Detekcja gazów w ładowalniach akumulatorów

22

Budowa i wyposażenie ładowalni akumulatorów jest opisane w wielu regulacjach prawnych, normach i publikacjach. Aspekty techniczne procesu ładowania, wyposażenie, transport, podłączanie itp. są najczęściej profesjonalnie przygotowywane przez dostawców osprzętu. Zanim jednak zaczniemy użytkować pomieszczenie ładowalni musimy przede wszystkim zadbać o bezpieczeństwo. Niestety bywa z tym różnie…

Zagadnienie detekcji i usuwania gazów wydawałoby się od lat znane, niestety wiele ładowalni jest pod tym względem źle zabezpieczonych, co w najlepszym wypadku skutkuje fałszywymi alarmami i ciągłym odłączaniem prostowników, a w najgorszym nie chroni przed zagrożeniem.

Charakterystyka zagrożeń gazowych.

Głównym zagrożeniem w ładowalniach akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest wodór (H2) wydzielany w reakcji elektrolizy wodnego roztworu kwasu stanowiącego elektrolit akumulatora. Wodór jest gazem bez barwy i zapachu, znacznie lżejszym od powietrza (współczynnik ciężaru w stosunku do powietrza to ok. 0,07; dla porównania używany do balonów hel charakteryzuje się współczynnikiem ok. 0,14). Własciwość ta powoduje, że wodór bardzo szybko przemieszcza się do góry i gromadzi w najwyższych miejscach pomieszczeń. Jest to też gaz palny i wybuchowy. Granice wybuchowości określa norma PN-EN-60079-20-1 2010P, wg której Dolna Granica Wybuchowości (DGW) wynosi 4% objętościowo, Górna Granica Wybuchowości (GGW) wynosi 77% objętościowo, klasa temperaturowa T1 kategoria IIC.

Regulacje prawne w zakresie detekcji gazów.

Poniżej zawarte są jedynie te regulacje prawne odnoszące się do systemu detekcji gazów w ładowalni. Należy pamiętać, że istnieje dużo więcej regulacji i norm zawierających szczegóły budowy samej ładowalni i technologii w niej zastosowanej.

Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy – Rozdział 6 Prace szczególnie niebezpieczne D. Prace przy użyciu materiałów niebezpiecznych (Dz.U. z roku 2003 nr 169 poz.1650, tekst jednolity):

§ 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;

Powyższe rozporządzenie nie określa wprost rodzaju zabezpieczeń, ich rozmieszczenia ani parametrów pozostawiając to w gestii projektanta-specjalisty. To bardzo ważny moment bowiem obiekty znacznie różnią się między sobą i nie jest możliwe odgórne określenie rodzaju i stopnia zabezpieczenia. Potrzebny jest fachowiec, który określi konieczne wymogi i dobierze rozwiązania. Co istotne to konieczność nie tylko ze względów technicznych, ale także formalnych.

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

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

Zgodnie z większością interpretacji jednym z rodzajów urządzeń zabezpieczających przed wybuchem są systemy detekcji gazów, jednak nie wszystkie. Rozporządzenie bierze bowiem pod uwagę tylko te systemy, które mogą zabezpieczać przed powstaniem wybuchu. Tym samym będą to jedynie systemy detekcji gazów wybuchowych, i to tylko te, które realizują jakąś funkcję zabezpieczającą. W tym przypadku system detekcji wodoru w ładowalni informujący o stężeniach wybuchowych i załączający wentylację lub wyłączający dalsze ładowanie spełnia te wymogi i kwalifikuje się jako zabezpieczający przed wybuchem, a więc jest on systemem ochrony przeciwpożarowej. Jak widzimy zdefiniowanie roli systemu detekcji gazów przez projektanta jest kluczowe dla jego kwalifikacji.

§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”.

Tym zapisem ustawodawca ostatecznie określił konieczność obecności nie tylko uprawnionego projektanta, ale także rzeczoznawcy ochrony pożarowej w procesie projektowania zabezpieczeń. Jednocześnie umożliwiło to kontrolę dokumentacji projektowej oraz zgodności wykonania instalacji zabezpieczającej przez uprawnione organy zarówno przy odbiorze obiektu jak i potem w trakcie okresowych kontroli.

§ 37. 1. 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.

To kolejny zapis mający kolosalne znaczenie dla projektu naszej ładowalni. Ocena zagrożenia wybuchem pozwoli bowiem na określenie i wyznaczenie stref zagrożenia wybuchem, a tym samym zdefiniuje wymagania stawiane urządzeniom montowanym w tym miejscu (w szczególności oświetleniu, detekcji i wentylacji). Jednocześnie na określenie czy strefa zostanie wyznaczona lub w jakim zakresie mają wpływ zastosowane zabezpieczenia.

 Jak widać powyżej warto poświęcić nieco czasu i środków na wykonanie dobrego projektu, który pozwoli uniknąć zagrożeń i niepotrzebnych kosztów.

Rola systemu detekcji.

Wiele osób postrzega rolę systemu detekcji wodoru w ładowalni jako sterownika wentylacji. W licznych obiektach praca wentylacji (włączanie wentylatorów) uzależniona jest od wykrycia wodoru przez detektory. Niestety jest to błędne założenie prowadzące do wielu problemów i obarczone dodatkowymi, niepotrzebnymi możliwościami usterki. Ciągła praca w obecności wodoru (nawet poniżej progów alarmowych detektora) powoduje przedwczesne zużywanie się sensorów, liczne fałszywe alarmy uniemożliwiają prawidłowe ładowanie akumulatorów, a powtarzający się stan alarmowy przestaje wzbudzać zainteresowanie obsługi. Jednak głównym błędem takiego założenia jest dopuszczenie do emisji wodoru i dopiero potem załączanie wentylacji, która ma zniwelować zagrożenie. Prawidłowo zaprojektowana ładowalnia powinna być wyposażona w wentylację usuwającą na bieżąco emitowany podczas ładowania wodór, natomiast rolą systemu detekcji jest reakcja w przypadku awaryjnym gdy wentylacja z jakiegoś powodu nie jest w stanie usunąć nadmiaru wodoru (np. jest uszkodzona lub przekroczono dopuszczalną ilość ładowanych urządzeń).

Dobór systemu detekcji.

Technologia w systemach detekcji jak w każdej dziedzinie rozwija się i oferuje coraz lepsze rozwiązania. Najważniejszy jest wybór prawidłowego typu sensora. Na rynku dostępne są głównie 2 rozwiązania: sensor półprzewodnikowy i katalityczny. Który wybrać?

Sensor półprzewodnikowy działa w oparciu o materiał (najczęściej dwutlenek cyny SnO2) zmieniający swoją przewodność w kontakcie z danym gazem. Zaletą sensorów tego typu jest duża trwałość i niski koszt jednak poważnymi wadami są reagowanie na zmiany wilgotności i temperatury, niska selektywność (reakcja na inne gazy) lub uleganie zatruciu w kontaktach z niektórymi substancjami.

Alternatywą jest sensor katalityczny działający na zasadzie utleniania gazu palnego przy wykorzystaniu katalizatora co powoduje powstanie ciepła i zmianę przewodności. Sygnał ten jest następnie porównywany z sygnałem drugiego sensora pozbawionego katalizatora co eliminuje problem zmian temperatury zewnętrznej. Sensor katalityczny charaktryzuje się wyższą selektywnością i stabilnością. Wadą tego sensora jest nieco wyższy koszt i krótszy okres eksploatacji.

Generalnie w większości przypadków lepiej sprawdza się sensor katalityczny, który jest stabilniejszy i bardziej selektywny. Warto także wybrać urządzenia wyposażone w wymienne moduły sensora umożliwiające łatwy i mniej kosztowny serwis.

Także technologia przekazywania sygnałów pomiarowych w ostatnich latach uległa zmianom i dzisiaj dostępne już są urządzenia cyfrowe adresowalne typu PolyGard2 w oparciu o standard transmisji RS485. Oznacza to znacznie mniej okablowania, niższe koszty montażu i większe możliwosci konfiguracyjno-diagnostyczne systemu,a także bezpieczeństwo przekazywania sygnału do jednostki centralnej i tym samym sterowania urządzeniami wykonawczymi (wentylacją, sygnalizatorami, prostownikami). W nowoczesnych zakładach coraz częściej stosuje się systemy zarządzania budynkiem (BMS – Building Management System). Cyfrowe systemy detekcji mogą przekazywać dane do systemów zarządzania właśnie z użyciem wyjścia RS485.

Oczywiście w przypadku gdy została wyznaczona strefa zagrożenia wybuchem należy wybrać urządzenie typu PolyXeta2 w wykonaniu przeciwwybuchowym w kategorii zgodnej z rodzajem zagrożenia (IIC).

Bezpieczeństwo.

Od dawna stosowaną w przemyśle miarą bezpieczeństwa urządzeń elektronicznych (sterowniczych lub zabezpieczających) oraz oprogramowania jest tzw. poziom SIL (ang. Safety Integrity Level – poziom nienaruszalności bezpieczeństwa). Systemy detekcji gazów powinny spełniać poziom SIL2 aby zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa w ładowalni akumulatorów.

Parametry pomiarowe.

Projektant systemu detekcji określa jakie parametry powinien on spełnic w danym obiekcie. Zakres pomiarowy urządzeń to najczęściej 0-100%DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości). Ideą systemu detekcji jest zabezpieczanie obiektu więc progi alarmowe urządzenia ustawia się odpowiednio nisko aby stężenie gazu nie osiągało wartości przy których mogłoby dojść do eksplozji. Obecne systemy PolyGard2 drugiej generacji oferują 4 progowe stopniowanie alarmowe oraz sygnał awarii. Schemat alarmowania systemu detekcji w trakcie ładowania akumulatorów jest następujący:

0% DGW – brak alarmu – pracuje I bieg wentylacji (podstawowa wydajność)

10% DGW – alarm poziomu 1 – załączenie II biegu wetylacji (maksymalna wydajność)

20% DGW – alarm poziom
u 2 – załączenie optycznego sygnału alarmowego

30% DGW – alarm poziomu 3 – odłączenie prostowników

40% DGW – alarm poziomu 4 – odłączenie zasilania obiektu oraz załączenie akustycznej sygnalizacji alarmowej

Ważne aby system nie tylko załączał progi alarmowe, ale także wyświetlał wartości pomiarowe. Dzięki temu wiadomo m.in. kiedy i czy w ogóle wodór się pojawia zanim osiągnie progi alarmowe. Daje to dodatkowe informacje obsłudze np. o stanie wentylacji lub zmianach jakie następują.

 Lokalizacja urządzeń detekcyjnych.

Umiejscowienie detektorów ma kluczowe znaczenie dla poprawnego pomiaru i skuteczności zabezpieczenia. Ważne jest doświadczenie i wiedza projektanta, które pozwalają uniknąć błędów i dostosować instalację do konkretnego obiektu. Wodór jest znacznie lżejszy od powietrza więc detektory umiesza się w najwyższych punktach pomieszczeń zwracając uwagę na „martwe pola” oraz elmenty większe niż 30cm jak podciągi, podpory itp. elementy mogące dzielić górną część pomieszczenia na strefy.

Jednocześnie detektorów nie należy umieszczać zbyt blisko wlotów i wylotów wentylacji aby przepływające powietrze nie zaburzało pomiaru.

 

 (fot.6 Detektor umieszczony zbyt blisko wlotów i wylotów wentylacji jak na powyższym zdjęciu nie będzie prawidłowo realizował pomiaru.)

Detektory nie powinny pracować w „tle gazowym” (ciągłej obecności gazu, nawet poniżej progów alarmowych). Praca w tle gazowym powoduje zbyt szybkie zużywanie się sensora (nawet dziesięciokrotnie szybsze). Istotna jest budowa układu wentylacji pomieszczenia. Częstym błędem jest zastosowanie wlotów wentylacji wyłącznie w postaci rury (kanału) umieszczonego pod sufitem. Takie rozwiązanie zapewnia wprawdzie usuwanie zalegającego wodoru, jednak najpierw gromadzący się przy suficie wodór powoduje niepotrzebnie alarm detektorów i wyłączanie prostowników uniemożliwając prawidłową pracę ładowalni. Prawidłowo rozwiązana wentylacja powinna zapewniać bieżące usuwanie wodoru np. za pomocą okapów, a dopiero w przypadku gdy wodoru jest zbyt dużo lub w przypadku uszkodzenia w
entylacji system powinien zadziałać zgodnie ze schematem alarmowania.


(Rys.1 Rysunek w uproszczeniu ilustruje problem gromadzącego się wodoru w przypadku braku okapów.)

Uruchomienie systemu detekcji.

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

“Rozdz.1 par.3. pkt.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”.

Pamietajmy, że system detekcji gazów powinien zostać uruchomiony i przetestowany przed oddaniem do użytku przez specjalistę posiadającego wymagane uprawnienia zgodnie z ustawą Prawo Energetyczne. Próby powinny być przeprowadzane z użyciem gazów wzorcowych i potwierdzone stosownym protokołem.

Przeglądy i konserwacja.

Systemy ochrony pożarowej, a wśród nich systemy zabezpieczające przed wybuchem muszą być regularnie przeglądane i konserwowane.

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

§3.2.Urządzenia przeciwpożarowe oraz gaśnice przenośne i przewoźne, zwane dalej “gaśnicami”, powinny być poddawane przeglądom technicznym i czynnościom konserwacyjnym, zgodnie z zasadami i w sposób określony w Polskich Normach dotyczących urządzeń przeciwpożarowych i gaśnic, w dokumentacji techniczno-ruchowej oraz w instrukcjach obsługi, opracowanych przez ich producentów.

3. Przeglądy techniczne i czynności konserwacyjne powinny być przeprowadzone w okresach ustalonych przez producenta nie rzadziej jednak, niż raz w roku”.

Powyższy zapis wprowadza dość ciekawe rozwiązanie ponieważ nakazuje wykonywanie przeglądów technicznych zgodnie z instrukcjami obsługi producentów. Tym samym to na producentów lub wprowadzających na rynek (w przypadku urządzeń zagranicznych) zostało przerzucone określenie jak często dane systemy muszą być kontrolowane. Czyli jeżeli producent zapisał zalecenie wykonania serwisu co 3 miesiące (tak jak w większości systemów detekcji) to musimy przestrzegać tego terminu. Jednocześnie ustawodawca ograniczył górną granicę czasokresu wykonywania przeglądów gdyż jeżeli producent zapisał przegląd techniczny co 2 lata to rozporządzenie wyraźnie określa, że użytkownik musi wykonać przegląd nie rzadziej niż raz na rok.

Pamiętajmy, że ten zapis daje jednocześnie organom podczas okresowej kontroli oraz ubezpieczycielom przy wypadku uprawnienie do żądania dokumentów potwierdzających sprawność urządzeń, a w przypadku ich braku… no cóż, lepiej poprostu wykonujmy przeglądy dla własnego bezpieczeństwa.

Źródło: www.detektory.pl