Detekcja amoniaku w instalacjach chłodniczych

Amoniak (NH₃) ma symbol R717 i jest naturalnym czynnikiem chłodniczym o zerowym GWP oraz bardzo dobrych właściwościach termodynamicznych, dzięki którym znajduje szerokie zastosowanie, zwłaszcza w chłodnictwie. W klasyfikacji Chemical Abstracts Service ma symbol CAS 7664-41-7. Jest gazem toksycznym i jego najwyższe dopuszczalne stężenie (NDS) wynosi 14 mg/m³ ≈ 20 ppm, a najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe (NDSCh) to 28 mg/m³ ≈ 40 ppm [1]. Jest również gazem wybuchowym. Jego dolna granica wybuchowości (DGW) to 15% = 150 000 ppm, a górna (GGW): 33,6% = 336 000 ppm [2].

Ma klasę temperaturową T1 (samozapłon w temperaturze 630°C) i kategorię IIA, klasę bezpieczeństwa: B2L (o wysokiej toksyczności, trudno zapalny) oraz limit praktyczny: 0,00035 kg/m [3]. Z tych powodów gaz ten objęty jest przepisami, które wymuszają zastosowanie przy jego użyciu odpowiednich zabezpieczeń, w tym systemów detekcji.

Zasady stosowania amoniaku regulują m.in. następujące przepisy:

Rozporządzenie w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy [4]: § 97.1. Pomieszczenia przeznaczone do składowania lub stosowania materiałów niebezpiecznych pod względem pożarowym lub wybuchowym oraz pomieszczenia, w których istnieje niebezpieczeństwo wydzielania się substancji sklasyfikowanych jako niebezpieczne, powinny być wyposażone w: 1) urządzenia zapewniające sygnalizację o zagrożeniach.

Rozporządzenie w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy w zakładach przemysłu piwowarskiego i napojów gazowanych [5]: § 7.3. W przypadku chłodzenia pomieszczeń amoniakiem, w szczególności przy użyciu amoniakalnego urządzenia chłodniczego, pomieszczenia te wyposaża się w system wentylacji awaryjnej i stacjonarne analizatory, sygnalizujące sygnałem świetlnym lub dźwiękowym o przekroczeniu wartości najwyższego dopuszczalnego stężenia amoniaku.

Rozporządzenie w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy obsłudze amoniakalnych instalacji chłodniczych w zakładach przetwórstwa rolno-spożywczego [6]: § 9.1. Maszynownię i aparatownię wyposażoną w aparaturę umożliwiającą ciągłą kontrolę stężeń amoniaku w powietrzu i sygnalizującą przekroczenie wartości najwyższego dopuszczalnego stężenia oraz najwyższego dopuszczalnego stężenia chwilowego amoniaku w powietrzu, wchodzącą w skład amoniakalnej instalacji chłodniczej, dopuszcza się do eksploatacji bez stałej obsługi.

Powyższe zapisy stawiają wymóg stosowania systemu detekcji amoniaku i częściowo precyzują parametry systemu, nakazując monitorowanie i sygnalizowanie przekroczenia stężenia NDS i NDSCh. Trzeba jednak pamiętać, że nie są to wartości chwilowe (bieżące stężenie), tylko wartości średnie ważone. Oznacza to, że detektory muszą być w stanie wykonywać pomiar uśredniony i go sygnalizować.

Oczywiście przepisy nie precyzują pozostałych parametrów systemu, pozostawiając je w gestii uprawnionego projektanta. Normy PN-EN 378-1+A1:2021-03 Instalacje chłodnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe, definicje, klasyfikacja i kryteria wyboru [3] i PN-EN 378-3+A1:2021-03 [8] Instalacje chłodnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska przewidują m.in.:

• powiadamianie lokalne i osób nadzoru,
• niezależne zasilanie systemu detekcji w stosunku do systemu maszynowni (możliwe do zrealizowania za pomocą zasilania rezerwowego),
• sygnalizację o 15 dB głośniejszą niż otaczające tło,
• sygnalizatory wewnątrz i na zewnątrz maszynowni,
• dla pomieszczeń kategorii „a” (ogólny dostęp) przekazywanie sygnału do pomieszczenia nadzoru,
• dla instalacji > 3000 kg przekazywanie alarmu do personelu, który powinien zareagować najpóźniej w ciągu 60 min,
• przy przekroczeniu limitu praktycznego dla maszynowni – sygnalizację alarmową oraz uruchomienie wentylacji,
• swobodny dostęp serwisowy,
• detekcję poziomu zagrożenia wybuchowego dla instalacji > 50 kg na poziomie do 30 000 ppm = 3% = 20% DGW, przy którym następuje zatrzymanie pracy instalacji, odcięcie zasilania i zatrzymanie wentylacji.

Ten ostatni parametr ma szczególne znaczenie, gdyż wprowadza dodatkowe zabezpieczenie pod kątem wybuchowym. Warto zwrócić uwagę, że jeśli w maszynowni znajdują się wyłącznie detektory stężeń toksycznych rzędu NDS i NDSCh, przy nieco większym wycieku bardzo szybko wskazania te zostaną przekroczone i obsługa oraz służby ratownicze zostaną pozbawione informacji o bieżącym stężeniu i możliwości wejścia. Drugi poziom detekcji, w zakresie wybuchowym 0–100% DGW, umożliwia monitorowanie sytuacji i podjęcie działań, gdy jest to jeszcze możliwe i bezpieczne.

Należy tutaj wspomnieć, że zgodnie z § 37.1 rozporządzenia w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów i terenów [7]: W obiektach i na terenach przyległych, gdzie są prowadzone procesy technologiczne z użyciem materiałów mogących wytworzyć mieszaniny wybuchowe lub w których materiały takie są magazynowane, dokonuje się oceny zagrożenia wybuchem. Maszynownie są najczęściej w jakimś stopniu objęte strefą zagrożenia wybuchem (np. przy suficie) więc będą to raczej detektory w wykonaniu ATEX. W tym zakresie obowiązuje jeszcze jedna ważna regulacja w rozporządzeniu [7]:

§ 2.1. Ilekroć w rozporządzeniu jest mowa o: 9) urządzeniach przeciwpożarowych – należy przez to rozumieć [...], urządzenia zabezpieczające przed powstaniem wybuchu i ograniczające jego skutki [...];

§3.1. Urządzenia przeciwpożarowe w obiekcie powinny być wykonane zgodnie z projektem uzgodnionym przez rzeczoznawcę do spraw zabezpieczeń przeciwpożarowych, a warunkiem dopuszczenia ich do użytkowania jest przeprowadzenie odpowiednio dla danego urządzenia prób i badań, potwierdzających prawidłowość ich działania.

Ten bardzo ważny zapis mówi wprost, że systemy bezpieczeństwa są na tyle istotnym elementem, iż musi je projektować osoba posiadająca odpowiednie uprawnienia. Od bezpieczeństwa należy też wyjść, projektując systemy detekcji w przemyśle. Same deklaracje producenta tutaj nie wystarczą i warto opierać się na certyfikatach określających poziom bezpieczeństwa integralnego SIL (Safety Integrity Level). Dla systemów detekcji gazów optymalnym poziomem jest SIL2.

Do wykrywania amoniaku stosuje się najczęściej technologie: elektrochemiczną – dla zakresów toksycznych i katalityczną – dla zakresów wybuchowych. Na rynku dostępny jest także sensor półprzewodnikowy, jednak technologia ta stosowana jest raczej przy dużych stężeniach, gdyż nie jest wystarczająco selektywna (reaguje na wiele innych substancji czy skoki wilgotności) i nie jest liniowa, co jest niekorzystne w kontekście pomiaru i przeliczania średniej ważonej.

Norma PN-EN 378-3+A1:2021-03 [8] wspomina jedynie, że detektory powinny zostać rozmieszczone w miejscach potencjalnego gromadzenia się gazu. Wskazanie tych miejsc nie jest łatwe, a dodatkowo istnieje wiele czynników, które zakłócają lub uniemożliwiają pomiary. Przykładowo w mroźniach należy wziąć pod uwagę możliwe oblodzenie, które może zatkać wloty lub membrany detektora.

Detektory gazów nie powinny być umieszczane przy przepływie powietrza oraz w miejscach narażonych na oszronienie lub kondensację pary wodnej (np. za chłodnicami czy przy bramach). Częściową pomocą mogą tu być dodatkowe nasadki ochronne IP66, które sprawdzają się w wilgotnych halach produkcyjnych, ale nie rozwiążą problemu dużej kondensacji lub oszronienia.

Eksploatacja to poważny koszt, po kilku latach nierzadko przekraczający cenę samych urządzeń. Projektując system detekcji, nie zawsze dysponujemy kompletem informacji i proste z pozoru umieszczenie detektora na suficie wysokiej chłodni może się okazać wyzwaniem dla serwisu, kiedy pomieszczenie zacznie pełnić swoją funkcję i to przy niskiej temperaturze. W pkt 9.4 normy PN-EN 378­-3+A1:2021-03 [8] także znajduje się zalecenie zapewnienia dostępu serwisowego. W przypadku chłodni i mroźni często stosowanym rozwiązaniem są detektory z sensorem wyniesionym, wpuszczanym przez sufit, umożliwiające przeprowadzenie serwisu z poziomu poddasza technologicznego.

Kluczowym elementem każdej instalacji detekcji jest takie rozmieszczenie detektorów, aby znajdowały się one w miejscu, w którym będzie się gromadził gaz. Amoniak jest gazem lżejszym od powietrza (współczynnik 0,6), co oznacza, że będzie się gromadził w najwyższych punktach pomieszczenia. Trzeba jednak pamiętać, że system detekcji ma różne zadania. Detektory mające wykrywać wycieki lub chroniące produkt oraz zabezpieczające przed wybuchem będą lokalizowane przy suficie, natomiast urządzenia odpowiadające za ochronę ludzi będą montowane na wysokości ok. 150–180 cm od podłoża. Różne podejście dotyczy także lokalizacji poziomej i progów alarmowych (rys. 1). Wyciek w nieuczęszczanym pomieszczeniu czy poddaszu technologicznym kategorii „c” (dostęp kontrolowany) nie musi być sygnalizowany tak szybko i przy tak wysokiej czułości, jak pojawienie się amoniaku w pomieszczeniach produkcji kategorii „b” (dostęp dozorowany) lub ogólnodostępnych kategorii „a”.

Także progi alarmowe uruchamiające urządzenia wykonawcze, jak wentylacja mechaniczna, sygnalizacja czy odłączanie pracy układu, muszą zostać dobrane odpowiednio do zagrożeń. Poziomy ostrzegawcze NDS i NDSCh wymienione w przepisach stanowią tylko część schematu sterowania i alarmowania. Nowoczesne cyfrowe systemy umożliwiają czterostopniową ochronę, która pozwala na optymalne ustawienie, tak aby incydenty lub fałszywe alarmy nie paraliżowały pracy zakładu, a jednocześnie chroniły pracowników. Istotna jest możliwość realizowania przez detektor zarówno pomiaru chwilowego, jak i średniego, co pozwoli projektantowi na optymalne dopasowanie rozwiązania.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Rodziny, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 12 czerwca 2018 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (DzU 2018, poz. 1286)

2. PN-EN-ISO IEC-80079-20-1 Atmosfery wybuchowe. Część 20-1: Właściwości materiałowe dotyczące klasyfikacji gazów i par. Metody badawcze i dane

3. PN-EN 378-1+A1:2021-03 Instalacje chłodnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe, definicje, klasyfikacja i kryteria wyboru

4. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (t.j. DzU 2003, nr 169, poz.1650)

5. Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 23 czerwca 2004 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy w zakładach przemysłu piwowarskiego i napojów gazowanych (DzU 2004, nr 160, poz. 1669)

6. Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 12 maja 2003 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy obsłudze amoniakalnych instalacji chłodniczych w zakładach przetwórstwa rolno-spożywczego (DzU 2003, nr 98, poz. 902)

7. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU 2010, poz. 719)

8. PN-EN 378-3+A1:2021-03 Instalacje chłodnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 3: Usytuowanie instalacji i ochrona osobista