Detekcja gazów w ładowalniach akumulatorów

Ładowalnie akumulatorów to obiekty często spotykane w dużych zakładach. Ich budowa powinna być dobrze znana, szczególnie w zakresie zabezpieczeń. Niestety rzeczywistość często bywa odmienna.

Zagrożenia gazowe

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). Tym samym wodór bardzo szybko przemieszcza się do góry i gromadzi w najwyższych miejscach pomieszczeń. Jest to też gaz palny i wybuchowy. Jego granice wybuchowości określa norma PN-EN-60079-20-1:2010, według 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 przywołane są jedynie regulacje odnoszące się do systemu detekcji gazów. Należy pamiętać, że istnieje dużo więcej regulacji i norm zawierających szczegóły budowy samej ładowalni i technologii w niej zastosowanej.

Zgodnie z § 97.1 rozporządzenia Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (t.j.: DzU z 2003 r., nr 169, poz. 1650, ze zm.): 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 definiuje typu zabezpieczeń ani ich rozmieszczenia, pozostawiając to wyspecjalizowanemu projektantowi. To bardzo ważne, bowiem obiekty mimo podobnego przeznaczenia różnią się od siebie i nie jest możliwe stosowanie wszędzie takich samych rozwiązań. Potrzebny jest profesjonalista zarówno ze względów technicznych, jak i formalnych.

W rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU z 2010 r., nr 109, poz. 719, ze zm.), w § 2.1 zapisano, że przez urządzenia przeciwpożarowe należy rozumieć urządzenia zabezpieczające przed powstaniem wybuchu i ograniczające jego skutki. Za urządzenia zabezpieczające przed wybuchem uznaje się m.in. systemy detekcji gazów wybuchowych, ale tylko te, które realizują jakąś funkcję zabezpieczającą, np. włączenie wentylacji czy odcięcie dopływu czynnika. System detekcji wodoru w ładowalni załączający wentylację mechaniczną spełnia te warunki i jest tym samym urządzeniem przeciwpożarowym. Zdefiniowanie roli systemu detekcji gazów przez projektanta jest więc podstawą do jego kwalifikacji jako urządzenia przeciwpożarowego.

Przywołane rozporządzenie MSWiA stanowi w § 3.1, że 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. Zapis jednoznacznie wymaga wykonania projektu przez uprawnionego projektanta oraz zatwierdzenia jego zgodności z założeniami ochrony przeciwpożarowej przez rzeczoznawcę. Umożliwia to także kontrolę dokumentacji projektowej oraz zgodności wykonania przez uprawnione organy podczas odbioru obiektu i w trakcie okresowych kontroli.

Natomiast zgodnie z § 37.1 przywołanego rozporządzenia: 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 drugi istotny wymóg dla ładowalni. Ocena zagrożenia wybuchem (OZW) określi bowiem strefy zagrożenia wybuchem i zdefiniuje wymagania stawiane urządzeniom montowanym w tym miejscu (w szczególności oświetleniu, detekcji i wentylacji). Pamiętajmy jednak, że to proces współzależny, bowiem na wyznaczenie strefy mają wpływ m.in. zastosowane zabezpieczenia.

Rola systemu detekcji

Uzależnienie załączenia wentylatorów wyłącznie od alarmu czujników jest najpoważniejszym błędem wielu instalacji. Dopuszczenie do emisji wodoru i dopiero potem uruchomienie wentylacji prowadzi do licznych problemów. Detektory pracujące długi okres w obecności nawet niewielkiej ilości wodoru (poniżej progu alarmowego) zużywają się w bardzo szybkim tempie i wywołują fałszywe alarmy, coraz częściej wyłączając ładowanie przy prawidłowej pracy. Prawidłowo zaprojektowana wentylacja ładowalni powinna być uruchomiona na podstawowej wydajności umożliwiającej usunięcie wodoru zawsze, gdy odbywa się ładowanie. Natomiast alarm z detekcji powinien załączać wydajność awaryjną (zabezpieczającą np. przy przekroczeniu zaprojektowanej liczby akumulatorów).

Technologia pomiaru

Na rynku dostępne są dwa podstawowe rozwiązania: sensor półprzewodnikowy i katalityczny. Który wybrać? Jak wspominaliśmy w ładowalni częsty kontakt z wodorem jest nieunikniony. Niestety sensory półprzewodnikowe w takim kontakcie ulegają „uczuleniu”, generując fałszywe alarmy nawet przy prawidłowej pracy. Dlatego w ładowalniach zaleca się stosowanie sensorów katalitycznych, które są bardziej selektywne, liniowe i mniej wrażliwe na czynniki zewnętrzne.

 

Wyciągi wentylacji w tym obiekcie ustawione są zbyt nisko i gromadzący się pod sufitem wodór nie zostanie usunięty. Dodatkowo brak okapów nad ładowanymi akumulatorami uniemożliwia bieżące usuwanie wodoru. Efektem takiego stanu rzeczy były ciągłe alarmy systemu detekcji, przedwczesne zużywanie się sensorów oraz uniemożliwienie prawidłowego ładowania. Warto zwrócić uwagę na podciągi przy suficie tworzące osobne komory co znacznie utrudnia prawidłowy projekt systemu detekcji.

Bezpieczeństwo

Ze względu na emisję wodoru do powietrza systemy bezpieczeństwa ładowalni wymagają wysokiego poziomu bezpieczeństwa – co najmniej na poziomie SIL2 (ang. Safety Integrity Level – poziom nienaruszalności bezpieczeństwa). Tam gdzie wyznaczono strefę zagrożenia wybuchem należy zastosować detektory w wykonaniu przeciwwybuchowym w kategorii zgodnej z rodzajem zagrożenia (IIC). W nowoczesnych zakładach odchodzi się od prostych systemów analogowych na korzyść systemów cyfrowych z bezpieczną komunikacją RS485, które przekazują sygnał do systemu zarządzania budynkiem (BMS – Building Management System).

Parametry pomiarowe

System musi reagować odpowiednio wcześnie, jednocześnie dając obsłudze szansę na reakcję. Urządzenia pracują w zakresie 0-100% DGW (Dolnej Granicy Wybuchowości). Tym samym im więcej progów alarmowych mamy do dyspozycji, tym lepiej możemy sterować urządzeniami.  Pamiętajmy, że odłączenie prostowników nie zatrzymuje od razu emisji wodoru ze względu na gazowanie akumulatorów. 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 wentylacji (maksymalna wydajność);

– 20% DGW – alarm poziomu 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 i zmianach jakie następują.

Ładowanie akumulatorów – detekcja wodoru i wentylacja. Rysunek w uproszczeniu ilustruje problem gromadzącego się wodoru w przypadku braku okapów i w sytuacji prawidłowej.

Lokalizacja detektorów

Kluczem prawidłowej detekcji jest umiejscowienie detektorów, dlatego bardzo ważne są doświadczenie i wiedza projektanta, co pozwala uniknąć błędów i dostosować instalację do konkretnego obiektu. Wodór jest znacznie lżejszy od powietrza, więc detektory umieszcza się w najwyższych punktach pomieszczeń, zwracając uwagę na „martwe pola” oraz elementy większe niż 30 cm, jak podciągi, podpory i tym podobne elementy mogące dzielić górną część pomieszczenia na strefy.

Detektorów nie należy umieszczać zbyt blisko wlotów i wylotów wentylacji, aby przepływające powietrze nie zaburzało pomiaru. Jak wspominaliśmy detektory nie powinny pracować w „tle gazowym” (ciągłej obecności gazu). Istotna jest budowa układu kanałów 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 gaz powoduje niepotrzebnie alarm detektorów i wyłączanie prostowników, uniemożliwiając 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 wentylacji system powinien zadziałać zgodnie ze schematem alarmowania.

Podsumowanie

Jak widać prawidłowa detekcja w ładowalni to niełatwe zadanie. Powyższe wskazówki to jedynie wycinek tematu, a zagrożenia wodorem nie wolno lekceważyć. Dlatego projektowaniem tego typu instalacji powinny się zajmować wyłącznie osoby z dużym doświadczeniem w detekcji gazów.

Michał Domin

www.detektory.pl

Artykuł z miesięcznika ATEST – Ochrona Pracy nr 2/2020

www.atest.com.pl