน 0.8
3. Group IIC คือ แก๊สและไอระเหยของสารไวไฟที่มีค่า MESG ไม่เกิน 0.50 มม. หรือมีค่า MIC Ratio ไม่เกิน 0.45
รูปที่ 10 การจัดแบ่งกลุ่มแก๊ส (Gas Grouping) ตามมาตรฐาน IEC
รูปที่ 11 พลังงานที่ใช้จุดติดไฟในแต่ละแต่ละกลุ่มแก๊สตามมาตรฐาน IEC
การจัดแบ่งกลุ่มฝุ่น (Dust Grouping), Class II ตามมาตรฐาน IEC
การจัดกลุ่มฝุ่นไวไฟ (combustible or electrically conductive dusts) ได้ดังนี้
1. Group IIE คือ บรรยากาศประกอบด้วยฝุ่นโลหะ(Metal Dusts) ที่ลุกไหม้ได้ เช่น อลูมิเนียม(Aluminum) แทนทาลัม
2. Group IIF คือ ประกอบด้วยฝุ่นสารอินทรีย์ที่ลุกไหม เช่น ถ่านดำ(Carbon black) ถ่านไม้ ถ่านหิน(Coal)
3. Group IIG คือ ประกอบด้วยฝุ่นที่ลุกไหม ชนิดอื่นๆ เช่น ฝุ่นสารสังเคราะห์ พลาสติก เรซิน เป็นต้น
รูปที่ 12 การจัดแบ่งกลุ่มฝุ่น (Dust Grouping), Class II ตามมาตรฐาน IEC
การจัดแบ่งกลุ่มแก๊ส (Gas Grouping) ตามมาตรฐาน NEC
การจัดกลุ่มก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (flammable gases or vapors) ซึ่งไม่รวมฝุ่นไวไฟ ต่างจาก IEC โดยจัดกลุ่มออกเป็น 4 กลุ่มดังนี้
1. Group A คือ แก๊ส Acetylene
2. Group B คือ แก๊สและไอระเหยของสารไวไฟที่มีค่า MESG Ratio ไม่เกิน 0.45 หรือมีค่า MIC Ratio ไม่เกิน 0.4
3. Group C คือ แก๊สและไอระเหยของสารไวไฟที่มีค่า MESG Ratio มากกว่า 0.45 แต่ไม่เกิน 0.75 หรือมีค่า MIC Ratio มากกว่า 0.4 แต่ไม่เกิน 0.8
4. Group D คือ แก๊สและไอระเหยของสารไวไฟที่มีค่า MESG Ratio มากกว่า 0.75 หรือมีค่า MIC Ratio มากกว่า 0.8
รูปที่ 13 เปรียบเทียบการจำแนกการจัดแบ่งกลุ่มแก๊ส (Gas Grouping), Class I ตามมาตรฐาน IEC กับมาตรฐาน NEC
วิธีการจัดแบ่งกลุ่มอุปกรณ์ไฟฟ้า (Electrical Apparatus Grouping)
เนื่องจากลักษณะของการระเบิดในสภาพแวดล้อมที่อันตรายที่มีการปะปนผสมกันของก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (flammable gases or vapors) หรือฝุ่นผงไวไฟในอากาศแต่ละชนิดขึ้นอยู่คุณสมบัติของสารแต่ละชนิด ดังนั้นการจัดกลุ่มสารดังกล่าวจึงอยู่บนพื้นฐานของคุณสมบัติ Ignition Temperature และ Explosion Pressure จากนั้นจึงสามารถออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อใช้ป้องกันการระเบิดสำหรับสารไวไฟแต่ละชนิดได้ครอบคลุมทุกชนิด ด้วยเหตุนี้เราจึงแบ่งประเภทของกลุ่มอุปกรณ์ไฟฟ้าออกเป็น 2 กลุ่มตาม EN50014 (IEC) คือ
1. Group I คือ อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ใต้ดิน (for mines susceptible to firedamp)
2. Group II คือ อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในในสภาพแวดล้อมที่อันตรายที่มีการปะปนผสมกันของก๊าซหรือฝุ่นผงไวไฟในอากาศและมีโอกาสระเบิดได้ง่าย หรือนอกเหนือจาก Group I
จุดติดไฟหรือจุดระเบิด (Ignition Temperature หรือ Fire Point) และ
ชั้นอุณหภูมิ (Temperature Class) ตามมาตรฐาน IEC
จุดติดไฟ คือ อุณหภูมิต่ำสุดที่ต้องการ ณ สภาวะความดันบรรยากาศปกติ เมื่อใช้แหล่งความร้อน เปลวไฟ ประกายไฟในการจุดติดไฟก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (flammable gases or vapors) หรือฝุ่นผงไวไฟในอากาศเฉพาะตอนเริ่มกระบวนการเผาไหม้ ต่อจากนั้นเชื้อเพลิงหรือสารดังกล่าวสามารถลุกไหม้ได้เองอย่างต่อเนื่องโดยไม่ตรงใช้แหล่งความร้อนจากภายนอกอีกต่อไป โดยปกติจุดติดไฟจะมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดวาบไฟเล็กน้อย
IEC 60079-4, NEC, CENELEC และหน่วยงานต่างๆได้พยายามแบ่งหรือหาจุดติดไฟหรือจุดระเบิดของแก๊ส (Gas) และไอระเหย (Vapor) ให้มีค่าใกล้เคียงในทางปฏิบัติที่สุดเพื่อนำไปสู่การแบ่งชั้นอุณหภูมิ (Temperature Class) ซึ่งนำไปสู่การกำหนดอุณหภูมิพื้นผิวของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่อาจเป็นสาเหตุให้เกิดการระเบิดของแก๊ส (Gas) และไอระเหย (Vapor) ซึ่งในปัจจุบันได้ใช้วิธีการตาม DIN 51794 เพื่อหาจุดติดไฟของก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟ (flammable gases or vapors) ส่วนวิธีการที่ใช้หาจุดติดไฟของฝุ่น (combustible dusts) นั้นยังไม่แน่ใจว่ามีวิธีการมาตรฐานใด ต้องหาอ่านกันไปเรื่อยๆ
การแบ่งชั้นอุณหภูมิ (Temperature Class) จึงเป็นการกำหนดอุณหภูมิพื้นผิวสูงสุดของชิ้นส่วนองค์ประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้าภายใต้การทำงานปกติหรือทำงานผิดปกติ ซึ่งอุณหภูมิพื้นผิวสูงสุดนี้ต้องมีค่าสูงไม่เกินจุดติดไฟหรือจุดระเบิด(Ignition temperature) ของสารไวไฟ การกำหนด Temperature Class ภายใต้สภาวะอ้างอิงที่อุณหภูมิแวดล้อม 40 °C (ดังในรูปที่ 14) หากเงื่อนไขสภาวะอ้างอิงต่างจากนี้ต้องมีการระบุ
รูปที่ 14 การจัดชั้นอุณหภูมิ (Temperature Class) ตามมาตรฐาน IEC
รูปที่ 15 การพิจารณาจุดติดไฟของก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟเทียบกับ อุณหภูมิพื้นผิวสูงสุดของชิ้นส่วนองค์ประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้าตามแบ่งชั้นอุณหภูมิ (Temperature Class) มาตรฐาน IEC
รูปที่ 16 ตัวอย่างของก๊าซหรือไอระเหยของสารไวไฟเมื่อแบ่งตามการจัดแบ่งกลุ่มแก๊ส (Gas Grouping) กับการแบ่งชั้นอุณหภูมิ (Temperature Class) มาตรฐาน IEC
ทั้งนี้อย่าสับสนหรือนำเอาการจัดแบ่งกลุ่มแก๊ส (Gas Grouping) มาสัมพันธ์กับการจัดชั้นอุณหภูมิ (Temperature Class) ตามมาตรฐาน IEC เพราะตัวอย่างเช่น ก๊าซ hydrogen ต้องการพลังเล็กน้อยในการจุดติดไฟแต่ต้องการอุณหภูมิพื้นผิวของอุปกรณ์ไฟฟ้าสำหรับการจุดติดไฟสูงถึง 560°C แต่อย่างไรก็ตามในการเลือกอุปกรณ์ไฟฟ้าว่าอุณหภูมิพื้นผิวสูงสุดของชิ้นส่วนองค์ประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้าภายใต้การการแบ่งชั้นอุณหภูมิ (Temperature Class) ก็ต้องเลือกให้สอดคล้องกับการจัดแบ่งกลุ่มแก๊ส (Gas Grouping) ตัวอย่างในรูปที่ 16
มาตรฐาน NEC (US NEC500) และมาตรฐานของประเทศแคนนาดา CEC Annex J ได้มีการแบ่งชั้นอุณหภูมิ (Temperature Class) ด้วยเช่นกันและแบ่งย่อยละเอียดกว่ามาตรฐาน IEC ซึ่งพอสามารถเทียบเคียงได้ดังในรูปที่ 17
รูปที่ 17 ตารางเปรียบเทียบการแบ่งชั้นอุณหภูมิตามมาตรฐาน IEC กับมาตรฐาน NEC (US NEC500) & CA CEC Annex J
การสังเกตเครื่องหมายของหน่วยงานรับรองอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อใช้ในพื้นที่อันตรายพอจะแบ่งออกได้เป็น 2 ค่าย ค่ายแรกจะเป็นเครื่องหมายที่ออกโดยหน่วยงาน FM (Factory Mutual) and UL (Underwriters Laboratories) ของประเทศสหรัฐอเมริกา และ CSA (Canadian Standard Association) โดยหน่วยงานในประเทศแคนนาดา ซึ่งหน่วยงานดังกล่าวไม่เพียงแต่กำหนดมาตรฐานอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้งานในพื้นที่อันตรายแต่ยังรวมถึงทำการทดสอบและออกใบรับรองผลการทดสอบพร้อมกันไปด้วย ถือว่าเป็นหน่วยงาน ONE STOP SERVICE เลยก็ว่าได้ ซึ่งทุกคนจะคุ้นเยกับเครื่องหมายดังในรูปที่ 19
รูปที่ 18 เปรียบเทียบการวิธีการป้องกันการระเบิดของอุปกรณ์ไฟฟ้า (Protection Method) ที่ใช้ในพื้นที่อันตรายซึ่งแบ่งตามมาตรฐาน IEC (ZONE) กับมาตรฐาน NEC (Division)
รูปที่ 19 เครื่องหมายของหน่วยงานรับรองอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อใช้ในพื้นที่อันตราย ได้แก่ FM, UL และ CSA
สำหรับค่าที่ 2 จะเป็นเครื่องหมายที่ออกโดยหน่วยงานที่ได้รับการรับรองขีดความสามารถในการทดสอบอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในพื้นที่อันตรายว่ามีคุณสมบัติคบถ้วนตามที่ระบุไว้ตามมาตรฐาน ATEX (Appareils destinés à être utilisés en ATmosphères EXplosives) และ IEC (International Electrotechnical Commission) เช่น PTB, EXAM (ดูรูปที่ 1) ทั้งนี้ ATEX และ IEC ไม่ได้ทำการทดสอบและรายงานผลการทดสอบแต่อย่างใด เรียกกันว่าแบ่งหน้าที่เพื่อสามารถตรวจสอบและถ่วงดุลยกันได้ตามหลักประชาธิปไตยครับ
รูปที่ 20 เครื่องหมายของมาตรฐานอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อใช้ในพื้นที่อันตรายตามมาตรฐาน ATEX และ IEC
รูปที่ 21-1 ตัวอย่างและความหมายอักษรย่อบนอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในพื้นที่อันตราย
รูปที่ 21-2 ตัวอย่างและความหมายอักษรย่อบนอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในพื้นที่อันตราย (ต่อ)
รูปที่ 21-3 ตัวอย่างและความหมายอักษรย่อบนอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในพื้นที่อันตราย (ต่อ)
รูปที่ 22 ตารางเปรียบเทียบมาตรฐานด้านพื้นที่อันตราย
Reference
- The National Fire Protection Association (NFPA) Publication 70
- “Zone Hazardous Location”, Publication 800-WP004A-EN-POctober 2001, Allen-Bradley, Rockwell Automation
- คู่มือการตรวจสอบ ติดตั้งระบบและอุปกรณ์ไฟฟ้าในพื้นที่มีไอระเหยของสารไวไฟ, 2548, กรมโรงงานอุตสาหกรรม, กระทรวงอุตสาหกรรม
- Basics of Explosion Protection, Hazardous Locations, STAHL
ชั่งตวงวัด; GOM MOC
นนทบุรี
3 มีนาคม 2560