Uniwersalny system monitoringu niekontrolowanych wycieków amoniaku z instalacji chłodniczych

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.

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 potrafią 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, niepowodujących
żadnych szkód dla zdrowia; niektóre
źródła podają, że jest to zaledwie 5
ppm [1, 2]. 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.
Tabela 1. Zestawienie zagrożeń dla organizmu ludzkiego w zależności od stężenia par amoniaku w powietrzu [3]

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.
Tabela 2. Właściwości wybuchowe amoniaku


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
wykazują jaja, 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. Zidentyfikowane 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
zweryfikowała 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.

Rys. 1. Przykładowa charakterystyka sensora
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.

Rys. 2. Wpływ temperatury na charakterystykę sensora
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.

Rys. 3. Utrata czułości elektrochemicznego czujnika amoniaku w czystym powietrzu

Rys. 4. Utrata czułości elektrochemicznego czujnika amoniaku w obecności tła rzędu 50 ppm NH3
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 mroźni.
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.
Autorzy: Urszula STĘPLEWSKA, Krzysztof MAĆKOWIAK, Paweł KULETA - Centralne Laboratorium Chłodnictwa Łódź
Źródło: "Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna" nr 5/2007

LITERATURA
[1] Praca zbiorowa: Zatrucia gazami – kompendium
prewencji diagnostyki i terapii. Instytut
Medycyny Pracy, Łódź
[2] Strona internetowa: www.eurammon.com.
[3] Lindborg A.: The properties of ammonia. Frigoscandia
Proc., November1991, pp. 9-17