Stosowanie amoniaku w instalacjach chłodniczych wymaga odpowiedniego zabezpieczenia systemami wykrywającymi ewentualne wycieki. Odpowiedni wybór systemów stosowanych do monitoringu pozwala na skuteczne zabezpieczenie obiektów przemysłowych, handlowych i pomieszczeń chłodniczych przed wystąpieniem niebezpiecznych stężeń czynnika chłodniczego w powietrzu. Poszczególne elementy systemu należy dobierać uwzględniając specyfikę konkretnego zastosowania. 

W pierwszej części cyklu, w numerze 5/2017 Ch&K przedstawiona została charakterystyka amoniaku jako czynnika chłodniczego, budowa i funkcje systemów detekcji oraz wymagania stawiane systemom monitoringu wycieków czynników chłodniczych. Kontynuując tą tematykę, w niniejszej części omówiony zostanie przykładowy system pomiarowo-decyzyjny ostrzegający o wycieku, opracowany i wdrożony przez IBPRS Zakład Technologii i Techniki Chłodnictwa, Pracownię Chłodnictwa i Ochrony Środowiska w Łodzi. Opisano przykładowe zadania i działanie oprogramowania obsługującego ten system, uwzględniając funkcję uruchamia automatycznego czynności prewencyjnych oraz archiwizację alarmów.

System kontroli (pomiaru i rejestracji) stężenia amoniaku

Opracowany przez instytut system kontroli stężeń amoniaku, zgodnie z przedstawionymi w pierwszej części artykułu wymaganiami, działa w sposób ciągły. Pojawienie się stężeń alarmowych sygnalizowane jest akustycznie i/lub optycznie, a sygnał alarmowy przekazywany jest do odpowiednich osób mających podjąć skuteczne działanie. Wskazania systemu są archiwizowane w sposób ciągły, co daje rzeczywisty obraz warunków w obiekcie.

System ten będzie działał prawidłowo, jeśli spełnione zostaną następujące warunki: ƒƒ

• zostanie przeanalizowany i przeprowadzony odpowiedni dobór urządzeń i oprogramowania systemu pod względem warunków panujących w monitorowanym obiekcie i potrzeb użytkowników (temperatura, wilgotność, obecność gazów zakłócających pomiar, zakres pomiarowy, sposób wizualizacji i archiwizacji wyników, konieczność sterowania urządzeniami wykonawczymi, konieczność stosowania zasilania awaryjnego);
• ƒƒ progi alarmowe muszą być ustawione na optymalnym poziomie zapewniającym bezpieczeństwo, ale nie na zbyt niskim, gdyż mogą one wywoływać niepotrzebne alarmy i zakłócać funkcjonowanie monitorowanego obiektu; ƒƒ
• należy odpowiednio zaplanować rozmieszczenie czujników. Wybór ich miejsca może zależeć od wielu czynników, m.in. od gęstości oznaczanego gazu, ruchu powietrza w monitorowanej przestrzeni, lokalizacji otworów wywiewnych i nawiewnych w monitorowanym obiekcie; ƒƒ
• konieczne jest zapewnienie odpowiedniego dostępu do urządzeń systemu detekcji gazu;
• ƒƒ instalacja systemu zgodne z przepisami i obowiązującymi zasadami;
• ƒƒ eksploatacja systemu zgodnie z instrukcją obsługi m.in. przestrzeganie terminów kalibracji czujników i kontroli pracy systemu.

Głównym elementem sterującym pracą systemu detekcji wycieku czynnika chłodniczego jest centrala. W centrali układu monitoringu obiektu chłodniczego można stosować różne rozwiązania. Zastosowanie odpowiednio skonfigurowanego oprogramowania komputerowego umożliwia indywidualne podejście do każdego przypadku i pozwala na dużą elastyczność, m.in. w konfigurowaniu ilości punktów pomiarowych, zastosowaniu różnych progów detekcji, różnego typu sensorów pomiarowych, czy w definiowaniu funkcji wykonawczych. Centrala systemu detekcji jest urządzeniem kontrolno-decyzyjnym ostrzegającym o wycieku z instalacji chłodniczej (sygnalizacja akustyczno-optyczna). W przypadku niepożądanej emisji, system zabezpiecza obiekt przemysłowy (przed osiągnięciem niebezpiecznych stężeń czynnika chłodniczego w powietrzu) poprzez załączenie: ƒƒ

• urządzeń wykonawczych w postaci wentylacji awaryjnej, ƒƒ
• elektrozaworów na instalacji chłodniczej,
• ƒƒ odcięcia energii elektrycznej z zagrożonych pomieszczeń,
• ƒƒ uruchomienia sygnalizacji alarmowej itp. Działania te są uzależnione od stężenia gazu w powietrzu.

Jednymi z najważniejszych elementów konstrukcyjnych systemu detekcji są czujniki. Powinny one wykazywać następujące cechy:

• ƒƒselektywność, ƒƒ
• szybki czas reakcji i odpowiedzi, ƒƒ
• wysoka niezawodność, ƒƒ
• długi okres eksploatacji, ƒƒ
• możliwość kalibracji, ƒƒ
• zachowanie odpowiedniej czułości po odpowiedzi na wysokie stężeniach gazów, ƒƒ liniowość odpowiedzi w szerokim zakresie pomiarowym.

W obiektach chłodniczych z reguły panują krytyczne warunki klimatyczne, zatem czujniki muszą prawidłowo działać, niejednokrotnie w skrajnych warunkach temperaturowo- -wilgotnościowych. W ramach różnych prac badawczych, w IBPRS Zakładzie Technologii i Techniki Chłodnictwa w Łodzi opracowano i skonstruowano czujniki detekcji czynników naturalnych dostosowane do konkretnych stężeń i substancji. Czujniki te zostały wyposażone w opracowany własny system kompensacji temperatury wraz z układem chroniącym przed szronieniem. Rozwiązanie to zapewnia prawidłowe działanie sensorów w krytycznych warunkach chłodniczych oraz umożliwia wiarygodny i powtarzalny pomiar stężenia.

W skład opracowanego systemu wchodzą czujniki (m.in. katalityczne, półprzewodnikowe, elektrochemiczne) oraz centrala zbudowana na bazie komputera PC z niezbędnym oprogramowaniem, kartą przetworników analogowo-cyfrowych, terminalem, kartą przekaźnikową, zasilaczem oraz sygnalizatorem akustyczno-optyczny (rysunek 1.). Zastosowana karta została dodatkowo wyposażona w elementy służące do obsługi wyjść sterujących w postaci zewnętrznej cyfrowej karty przekaźnikowej i zewnętrznej karty przesyłu danych cyfrowych i sygnałów analogowych, połączonych ze sobą za pomocą specjalistycznego okablowania. Przykładowe rozmieszczenie elementów sytemu kontroli amoniaku w rzeczywistym obiekcie zostało przedstawione na rysunku 2.

Rys. 1. Centrala układu monitoringu zbudowana na bazie komputera PC z niezbędnym oprogramowaniem, kartą przetworników analogowo-cyfrowych, terminalem, kartą przekaźnikową, zasilaczem oraz sygnalizatorem akustycznooptycznym

 Rys. 2. System kontroli amoniaku w zakładzie przemysłowym

Na podstawie mierzonych wartości sygnału wejściowego z czujników program umożliwia automatyczne sterowanie odpowiednimi urządzeniami: wentylacją awaryjną, zaworami, sygnalizacją, wyłącznikami awaryjnymi energii itd. Zastosowane elementy karty pomiarowej przetworników analogowo-cyfrowych pozwalają na podłączenie wymaganej ilości punktów pomiarowych wejść analogowych. W programie obsługi systemu detekcji czynnika chłodniczego założono, że wszystkie wejścia pomiarowe czujników posiadają dwa poziomy alarmu. W przypadku czujników elektrochemicznych, I próg stężenia amoniaku jest ustalony na poziomie NDS i wynosi 25 ppm, a II próg stężenia wynosi 50 ppm. Po przekroczeniu tych progów w systemie pojawiają się migające napisy odpowiednio „25 ppm ALARM 1-go stopnia” lub „50 ppm ALARM 2-go stopnia” oraz załączają się właściwe funkcje wykonawcze. Analogicznie dzieje się w przypadku czujników katalitycznych i rezystancyjnych – szczegółowe informacje zestawiono w tabeli 1. Dodatkowo sygnalizowane jest uszkodzenie czujnika jako informacja „awaria czujnika”. Rysunek 3. przestawia przykładowe wskazania czujników systemu kontroli stężeń amoniaku.

Rys. 3. Pomiar i rejestracja stężenia amoniaku za pomocą systemu kontroli stężeń amoniaku

Automatyczne sterowanie urządzeniem wykonawczym może być zablokowane ręcznie, np. przy wykonywaniu czynności serwisowych. Zatem, funkcje wykonawcze mogą być sterowane zarówno automatycznie, jak również ręcznie. Dzięki zastosowanym rozwiązaniom obsługa tego programu jest intuicyjna, a uzyskane informacje o działaniu sytemu kontroli stężeń amoniaku są jednoznaczne. Analizując uzyskane dane możemy stwierdzić, czy i gdzie miało miejsce przekroczenie stężeń progowych. Wskazuje to na wyciek z instalacji znajdującej się w tym pomieszczeniu, a dokładniej w okolicy umieszczonych czujników.

Wszystkie zaistniałe zdarzenia przekroczeń stężeń progowych są archiwizowane w systemie informatycznym. Możliwe jest ich przeglądanie w postaci raportów. Program ten umożliwia zarządzanie zarejestrowanymi danymi, tworzenie raportów o alarmach dla danego okresu czasu i/lub wybranych obiektów oraz ich wydrukowanie.

Podsumowanie

Bezpieczeństwo instalacji chłodniczej nie odnosi się jedynie do zagadnień ochrony środowiska naturalnego czy ekonomii, ale również do zapobiegania bezpośrednim zagrożeniom dla zdrowia i życia użytkowników oraz bezpieczeństwa produkowanej i przechowywanej żywności. W związku z kierunkami rozwoju branży chłodniczej oraz wymogami ochrony środowiska znaczenia nabierają naturalne czynniki chłodnicze. Ze względu na ich wysoką palność, wybuchowość czy toksyczność, stwarzają one poważne niebezpieczeństwo w przypadku wycieku. Prawidłowo działające systemy wykrywające niekontrolowane wycieki zapobiegają poważniejszym awariom i negatywnym konsekwencjom w obiektach przemysłowych, handlowych i pomieszczeniach chłodniczych podczas przetwórstwa i przechowalnictwa produktów rolno-spożywczych.

Opracowany systemu monitoringu amoniaku umożliwia sygnalizację akustyczno-optyczną przekroczenia zadanych progów stężenia amoniaku oraz pomiar i archiwizację mierzonych danych. Zastosowanie dodatkowej aplikacji umożliwia monitorowanie innych parametrów procesów (m.in. temperatura i wilgotność) w całym łańcuchu chłodniczym przechowalnictwa i przetwórstwa żywności.

dr inż. Magdalena WRÓBEL-JĘDRZEJEWSKA
– Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-
-Spożywczego im. prof. Wacława
Dąbrowskiego w Warszawie, Zakład
Technologii i Techniki Chłodnictwa w Łodzi,
Pracownia Chłodnictwa i Ochrony Środowiska

mgr inż. Urszula STĘPLEWSKA
– Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-
-Spożywczego im. prof. Wacława
Dąbrowskiego w Warszawie, Zakład
Technologii i Techniki Chłodnictwa w Łodzi,
Pracownia Chłodnictwa i Ochrony Środowiska

LITERATURA:

[1] PN-EN 378: 2017 Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska.

[2] KALINOWSKI K., PALIWODA A., BONCA Z., BUTRYMOWICZ D., TARGAŃSKI W.: Amoniakalne urządzenia chłodnicze Tom I, MASTA 2000.

[3] BONCA Z., BUTRYMOWICZ D., DAMBEK D, DEPTA A. TARGAŃSKI W.: Czynniki chłodnicze i nośniki ciepła, MASTA 1997.

[4] WRÓBEL-JĘDRZEJEWSKA M., STĘPLEWSKA U., POLAK E.: 2013. Detekcja węglowodorów w krytycznych warunkach chłodniczych. Badania reakcji czujników na propan. Chłodnictwo XLVIII 8, 28-34.

[5] WRÓBEL-JĘDRZEJEWSKA M. STĘPLEWSKA U., SENDER W.: 2013. Detekcja gazów zagrażających wybuchem w przemyśle chłodniczym. Chłodnictwo XLVIII nr 4, 24-26.

[6] WRÓBEL-JĘDRZEJEWSKA M., STĘPLEWSKA U., SENDER W., KULETA P., PRZYBYSZ Ł., POLAK E.: 2013. Detekcja węglowodorów w krytycznych warunkach chłodniczych. Badania reakcji czujników na propan i izobutan. Post. Nauki Technol. Przem. Rolno-Spoż. 68 nr 2, 80-106.

[7] STĘPLEWSKA U., WRÓBEL-JĘDRZEJEWSKA M.: 2013. Niekontrolowane wycieki czynnika roboczego z instalacji chłodniczych. Przemysł Spożywczy 67 nr 9, 10-12.