Uniwersalny system monitoringu

Uniwersalny system monitoringu
niekontrolowanych wycieków amoniaku z
instalacji chłodniczych
1. WSTĘP
Renesans amoniaku jako czynnika chłodniczego trwa od wielu lat, ponieważ nie stwarzając
niebezpieczeństwa dla ekosystemu, posiada on doskonałe właściwości termodynamiczne, istotne
zalety ekonomiczne i użytkowe. Ze względu na swe walory powrócił do roli najważniejszego czynnika
chłodniczego. Świadczyć o tym może fakt powstania w USA Międzynarodowego Instytutu
Chłodnictwa Amoniakalnego (IIAR) z siedzibą w Waszyngtonie. Instytut ten zajmuje się rozwojem
techniki i doskonalenia bezpieczeństwa chłodnictwa amoniakalnego, nie tylko w zastosowaniach
tradycyjnych, ale także w dziedzinach zdominowanych dotychczas przez syntetyczne czynniki
chłodnicze np. klimatyzacji.
Wycieki awaryjne amoniaku mogą stwarzać bezpośrednie zagrożenie dla ludzi i produktów
spożywczych, a także być przyczyną pożarów i wybuchów. Obecnie istniejące systemy wczesnego
ostrzegania potrafi ą skutecznie przeciwdziałać katastrofom.
2. ZAGROŻENIA W PRZYPADKU NIEKONTROLOWANEGO WYCIEKU AMONIAKU
Skutkiem nieszczelności, awarii lub błędu obsługi z instalacji chłodniczej może nastąpić ulatnianie
się par amoniaku lub wyciek jego fazy ciekłej. Niezmiernie rzadko notowane są przypadki z
niekontrolowanym wypływem amoniaku w postaci cieczy. Są one przeważnie spowodowane rażącym
niedbalstwem np. uszkodzeniem rurociągu przez środki transportu.
Zagrożenia powstałe przy niekontrolowanym wycieku amoniaku z instalacji chłodniczej można
podzielić na:
- biologiczne,
- pożarowe i wybuchowe,
- zniszczenie produktu spożywczego.
2.1. Zagrożenia biologiczne
Amoniak działa drażniąco na błony śluzowe i skórę, a większe jego stężenia w powietrzu wywołują
także porażenie ośrodkowego układu nerwowego. Negatywne skutki kontaktu organizmu ludzkiego z
parami amoniakalnymi zależą od wielkości stężenia par amoniaku i czasu ich oddziaływania (patrz
tabela 1).
Człowiek wykrywa powonieniem
pary amoniaku przy stężeniach jeszcze całkowicie bezpiecznych, niepowodu-jących żadnych szkód
dla zdrowia; niektóre źródła podają, że jest to zaledwie 5 ppm. Stężenie rzędu 50 - 100 ppm jest
jeszcze bezpieczne dla zdrowia, ale już bardzo uciążliwe do przebywania dla większości osób,
natomiast za próg stężenia szkodliwego dla zdrowia uważa się wartość powyżej 1000 ppm. W tabeli
1 przedstawiono reakcje organizmu ludzkiego w zależności od stężenia par amoniaku w powietrzu.
2.2. Zagrożenia pożarowe i wybuchowe
Amoniak jest trudnopalny (pali się tylko przy obecności silnego źródła ognia). Uwolnienie się
amoniaku na wolnym powietrzu nie stanowi zagrożenia wybuchem. Niebezpieczeństwo takie istnieje
w pomieszczeniach zamkniętych, gdy powstanie mieszanina w ściśle ograniczonych, rzadko
występujących w praktyce proporcjach udziału powietrza i amoniaku przy obecności odpowiedniego
źródła inicjacji zapłonu.
2.3. Zagrożenia zniszczenia produktu żywnościowego
Amoniak wykazuje zdolność przyłączania do związków chemicznych i tworzenia amoniakatów
(analogicznych do hydratów). Powstające w ten sposób związki kompleksowe prowadzą często do
zmiany barwy oraz zmiany właściwości chemicznych związku. Bezpośrednie działanie amoniaku na
żywność i środki spożywcze najczęściej eliminuje je do dalszego przerobu i spożycia.
Różne produkty spożywcze odznaczają się różną wrażliwością na amoniak. Ogólnie najbardziej
wrażliwe są produkty świeże i nieopakowane, mniej - produkty mrożone i opakowane w folie
polietylenowe. Największą wrażliwość wykazuj ą jaj a, mleko i produkty mleczarskie oraz owoce i
warzywa.
W każdym przypadku kontaktu żywności z amoniakiem - sytuacja jest tym korzystniejsza, im czas
kontaktu jest krótszy. Dlatego celowe jest stosowanie zdalnie działających czujników wczesnego
ostrzegania w komorach i zamrażalniach. Szybkie powiadomienie obsługi o mikrowyciekach
zwiększa bezpieczeństwo składowanego towaru i ochronę przed jego uszkodzeniem.
3. SYSTEMY MONITORINGU WYCIEKÓW AMONIAKU
Prawidłowo działające systemy kontroli wycieków z instalacji chłodniczych podnoszą bezpieczeństwo
amoniakalnych urządzeń chłodniczych w ogóle, a w szczególności urządzeń w pełni
zautomatyzowanych: dużego, średniego i małego typu - pozbawionych stałej obsługi.
Aktualnie obowiązujące uregulowania prawne nie nakazują montażu systemów wykrywających
wycieki amoniaku z instalacji chłodniczych (z wyjątkiem maszynowni i aparatowni bez stałej obsługi).
Jednakże większość właścicieli takich urządzeń wyposaża je w systemy kontroli ze względu na nakaz
inspekcji, zniżki ubezpieczeniowe oraz chęć zwiększenia bezpieczeństwa pracowników i towaru.
Automatyczny, prawidłowo działający, system monitoringu w dużej mierze odciąża użytkownika od
problemów związanych z kontrolą pracy instalacji chłodniczej i zapobiega poważnym wypadkom.
W praktyce chłodniczej najczęściej wyciek amoniaku występuje w postaci parowej, tworząc z
powietrzem atmosferycznym mieszaninę. Systemy monitoringu wycieków amoniaku kontrolują zatem
stężenie czynnika w powietrzu.
Problemy związane z eksploatacją systemów kontroli wycieków amoniaku, to fałszywe alarmy lub
niezadziałanie systemu w momencie wycieku, co może być przyczyną poważniejszych konsekwencji.
Opis wymagań, które powinny spełniać uniwersalne systemy monitoringu pozwoli, przy wyborze,
ocenić ich funkcjonalność i prawidłowość działania.
System skutecznie zabezpieczający obiekty przemysłowe i pomieszczenia chłodnicze przed
wystąpieniem niebezpiecznych stężeń amoniaku w powietrzu powinien być urządzeniem pomiarowo sterującym, zapewniającym ciągłą kontrolę odpowiednich stężeń amoniaku oraz generowanie
sygnałów decyzyjnych i wykonawczych.
Sygnalizacja optyczno - akustyczna powinna informować o przekroczeniu w powietrzu I-szego
ostrzegawczego progu stężenia amoniaku oraz II-go progu - niebezpieczeństwa, jednocześnie
identyfi kując miejsce występowania zagrożenia amoniakalnego. W zależności od wykrytego stężenia,
system powinien automatycznie uruchamiać dostępne środki zapobiegawcze; najpierw uruchomić
sygnalizację świetlno-dźwiękową i włączyć wyciągową instalację awaryjną, bądź - w skrajnych
przypadkach bardzo dużego stężenia - wyłączyć automatycznie całe urządzenie z ruchu lub
pozamykać zawory segmentujące instalację na strefy komorowe, celem ograniczenia wycieku.
W przypadku dużego wycieku amoniaku szczególnie istotna jest możliwość sterowania zewnętrznymi
urządzeniami wykonawczymi, oprócz włączenia wentylacji awaryjnej, odłączenie energii elektrycznej
zasilającej urządzenia w zagrożonym rejonie, odcięcie dopływu amoniaku do tej części instalacji, z
której nastąpił wyciek.
System monitoringu, w momencie zaniku napięcia w sieci elektrycznej, powinien samoczynnie
przełączyć się na własne źródło zasilania awaryjnego, aby zapewnić ciągłą analizę stężeń amoniaku.
Istotnymi elementami zapewniającymi ciągłość działania jest automatyczne diagnozowanie stanu
urządzenia w czasie jego pracy i natychmiastowa sygnalizacja awarii. System powinien posiadać
wewnętrzną autodiagnostykę, zapewniającą stałą kontrolę poprawności operacji. Zidentyfi kowane
błędy w działaniu powinny być sygnalizowane optycznie i akustycznie.
W systemach wykorzystywanych do ochrony zdrowia i mienia szczególnie duże znaczenie ma
poprawne dostosowanie progów alarmowych i precyzyjne ich wykalibrowanie. W przypadku
wybrania zbyt niskiego progu alarmowego możliwe jest generowanie fałszywych alarmów
powodowanych przez opary spalinowe, dym, alkohol, rozpuszczalniki organiczne, metan, tlenek
węgla, olejki eteryczne przechowywanego produktu, itp.
W czasie praktycznego użytkowania systemów istotnym jest, aby istniała możliwość przełączenia ich
pracy w stan „serwisowania i kalibracji" - zapewniający dezaktywację połączeń alarmowych i
decyzyjnych.
Informacja o wyciekach amoniaku powinna być sygnalizowana w miejscach, gdzie pracuje
całodobowo kompetentny personel. Dzięki zastosowaniu elektroniki do nadzoru instalacji
chłodniczych, możliwe jest automatyczne przekazanie przez linie telefoniczne danych o wycieku do
centrali straży pożarnej.
Wskazany jest zapis i archiwizacja informacji o wyciekach amoniaku. Jest to szczególnie przydatne w
firmach przechowujących żywność na zlecenie, w przypadkach uszkodzenia produktów. Na przykład
jedna z chłodni przechowująca truskawki w workach papierowych, była oskarżona o uszkodzenie
towaru na skutek wycieku amoniaku, ponieważ, przy jego odbiorze, truskawki miały zmieniony kolor.
Analiza raportów o wyciekach zweryfi kowała ten zarzut.
3.1. Czujniki wykrywające amoniak
Czujniki kontroli stężenia amoniaku powinny być umieszczone w miejscach, w których istnieje
największe prawdopodobieństwo jego wycieku oraz przy stropie pomieszczeń kontrolowanych (pary
amoniaku są prawie dwukrotnie lżejsze od powietrza).
Do monitorowania par amoniaku można zastosować różne rodzaje czujników, w zależności od
stężenia, które ma być sygnalizowane oraz warunków otoczenia, w których mają pracować.
Elementami pomiarowymi są sensory, które w zależności od zasady działania mogą być:
•
półprzewodnikowe,
•
elektrochemiczne,
•
katalityczne,
•
optyczne,
•
pojemnościowe,
•
światłowodowe.
W praktyce przemysłowej najczęściej stosowane są trzy pierwsze rodzaje.
Główne funkcje i możliwości, jakie powinien spełniać sensor, to:
•
selektywność,
•
szybki czas reakcji i odpowiedzi,
•
wysoka niezawodność,
•
długi okres eksploatacji,
•
możliwość ponownej kalibracji,
•
charakterystyki
nie
zmieniane trwale przez toksyczne gazy,
•
zachowanie czułości przy wysokich stężeniach gazów,
• liniowość odpowiedzi w szerokim zakresie pomiarowym (rys.1 przedstawia charakterystykę
nieliniową),
•
niski koszt.
Niezawodność i odporność na zakłócenia czujnik uzyskuje w dużej mierze podczas dalszej obróbki
sygnału sensora gazu, który zostaje przetworzony
wewnątrz czujnika. Poszczególne egzemplarze sensorów mogą odznaczać się różną czułością na gaz,
dlatego konieczne jest wykalibrowanie każdego z detektorów przy stężeniu gazów odpowiadającym
progowi alarmowemu. Każdy system wymaga starannego przeanalizowania wyboru typu czujnika
dostosowanego do zakresu wykrywanych optymalnych stężeń i warunków, w których będzie
pracował.
3.1.1. Wpływ temperatury na pracę czujnika
Zmiany wilgotności i temperatury mają wpływ na charakterystykę większości sensorów.
Wyposażenie obwodu w element do kompensacji temperatury, zwiększa stabilność i dokładność
wykrywania. Wilgotność względna zależy od temperatury, a zatem kompensacja taka umożliwia
również w pewnym stopniu uwzględnienie zmian wilgotności. W czujnikach, dla których czułość,
selektywność i czas odpowiedzi silnie zależą od temperatury, istnieje konieczność wykonania
stabilizacji temperatury (na rys.2 przedstawiono przykładowy wpływ temperatury na
charakterystykę sensora).
W krytycznych warunkach klimatycznych komór chłodniczych i mroźni należy stosować głowice
pomiarowe detektorów, wyposażone w układy antyszronieniowe, zapewniające niezawodną wymianę
powietrza pomiędzy środowiskiem pomieszczenia chłodniczego, a komorą pomiarową czujnika.
Wszystkie elementy elektroniki powinny być niekorozyjne.
3.1.2. Czujniki elektrochemiczne
Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z 12 maja 2003 w § 9.1 dopuszcza do eksploatacji
bez stałej obsługi amoniakalne maszynownie chłodnicze wyposażone w aparaturę umożliwiającą
ciągłą kontrolę stężeń amoniaku w powietrzu i sygnalizującą przekroczenie NDS i NDSCh amoniaku
w powietrzu (14 mg/m3 i 28 mg/m3). Stężenia na tym poziomie mogą być wykrywane za pomocą
czujników elektrochemicznych. Z badań Centralnego Laboratorium Chłodnictwa wynika, że w
większości maszynowni amoniakalnych w naszym kraju, zwłaszcza w starszych obiektach, występuje
często tło amoniakalne w atmosferze. W takich warunkach zastosowanie tych czujników jest
niecelowe i nieskuteczne.
Producenci sensorów elektrochemicznych podają różną długość okresu ich stosowania - od roku
nawet do 4 lat, zastrzegając przy tym, że czujniki te będą pracowały w pomieszczeniach z czystym
powietrzem. Nasze kilkunastoletnie doświadczenia związane z projektowaniem, wdrażaniem,
okresowymi kalibracjami tych czujników w obiektach przemysłowych, potwierdziły, jak istotny jest to
warunek dla żywotności czujnika.
Wykres na rysunku 3 przedstawia w okresie półtorarocznym zachowanie się czujnika w
pomieszczeniu, w którym nie nastąpiły żadne wycieki amoniaku. Również po zdemontowaniu
czujnika, w warunkach laboratoryjnych badano czujnik przez okres następnych dwóch lat i
stwierdzono roczny spadek czułości na poziomie tylko kilku procent.
Natomiast obecność tła
amoniakalnego drastycznie zmniejsza żywotność tych czujników.
Przeprowadzono badania, umieszczając czujnik w atmosferze zawierającej pary amoniaku o stężeniu
50 ppm - wyniki tego eksperymentu przedstawia wykres na rysunku 4. Praktycznie po 3 dniach
czujnik przestał spełniać swoją funkcję, a po tygodniu w ogóle nie wykazywał obecności amoniaku w
powietrzu. Po ponownym umieszczeniu go w czystym powietrzu osiągnął czułość zaledwie na
poziomie kilku procent.
4. PODSUMOWANIE
Niekontrolowane wycieki amoniaku mogą stwarzać zagrożenie dla ludzi, produktów spożywczych, a
także być przyczyną pożarów i wybuchów. Przy zastosowaniu odpowiednich systemów kontroli,
amoniak może być czynnikiem eksploatacyjnie bezpiecznym. Bardzo ważnym elementem
bezpieczeństwa obiektów z instalacjami amoniakalnymi są prawidłowo działające systemy ciągłej
kontroli stężenia par amoniaku w powietrzu.
Zagrożenia, jakie niesie ze sobą amoniak są marginalne przy obecnym zastosowaniu środków
technicznych i organizacyjnych. W praktyce systemy kontroli posiadają różną jakość, należy zadbać o
to, aby stosować sprawdzone w działaniu, automatycznie działające, odpowiednio skalibrowane. Jest
to szczególnie ważne w krytycznych warunkach klimatycznych komór chłodniczych i mrożni.
Istotnym warunkiem prawidłowego działania alarmowych systemów detekcji jest bezwzględne
przestrzeganie harmonogramów kalibracji i serwisowania wykonywanych przez wyspecjalizowane
firmy. Niestosowanie się do tego powoduje, że w krytycznym momencie awarii, posiadany system nie
zareaguje prawidłowo.
autor: Urszula STĘPLEWSKA, Krzysztof MAĆKOWIAK, Paweł KULETA - Centralne
Laboratorium Chłodnictwa Łódź
źródło:
KONTAKT
Technika chłodnicza i klimatyzacyjna
Tel: +48 58 522 64 70
Adres:
Budowlanych 27
80-298 Gdańsk