Functional safety in gas mixing systems with hydrogen-nitrogen mixtures
1. introduction
Forming gas, a mixture of hydrogen (H₂) and nitrogen (N₂), is used in numerous industrial processes – including soldering, annealing, heat treatment and metal processing. Due to the proportion of hydrogen, a highly flammable gas, there are often increased requirements for process safety. The concept of functional safety is becoming increasingly important, especially in safety-critical applications.
The Safety Integrity Level (SIL) in accordance with the IEC 61508 and IEC 61511 safety standards can be a benchmark for this. This article highlights the relevance of SIL in gas mixing systems for forming gas, the technical challenges and possible solutions.
2. basics: What is SIL?
SIL (Safety Integrity Level) is a measure of the reliability of systems. https://de.wikipedia.org/wiki/Sicherheitsanforderungsstufe
The operator determines the safety integrity level for the component or system as part of a risk assessment (HAZOP). As part of the study, potential hazards are identified and eliminated before they can lead to an accident. The study results in safety requirements at the appropriate level. There is a level classification from 1 (lowest) to 4 (highest), which represents a measure of the reliability of the system depending on the hazard potential (health, environment, plant).
Specified in the IEC 61508 (generic) and IEC 61511 (process industry applications) standards. The probability of failure of a safety function on demand is evaluated with the aim of systematically reducing risks to people, the environment and technology.
Gas mixers for forming gas (forming gas is a gas mixture of hydrogen and nitrogen) have also been operated without SIL for more than five decades. However, the trend towards increased safety and more comprehensive risk management with a safety concept now also extends to this type of gas mixer and gas mixing systems (also known as hydrogen mixers). The safety of systems (system safety) for forming gas production can therefore be increased, for example, with a SIL 1 hydrogen gas analyzer, SIL differential pressure monitoring and a SIL 1 shutdown. This reliably monitors and prevents the impermissible accumulation of hydrogen in the process gas.
3. forming gas: properties and risks
Typically, forming gas consists of 3-10 % hydrogen in nitrogen. In rare cases, gas mixtures with significantly higher hydrogen contents are also produced. The lower explosion limit (LEL) of hydrogen in air is around 4 % by volume, the upper explosion limit (UEL) is 77 % by volume. This means that hydrogen can only explode in air within a certain concentration range.
Hydrogen has the following properties:
- Extremely light and diffusive: Increased risk of leaks.
- Low ignition energy (~0.02 mJ): Even small sparks can trigger explosions.
- Wide explosion spectrum (4-75% by volume in air): Requires precise process control.
Risikoquellen umfassen:
- Wasserstoffanreicherung durch unkontrollierte Mischverhältnisse.
- Undichtigkeiten in Gasmischtechnik oder Rohrleitungen.
- Fehlfunktionen bei Druckregelung oder Mischverhältnis.
Überschreitet der Wasserstoffanteil im Gasgemisch den eingestellten Grenzwert, kann im Prozess in der Vermischung mit Luft eine explosionsfähige Atmosphäre entstehen. Um diese Anreicherung frühzeitig sicher zu erkennen und in der Folge zu vermeiden, werden in Formiergasmischern standardmäßig Gasanalysatoren mit Abschaltung des Wasserstoffstrangs eingesetzt.
Diese Risiken beherrschen Sicherheitslösungen wie Gasanalysatoren, Differenzdrucküberwachung und Notabschaltung mit validiertem SIL-Level.
4. SIL-Anforderungen an Formiergasmischer
Die sicherheitstechnische Auslegung eines Formiergasmischers mit SIL umfasst verschiedene Teilsysteme. Es kommen folgende sicherheitsgerichtete Komponenten zum Einsatz:
4.1 Gasanalytik
- SIL 1 Wasserstoff-Gasanalysator: Misst kontinuierlich die Wasserstoffkonzentration.
- Funktion: Präzise Analyse zur Regelung des Mischverhältnisses. Dokumentation. Grenzwertüberwachung
- Vorteil: Verhindert unzulässige Wasserstoffanreicherung
4.2 Differenzdrucküberwachung
- SIL 1 Differenzdruck Sensorik: Überwacht den Druck der Gasströme (H₂ und N₂).
- Funktion: Erkennt unkontrollierte Änderungen eines Gasstroms
- Vorteil: Stabile Prozesskontrolle und Minimierung von Explosionsrisiken.
4.3 Sicherheitsventile und Aktorik
- SIL-zertifizierte Komponenten: Geprüfte Absperrventile nach ISO 13849 oder IEC 61508.
- Funktion: Sichere Trennung der Gaszuführungen, automatische Rückstellung oder Bypass-Umschaltung.
- Vorteil: Erhöhte Anlagensicherheit durch zuverlässige Aktorik.
5. Besonderheiten der SIL-Integration in Gasmischanlagen
Die Integration eines SIL-Kreises in Gasmischanlagen erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der Sensorik, Logik und Aktorik umfasst.
5.1 Ganzheitlicher SIL-Kreis
- Komponenten: Gasanalysator (Sensorik), Sicherheitsrelais (Logik), Abschaltventile (Aktorik).
- Bewertung: Die Sicherheitsfunktion wird im Gesamtkontext validiert, nicht nur komponentenbasiert.
- Normen: Einhaltung von IEC 61508 und IEC 61511 für Sicherheitsstandards.
5.2 Berechnung und Nachweis
- PFDavg-Berechnung: Ermittlung der durchschnittlichen Ausfallwahrscheinlichkeit (Probability of Failure on Demand).
- Redundanzen: Berücksichtigung redundanter Systeme und Prüfintervalle zur Risikominimierung.
- Dokumentation: Sicherheitsdokumentation mit SIL-Validierung, Funktionsnachweisen und Inbetriebnahme-Checklisten.
5.3 Herausforderungen
- Wasserstoffverhalten: Hohe Diffusität erfordert dichte Systeme und präzise Wasserstoffdetektion.
- Kalibrierung: Die Sensorik muss unter Prozessbedingungen wartungsfreundlich bleiben.
- Reaktionsgeschwindigkeit: Schutzfunktionen müssen schnell auf Abweichungen reagieren.
6. Praxisbeispiel: Formiergasmischer mit SIL 1
Anwendung: Wärmebehandlungsprozess mit 5 % H₂ in N₂
Anforderungen:
- Prozessstabilität
- Explosionsschutz
- Dokumentation der Sicherheitsfunktionen
Lösung durch LT GASETECHNIK:
- H₂-Gasanalysator (SIL 1) mit 4–20 mA-Signal
- Differenzdrucküberwachung zwischen Gasströmen
- Not-Abschaltung über Sicherheitsrelais
- Sicherheitsventile nach ISO 13849-1 / IEC 61508
Ergebnis:
- Erfolgreiche Abnahme durch Betreiber und Sachverständige
- Reibungsloser Betrieb über mehrere Jahre
- Wartungsfreundliches Design mit Prüfprotokollen
7. Fazit
Die Anwendung von Safety Integrity Level (SIL) bei Formiergasmischern stellt eine Möglichkeit zur Erhöhung der Prozesssicherheit dar. Aufgrund der brennbaren Eigenschaften von Wasserstoff ist eine systematische Sicherheitsbetrachtung unerlässlich. Trotz höherer Anschaffungskosten und Betriebskosten (jährliche SIL-Kreis-Prüfung) ergeben sich einige Vorteile:
- Erhöhte Betriebssicherheit durch Minimierung von Explosionsrisiken
- Schutz von Personal und Anlagentechnik
- Transparenz: Vollständige Rückverfolgbarkeit durch Dokumentation
LT GASETECHNIK zählt zu den wenigen Anbietern, die komplette Gasmischer mit SIL-Kreis mit validierten Komponenten für Formiergas liefern können. Mit über 40 realisierten Anlagen bietet das Unternehmen nachweisliche Kompetenz bei Planung, Berechnung und Umsetzung von SIL-konformen Gasmischsystemen. Bei Fragen zur Umsetzung von SIL-Anforderungen in Gasmischanlagen steht LT GASETECHNIK als erfahrener Partner zur Verfügung.
Kontakt: mail@lt-gasetechnik.com