Amoniak NH3, oznaczany również jako R717 jest naturalnym czynnikiem chłodniczym stosowanym w dużych zakładach przemysłowych. Jego zaletą jest względna neutralność wobec środowiska (jedynie wodny roztwór jest szkodliwy dla organizmów wodnych) oraz właściwości termodynamiczne, dzięki czemu jest on wysoce efektywną substancją. Amoniak jest zarazem gazem łatwopalnym i wybuchowym, który wymaga instalacji systemu detekcji i zabezpieczenia.
Charakterystyka amoniaku
Amoniak jest lżejszy od powietrza oraz ma charakterystyczny ostry zapach. Według normy PN-EN-60079-20-1 2010P dolna granica wybuchowości (DGW) to 15% v/v, górna granica wybuchowości (GGW) wynosi 33,6% v/v. Temperatura samozapłonu 630oC, klasa temperaturowa T1 kategoria IIA. Amoniak jest także toksyczny, a jego NDS (Najwyższe Dopuszczalne Stężenie) wynosi około 20 p pm (14 mg/m3), a NDSCh (Najwyższe Dopuszczalne Stężenie Chwilowe) około 40 ppm (28 mg/m3).
Tabela 1. Działanie amoniaku na organizm ludzki. Źródło: Wikipedia.
| Wpływ na organizm ludzki | Stężenie [ppm*] | Dopuszczalny czas przebywania |
| Charakterystyczny zapach | 25 | Bez ograniczeń |
| Silny zapach | 35 | 8 godzin dziennie |
| Wyraźnie wyczuwalny zapach | 50 | Według niezbędnych potrzeb |
| Ostry nieprzyjemny zapach | 100 | Natychmiastowe opuszczenie pomieszczenia |
| Podrażnienie śluzówki oczu, nosa i dróg oddechowych | 400 – 700 | Godzina przebywania nie powoduje poważnych konsekwencji |
| Kaszel, odczucie blokady oddechu, silne podrażnienie śluzówek | 1000 – 1700 | Pół godziny przebywania może doprowadzić do następstw |
| Silny kaszel, skurcze gardła, blokada oddechu, żrące podrażnienie śluzówek i dróg oddechowych | 2000 – 5000 | Pół godziny przebywania może doprowadzić do śmierci |
| Porażenie nerwowe i duszenie | >5000 | Kilka minut przebywania powoduje śmierć |
*ppm – parts per milion
Przepisy, regulacje
Wymóg stosowania systemów zabezpieczających przy układach, w których stosowany jest amoniak (NH3) jest regulowany m.in. przez:
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:
- urządzenia zapewniające sygnalizację o zagrożeniach;
Rozporządzenie nie określa jakie dokładnie to mają być zabezpieczenia, ani w jaki sposób mają być rozmieszczone. Tym samym konieczne jest wykonanie projektu przez uprawnionego projektanta z odpowiednim doświadczeniem w tego typu instalacjach.
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, […];
Do systemów przeciwpożarowych zaliczane są systemy detekcji gazów, które jednocześnie realizują funkcję zabezpieczającą przed wybuchem. W przypadku chłodni i maszynowni amoniakalnych stosuje się systemy detekcji, które przy zbyt wysokim stężeniu mogą załączać wentylację, wyłączać maszynownię lub zamykać dopływ czynnika przy pomocy zaworów elektromagnetycznych.
Konieczność wykonania projektu także jest zawarta w niniejszej regulacji.
- 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”.
Zgodnie z powyższym projekt powinien zostać uzgodniony ze specjalistą z dziedziny ochrony przeciwpożarowej. Taki zapis uprawnia służby do inspekcji wykonanej dokumentacji oraz samego wykonania instalacji zabezpieczającej przy odbiorze obiektu jak i w przy późniejszych okresowych kontrolach obiektu.
- 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.
Jednym z kroków do zabezpieczenia obiektu jest ocena zagrożenia wybuchem. Jest to dokument określający potencjalne ryzyka oraz wyznaczający ewentualne strefy zagrożenia wybuchem. Stanowi jedną z podstaw do doboru odpowiednich urządzeń. Warto pamiętać, że strefa zagrożenia wybuchem może być zakwalifikowana do niższej grupy lub wręcz można odstąpić od jej wyznaczenia w zależności od wykorzystanych w niej zabezpieczeń (np. systemu detekcji amoniaku).
Przy planowaniu systemu detekcji należy także zwrócić uwagę na toksyczny aspekt amoniaku co reguluje poniższe rozporządzenie.
Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.
- 1. 1. Ustala się wartości najwyższych dopuszczalnych stężeń chemicznych i pyłowych czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy, określone w wykazie stanowiącym załącznik nr 1 do rozporządzenia.
- 2. Wartości, o których mowa w § 1 ust. 1, określają najwyższe dopuszczalne stężenia czynników szkodliwych dla zdrowia, ustalone jako:
najwyższe dopuszczalne stężenie (NDS) – wartość średnia ważona stężenia, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu 8-godzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy, określonego w Kodeksie pracy, przez okres jego aktywności zawodowej nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz w stanie zdrowia jego przyszłych pokoleń;
najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe (NDSCh) – wartość średnia stężenia, które nie powinno spowodować ujemnych zmian w stanie zdrowia pracownika, jeżeli występuje w środowisku pracy nie dłużej niż 15 minut i nie częściej niż 2 razy w czasie zmiany roboczej, w odstępie czasu nie krótszym niż 1 godzina;
najwyższe dopuszczalne stężenie pułapowe (NDSP) – wartość stężenia, która ze względu na zagrożenie zdrowia lub życia pracownika nie może być w środowisku pracy przekroczona w żadnym momencie.
- 3. Wartości, o których mowa w § 1 ust. 2, określają najwyższe dopuszczalne natężenia fizycznego czynnika szkodliwego dla zdrowia – ustalone jako wartość średnia natężenia, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu 8-godzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy, określonego w Kodeksie pracy, przez okres jego aktywności zawodowej nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz w stanie zdrowia jego przyszłych pokoleń.
Ważnym elementem w/w regulacji jest odniesienie się do wartości średnich, a nie chwilowych. Oddziaływanie gazu toksycznego na człowieka jest bowiem skorelowane z czasem ekspozycji. Stąd detektory systemu detekcji w miejscach gdzie przebywają ludzie także powinny mieć możliwość realizacji pomiaru średniej ważonej aby móc odpowiednio sterować urządzeniami zabezpieczającymi.
Dobór urządzeń
W zakresie bezpieczeństwa użytkowania i sygnalizacji alarmowej systemy detekcji amoniaku powinny być dostosowane do przemysłowego poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa SIL2 (Safety Integrity Level). Jest to poziom zalecany w zakładach przemysłowych m.in. dla pomieszczeń chłodni, tuneli mroźniczych, zamrażalni, maszynowni chłodniczych czy pomieszczeń instalacji technologicznych amoniaku.
Istotną kwestią jest dobranie odpowiedniego typu sensora do instalacji. Obecnie dostępne są sensory elektrochemiczne, katalityczne oraz półprzewodnikowe. Każdy z nich jest przystosowany do różnych warunków pracy.
Sensor półprzewodnikowy dokonuje pomiaru za pomocą materiału półprzewodnikowego (najczęściej stosuje się dwutlenek cyny SnO2), którego rezystancja jest zależna od stężenia gazu. Cechuje go wysoka podatność na zmiany temperatury i wilgotności oraz niska selektywność (może reagować na inne gazy). Te cechy powodują, że tego typu sensor nie jest odpowiedni do środowisk przemysłowych.
Sensor elektrochemiczny ma wbudowane 2 elektrody zanurzone w elektrolicie, które reagują zmianą potencjału elektrycznego poprzez dostający się gaz. Wykorzystuje się je najczęściej do pomiaru gazów o niskich stężeniach (toksycznych). Charakteryzują się odpornością na zmiany temperatury i wilgotności, a także wysoką selektywnością. Ważnym aspektem jest liniowa charakterystyka odpowiedzi sensora dzięki czemu pomiar jest zbliżony do rzeczywistego.
Sensor katalityczny służy przede wszystkich do pomiarów zakresu %DGW przez co jego zastosowanie ogranicza się do specyficznych obiektów. Wykonuje pomiar na zasadzie reakcji utleniania gazu palnego przy wykorzystaniu katalizatora, co zmienia temperaturę i co za tym idzie przewodność. Ma liniową charakterystykę i wysoką stabilność. Dzięki elementowi porównawczemu nie reaguje na zmiany temperatury i wilgotności.
Z perspektywy dalszej eksploatacji stosuje się detektory z wymiennymi modułami sensorycznymi, co ułatwia czynności serwisowe i obniża ich koszty.
Instalacja systemu detekcji
Amoniak jest lżejszy od powietrza, dlatego detektory tego gazu powinny być umieszczone w najwyższych punktach pomieszczeń. Przy instalacji należy uwzględnić elementy mające wpływ na przemieszczanie się i lokalizację gazu jak martwe strefy, wloty i wyloty wentylacji lub elementy konstrukcyjne sufitu większe niż 30 cm, które mogą dzielić je na strefy.
W niektórych obiektach (szczególnie wysokich), w których długotrwale przebywają ludzie, detektory umieszczone na suficie mogą być niewystarczające lub reagować zbyt późno. W takich przypadkach instaluje się dodatkowe detektory na wysokości głowy człowieka.
W chłodniach dodatkowym czynnikiem może być oblodzenie, które może doprowadzić do zablokowania sensora co uniemożliwi poprawny pomiar. Aby temu zapobiec na etapie projektu należy ocenić w jakich miejscach tworzyć się będzie pokrywa lodowa oraz przewidzieć odpowiedni odstęp od sufitu.
Fot. 1 – Pokrywa lodowa może skutecznie zasłonić wlot detektora uniemożliwiając prawidłową detekcję gazu
Kolejnym czynnikiem mogącym wpłynąć negatywnie na detektor jest obecność tła gazowego (czyli niewielkiego stężenia gazu w powietrzu utrzymującego się długi czas). Powoduje to znacznie szybsze zużycie sensora niż przewidywany przez producenta okres eksploatacji w czystym powietrzu.
Fot. 2 – Instalacja starszego typu. Tu szczególnie mogą występować większe wycieki dające tło gazowe, dlatego w takich miejscach stosuje się sensory o mniejszej czułości.
Fot. 3 – Umieszczenie detektora zbyt blisko wentylatorów zaburza wykonywanie pomiarów. Na zdjęciu detektor umieszczony bezpośrednio na wentylatorze.
Schemat sterowania (alarmowania) to kluczowy element każdej instalacji. Rozwój technologii umożliwia obecnie ustawienie 4 progów alarmowych w stosunku do dawniej stosowanych 2, co znacznie podnosi efektywność systemu. Dzięki takiemu rozwiązaniu system informuje odpowiednio wcześniej, zanim nastąpi najwyższy próg alarmowy powodujący odcięcie gazu lub wyłączenie maszynowni i tym samym przerwę w produkcji. Osoby nadzorujące oraz obsługa zyskują czas na podjęcie odpowiednich działań. Poniżej przedstawione są przykładowe schematy sterowania dla pomieszczeń o wysokim stopniu szczelności (gdzie przebywają ludzie) oraz niskim poziomie szczelności (gdzie obsługa pojawia się tylko okresowo i jest odpowiednio przygotowana). W przypadku starszych maszynowi i urządzeń, gdzie drobne wycieki są dość częstym zjawiskiem i poprawa jest niemożliwa bez całkowitej modernizacji, wysoka czułość sensora i niskie progi alarmowe powodowałyby ciągłe alarmy. Z kolei na działach produkcyjnych, gdzie pracownicy przebywają cały czas wskazany jest monitoring niskich poziomów stężeń.
Tabela 2 – progi alarmowe dla pomieszczeń gdzie przebywają ludzie
| Stężenie gazu
[ppm] |
Typ pomiaru* | Próg alarmowy | Rodzaj alarmu | Przykład zadziałania |
| 20 ppm | AV
(średni) |
1 | – | Załączenie wentylacji i powiadomienie służb technicznych |
| 40 ppm | AV
(średni) |
2 | – | Załączenie wentylacji na wyższy bieg |
| 50 ppm | AV
(średni) |
3 | Alarm optyczny | Opuszczenie miejsca pracy |
| 100 ppm | CV
(chwilowy) |
4 | Alarm akustyczny | Odcięcie dopływu gazu poprzez elektrozawory, zatrzymanie pracy maszynowni |
* – rodzaj pomiaru przyjmowany jako próg alarmowy AV – average value (średnia ważona) lub CV – current value (wartość chwilowa)
Tabela 3 – Przykład progów alarmowych detektorów amoniaku dla pomieszczenia maszynowni
| Stężenie gazu
[ppm] |
Typ pomiaru* | Próg alarmowy | Rodzaj alarmu | Przykład zadziałania |
| 100 ppm | AV
(średni) |
1 | Alarm optyczny 1 stopnia | Opuszczenie pomieszczeń przez pracowników bez środków ochrony, załączenie wentylacji mechanicznej |
| 250 ppm | CV
(chwilowy) |
2 | Alarm optyczny 2 stopnia | – |
| 500 ppm | CV
(chwilowy) |
3 | Alarm akustyczny 1 stopnia | Odcięcie dopływu czynnika, wyłączenie maszynowni |
| 1000 ppm | CV
(chwilowy) |
4 | Alarm akustyczny 2 stopnia |
* – rodzaj pomiaru przyjmowany jako próg alarmowy AV – average value (średnia ważona) lub CV – current value (wartość chwilowa)
Ważnym aspektem każdej instalacji jest dostęp serwisowy. Detektory należy umiejscawiać w taki sposób aby można się było do nich w miarę swobodnie dostać. Nie są zalecane miejsca nad zbiornikami, maszynami, sprężarkami ponieważ utrudnia to dostęp serwisowy. W takich miejscach można skorzystać z tzw, detektorów wyniesionych czyli detektora z sensorem zamontowanym osobno na przewodzie. Sam detektor instalowany jest nisko, a sensor na demontowanym z dołu wysięgniku pod sufitem. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest testowanie i kalibracja detektorów bez kosztownych prac wysokościowych lub konieczności wynajmu podnośników, które najczęściej nie mieszczą się w gąszczu rur maszynowni. To samo rozwiązanie znajduje zastosowanie w chłodniach gdzie detektor jest zamontowany na poddaszu, a sam sensor poprzez niewielki otwór w suficie (ok.30mm) wpuszczony do chłodni. W ten sposób serwis ma dostęp do detektora od strony poddasza co ułatwia i obniża koszty eksploatacji.
Fot. 4 – Fotografia przedstawiająca przykład instalacji amoniaku z tzw. „wyniesionym sensorem”
Monitoring systemu detekcji
Cyfrowe systemy detekcji amoniaku umożliwiają przesył danych z centrali przez port komunikacji RS485 do systemów nadzorczych jak np. BMS (Building Management System). Dzięki oprogramowaniu typu SCADA operator lub osoba nadzorująca obiekt może mieć podgląd systemu, pomiarów oraz zdarzeń (alarmów, stanów wyjść lub awarii).
Uruchomienie
Aby dopuścić system detekcji do użytku należy wykonać odpowiednie próby i badania. Osoba nadzorująca włączenie systemu do eksploatacji musi posiadać odpowiednie kwalifikacje z zakresu dozoru oraz doświadczenie w tej kwestii.
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.
Przeglądy i konserwacja
Systemy detekcji gazów podlegają obowiązkowym przeglądom technicznym. O konieczności ich przeprowadzania mówi:
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 mówi, że w przypadku terminu narzuconego przez producenta, który jest krótszy niż raz na rok należy się do niego bezwzględnie stosować. Natomiast gdy producent nie podaje terminu lub jest on dłuższy niż rok, to musi być skrócony do okresu zapisanego w powyższym rozporządzeniu, czyli do roku.
Agnieszka Matczak
