Systemy detekcji gazów. Co każdy instalator wiedzieć powinien

Systemy detekcji gazów, czyli urządzenia do wykrywania i pomiaru stężeń gazów toksycznych i wybuchowych, muszą być nie tylko zgodne z wymaganiami prawnymi. Przede wszystkim trzeba je dobierać i instalować ze świadomością tego, jak działają. Projektantom zdarzają się problemy z określeniem właściwej liczby detektorów i wyborem ich lokalizacji. Instalatorzy natomiast nie zawsze rozumieją, jak ważne jest prawidłowe miejsce montażu detektorów. Eksperci firmy Gazex podpowiadają, jak zaprojektować i wykonać prawidłowo działający system detekcji gazów!

materiał poradnikowy Partnera Strefy Instalatora – firmy Gazex

Systemy detekcji gazów – zapisy aktów prawnych i ich konsekwencje

W Polsce obowiązuje kilkadziesiąt aktów prawnych regulujących stosowanie urządzeń do wykrywania i pomiaru stężeń gazów toksycznych i wybuchowych oraz przepisy i instrukcje branżowe określające zasady stosowania urządzeń do wykrywania i pomiaru stężeń gazów.

Przepisy ochrony przeciwpożarowej

Jednym z najważniejszych aktów prawnych jest Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów Dz.U. 2010 nr 109 poz. 719. Klasyfikuje ono urządzenia zabezpieczające przed powstawaniem wybuchu i ograniczające jego skutki jako urządzenia przeciwpożarowe. Jest to zrozumiałe, ponieważ pożary często stanowią konsekwencję wybuchów. Wybuch może także nie być bezpośrednią przyczyną pożaru – jednak powoduje uszkodzenie instalacji elektrycznych lub gazowych, które mogą przyczynić się do wybuchu pożaru.

Do urządzeń zapobiegającym wybuchom należą elektroniczne systemy detekcji gazów wybuchowych, które nie tylko sygnalizują niebezpieczne stężenia gazów, ale mogą też włączać urządzenia wykonawcze ograniczające lub niwelujące zagrożenie wybuchem. Często wybuch inicjowany jest przez iskrę elektryczną, zaś automatyczne wyłączenie odpowiednich obwodów elektrycznych może wyeliminować to zagrożenie. Równie skuteczne może być odcięcie dopływu gazu do rozszczelnionej instalacji gazowej lub włączenie wentylatorów w celu usunięcia niebezpiecznej atmosfery. Do pozbycia się z obiektu gazów lżejszych od powietrza może wystarczyć automatyczne uchylenie klap oddymiających.

Przepisy budowlane

Natomiast Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie nakazuje stosowanie urządzeń sygnalizacyjno-odcinających we wszystkich pomieszczeniach, w których sumaryczna moc grzewcza urządzeń gazowych przekracza 60 kW. Urządzenie sygnalizacyjno-odcinające to system detekcji gazu sprzężony z zaworem odcinającym. Natomiast jeżeli urządzenie uzupełni się o czujkę przeciwpożarową lub zepnie z systemem ppoż, zapewni ono automatyczne odcięcie dopływu gazu już w początkowej fazie pożaru. Warto zauważyć, że oddziaływanie wysokiej temperatury może spowodować rozszczelnienie instalacji gazowej, w wyniku czego wypływający gaz wzmagałby ogień. Zatem takie rozwiązanie techniczne nie tylko pomaga zapobiegać wybuchowi, ale może także ograniczyć intensywność pożaru.

>> Zobacz także – dokładne zapisy przepisów budowlanych i ochrony ppoż w zakresie wykrywania i pomiaru stężeń gazów!

Prawo a rzeczywistość – główne wyzwania projektowe

Opisane Rozporządzenia nie są jednak zbyt precyzyjne. Zatem o wyborze, konfiguracji i sposobie wykonania systemów detekcji gazów decyduje wiedza i doświadczenie projektanta. Znając konstrukcję i przeznaczenie obiektów oraz oczekiwania użytkowników, mogą oni ocenić ryzyko i projektować systemy bezpieczne i zgodne z aktualnymi przepisami budowlanymi i przeciwpożarowymi. Jeżeli uznają system detekcji gazów palnych za urządzenie przeciwpożarowe, muszą zadecydować o rodzaju okablowania i sposobie zasilania systemu. Projekty należy uzgadniać z rzeczoznawcami do spraw zabezpieczeń przeciwpożarowych.
W uzasadnionych przypadkach w obiektach wyznacza się przestrzenie zagrożone wybuchem, które mogą być podzielone na strefy ( strefa: 0; 1; 2; 21; 22; 23;). Systemy detekcji gazów, jako urządzenia elektryczne, aby pracować w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, muszą spełniać wymogi dyrektywy ATEX.

Pomiary stężenia gazu – wyzwania i rozwiązania

Pomiar stężenia gazu jest bardziej skomplikowany niż wielkości elektrycznych, odległości czy powierzchni. Konieczna jest konwersja wielkości fizycznej, jaką jest stężenie gazu, na wielkość elektryczną, którą łatwo zmierzyć.

Jakie wielkości należy mierzyć i dlaczego? Przy monitorowaniu gazów trzeba uwzględnić, że niektóre gazy wybuchowe są również toksyczne, np. pary toluenu, ksylenu i benzenu, amoniak, siarkowodór i wiele innych. Nawet tlenek węgla w stężeniu powyżej 15% (stężenie śmiertelne) może wybuchnąć. Należy zatem zdecydować, co jest priorytetem – ochrona ludzi przed zatruciem czy obiektów przed wybuchem. Do pomiarów służą sensory gazu – elementy, które zmieniają swoje parametry pod wpływem monitorowanego gazu, działające w oparciu o różne zjawiska fizykochemiczne. Zależnie od celu, wybierać należy detektory z odpowiednimi sensorami.

Monitoring gazów wybuchowych

Gazy palne mogą wybuchnąć tylko w określonym stężeniu z powietrzem – między dolną a górną granicą wybuchowości (odpowiednio DGW i GGW):

• DGW – stężenie palnego gazu, pary, pyłu lub włókien w powietrzu, poniżej którego nie utworzy się atmosfera wybuchowa;
• GGW– stężenie palnego gazu, pary w powietrzu, powyżej którego nie utworzy się atmosfera wybuchowa.

Dla zapewnienia bezpieczeństwa gazy te należy wykrywać znacznie poniżej DGW – najczęściej w stężeniach poniżej jednego procenta.

Monitoring gazów toksycznych

Stężenia toksyczne są kilkaset razy niższe niż wybuchowe. Dlatego ich wykrywanie wymaga czulszych detektorów. Zdefiniowano 3 rodzaje stężeń toksycznych na stanowisku pracy, podanych w Rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej:

• NDS – wartość średnia ważona stężenia fizycznego czynnika szkodliwego dla zdrowia, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu ośmiogodzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy, określonego w Kodeksie pracy, przez okres aktywności zawodowej nie powinno spowodować ujemnych zmian w stanie zdrowia ani w stanie zdrowia przyszłych potomków pracownika.
• NDSCh – średnia ważona wartość stężenia fizycznego czynnika szkodliwego dla zdrowia, 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.
• NDSP – wartość stężenia fizycznego czynnika szkodliwego dla zdrowia, która ze względu na zagrożenie zdrowia lub życia pracownika nie może być w środowisku pracy przekroczona w żadnym momencie. Dla wielu niebezpiecznych gazów toksycznych wielkość ta nie jest ustalona! W takim przypadku, ustalając próg alarmowy, warto posłużyć się kartami charakterystyk substancji niebezpiecznych publikowanymi przez Centralny Instytut Ochrony Pracy.

Pomiar NDS i NDSCh jako wielkości uśrednionych wymaga bardziej rozbudowanych urządzeń elektronicznych niż pomiar wartości chwilowych.

Rozwiązania techniczne

Stosuje się detektory przenośne i stacjonarne:

• W przypadku stosowania urządzeń przenośnych trzeba stworzyć procedury posługiwania się nimi i egzekwować od pracowników ich przestrzeganie. Należy zapewnić wymaganą ilość sprzętu, odpowiednie warunki przechowywania i łatwość dostępu oraz uwzględnić konieczność ładowania akumulatorów.
• Systemy stacjonarne działają w sposób ciągły, niezależnie od postępowania pracowników. Przekroczenie ustalonych stężeń sygnalizowane jest akustycznie i optycznie. Możliwa jest też automatyczna aktywacja systemów ograniczających groźbę zatrucia lub wybuchu (np. włączenie intensywnej wentylacji, odcięcie dopływu gazu lub wstrzymanie procesu technologicznego). Dodatkowo sygnał alarmu może być przekazywany do służb lub osób zobowiązanych sprawdzić jego przyczynę. Wskazania systemu mogą być w sposób ciągły archiwizowane, co daje obraz warunków na stanowiskach pracy.

>> Poznaj technologie detekcji gazów – zobacz sensory w detektorach gazów!

Projektowanie systemów detekcji gazów – główne wyzwania

Zdarza się, że projektanci mają problem z określeniem właściwej liczby detektorów i wyborem ich lokalizacji. Trzeba zawsze mieć na uwadze prostą, ale kluczową zasadę. Detektory wykrywają gaz w miejscu zainstalowania! Gaz musi wniknąć do komory pomiarowej detektora. Dlatego podawany w instrukcjach obsługi lub materiałach marketingowych „promień działania” detektora jest daną przybliżoną i pozwala wyłącznie wstępnie określić liczbę urządzeń. Co więcej, wybór producenta urządzeń na podstawie „promienia działania” nie jest rozwiązaniem polecanym – wszystkie detektory działają podobnie i w rzeczywistości mają ten sam „promień działania”. Zatem podawanie większego „promienia działania urządzeń” należy traktować tylko jako chwyt marketingowy. Przy projektowaniu systemów detekcji często przyjmowany jest 8-metrowy „promień działania”. Narysowanie na planie obiektu okręgów o tym promieniu jest czynnością wstępną, a do zagadnienia trzeba podejść po inżyniersku.

Czynniki wyboru lokalizacji detektorów gazu

1. W pierwszej kolejności należy wybrać miejsca, w których gaz mógłby się gromadzić w przypadku rozszczelnienia instalacji. W przypadku gazów lżejszych od powietrza te miejsca będą pod stropem, w przypadku cięższych od powietrza – nad podłożem.
2. Detektory gazów toksycznych często instaluje się w strefie oddychania. Trzeba uwzględnić ruch powietrza powstający w wyniku działania wentylacji, naturalnych przeciągów i konwekcji. Nie montuje się detektorów w pobliżu otworów nawiewnych i wywiewnych wentylacji, blisko bram, drzwi i okien. Nie można także montować detektorów nad gorącymi elementami, gdzie występują ruchy konwekcyjne i wskazania detektorów mogą być niemiarodajne.
3. Bardzo istotnym czynnikiem jest dyfuzja gazów. Powoduje ona, że gazy nie rozwarstwiają się. Nie tworzą się ostre granice stężeń, a z czasem stężenie gazu maleje.
4. W normalnych warunkach gaz, nawet w wysokim stężeniu, nie stanowi zagrożenia – nie wybucha sam z siebie. Musi pojawić się czynniki inicjujący wybuch. Może to być płomień, iskra elektryczna, spawalnicza, mechaniczna lub z paleniska. Chcąc monitorować gaz lżejszy od powietrza w przypadku pomieszczenia ze stropem kasetonowym lub podzielonym podciągami, w pierwszej kolejności należy instalować detektory w pobliżu urządzeń elektrycznych (oświetlenie, wentylatory, promienniki). Gaz w „pustym” kasetonie nie stanowi zagrożenia. Z czasem, w wyniku dyfuzji, jego stężenie spadnie poniżej DGW. Najłatwiej wybrać lokalizację w przypadku dachów spadzistych, z kalenicą – detektory instaluje się w kalenicy. W halach oczywistą lokalizacją są słupy konstrukcji nośnej, ze względu na maksymalnie wykorzystaną powierzchnię okręgu określającego obszar działania pojedynczego detektora.
5. Trzeba także zapewnić łatwy dostęp do detektorów, co umożliwi skuteczne wykonanie czynności eksploatacyjnych. Dla ułatwienia dostępu detektory można instalować na wysięgnikach teleskopowych, składanych masztach, linkach i bloczkach, a nawet na pływakach.

Warunki prawidłowej pracy stacjonarnego systemu detekcji gazów

1. Właściwy dobór urządzeń uwzględniający warunki panujące w monitorowanym obiekcie oraz potrzeby użytkowników. Należy uwzględnić temperaturę, wilgotność, obecność gazów zakłócających pomiar, zakres pomiarowy, sposób wizualizacji i archiwizacji wyników, konieczność sterowania urządzeniami wykonawczymi, konieczność stosowania zasilania awaryjnego. Bardzo istotne jest właściwe ustalenie progów alarmowych. Powinny one być na poziomie zapewniającym bezpieczeństwo, ponieważ zbyt nisko ustawione mogą wywoływać niepotrzebne alarmy i zakłócać funkcjonowanie monitorowanego obiektu.

2. Właściwy wybór miejsc instalowania detektorów. Detektory wykrywają gaz w miejscu zainstalowania. Należy wybrać miejsca najbardziej prawdopodobnego gromadzenia się gazu i powstania zagrożenia. Trzeba uwzględnić ciężar właściwy gazu, współczynnik dyfuzji, ruch powietrza w monitorowanej strefie, a także lokalizację otworów wywiewnych i nawiewnych. Bardzo istotne jest zapewnienie łatwego dostępu do urządzeń.

3. Prawidłowe wykonanie instalacji systemu. Urządzenia muszą być połączone prawidłowo, zgodnie z instrukcją, przy użyciu właściwych materiałów instalacyjnych. Instalacja i okablowanie winny być wykonane starannie, zgodnie z przepisami i obowiązującymi zasadami.

4. Prawidłowa, zgodna z instrukcją i zdrowym rozsądkiem eksploatacja systemu. Dla prawidłowego działania systemu niezbędne jest przestrzeganie zasad określonych w instrukcji obsługi. Należy bezwzględnie przestrzegać terminów kalibracji detektorów, terminów kontroli pracy systemów, terminów wymiany akumulatorów. Kontrole powinny być przeprowadzane zgodnie z instrukcją, a kalibracja wykonywana przez uprawnione laboratoria w warunkach określonych przez producenta.

Kalibracja – kluczowa czynność eksploatacyjna systemu detekcji gazów

Niezwykle ważną czynnością eksploatacyjną jest kalibracja. Polega ona na poddaniu sensora działaniu mieszaniny określonego gazu z powietrzem. Bardzo istotny jest sposób i precyzja przygotowania takiej mieszaniny oraz sposób jej podania na sensor. Kalibracja powinna być wykonywana zgodnie z procedurą określoną przez producenta. Tylko producent, znając konstrukcję urządzenia i parametry pracy sensora, może określić warunki kalibracji, które zapewnią prawidłowe wskazania. Bardzo ważne jest, aby robiły to osoby kompetentne. Nieświadomość faktu, że do prawidłowej kalibracji wymagana jest wiedza, doświadczenie i odpowiedni sprzęt, powoduje, że często ta tak ważna czynność eksploatacyjna zlecana jest firmom lub osobom zupełnie do tego nieprzygotowanym.

Nowoczesna kalibracja przyjazna dla serwisanta – propozycja firmy Gazex

Oryginalne rozwiązanie ułatwiające kalibrację proponuje firma GAZEX. Detektory tej firmy mają wymienny moduł sensora. Taki moduł zawiera sensor gazu i wszystkie niezbędne elementy elektroniczne potrzebne do jego prawidłowej pracy i kalibracji (wzorcowania). W przypadku konieczności kalibracji użytkownik może we własnym zakresie wymontować moduł sensora i przesłać go do właściwego laboratorium w celu kalibracji bądź wymienić na inny, już skalibrowany (usługa WPW – wzorcowanie przez wymianę). Operacje te są przeprowadzane bez konieczności demontażu detektora z  instalacji. To unikatowe rozwiązanie techniczne znakomicie ułatwia i obniża koszty eksploatacji systemów detekcji gazów. Inteligentne moduły sensorów wyposażone są w procesory i zapamiętują parametry pracy sensora, takie jak: ilość alarmów, czas pracy w stanach alarmowych, ilość przekroczeń zakresów pomiarowych oraz ewentualne stany awaryjne.

Przy kalibracji można także prześledzić, w jakich warunkach pracują detektory. W razie potrzeby można wówczas dokonać korekt w ustawieniach parametrów pracy systemów bądź zaproponować zmianę sensorów na inne, bardziej odpowiednie dla konkretnych warunków panujących w  monitorowanym obiekcie. W przypadku zmiany technologii w zakładzie pracy i zmiany rodzajów substancji niebezpiecznych nie trzeba wymieniać systemu detekcji. Wystarczy wymienić moduły sensorów na odpowiednie do zmian, co jest rozwiązaniem prostszym, szybszym i tańszym. Co ważne, moduły te sygnalizują również konieczność kalibracji sensorów.

Detektor gazów wybuchowych – propozycja firmy Gazex

Sztandarowymi detektorami firmy Gazex są detektory serii DEX^®, spełniające wymogi dyrektywy ATEX i mogące pracować w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Dzięki wymiennym modułom sensora mogą wykrywać różne gazy. Wymagają modułów sterujących (central), dostępnych w wielu wersjach i mających do 16 kanałów pomiarowych (moduły sterujące można też łączyć ze sobą, jeśli potrzeba więcej detektorów).

Kolejna generacja detektorów i modułów sterujących to urządzenia adresowalne, pracujące w standardzie RS-485 zgodnie z protokołem MODBUS RTU. Moduł MDD-256/T może nadzorować i zarządzać siecią detektorów (do 224 szt., w 7 strefach) oraz modułów dodatkowych (do 21 szt.). Zastosowanie modułów dodatkowych MDD-L32/T (wizualizacja stanów 32 detektorów), MDD-C32/T (32 wyjścia typu OC), MDD-R4/T (dodatkowe wyjścia stykowe) pozwala nie tylko łatwo i czytelnie wizualizować stany alarmowe detektorów, ale również realizować skomplikowane scenariusze pracy urządzeń wykonawczych.

Akty prawne i inne źródła

1. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów Dz.U. 2010 nr 109 poz. 719.
2. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz.U. z dnia 18 września 2015 r. poz. 1422.
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz.U. 2002 nr 75, poz. 690.
4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 8 lipca 2010 r. w sprawie minimalnych wymagań, dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy związanych z możliwością wystąpienia w miejscu pracy atmosfery wybuchowej. Dz.U. z dnia 30 lipca 2010 nr 138 poz. 931
5. Karty charakterystyk substancji niebezpiecznych. Publikacje Centralnego Instytutu Ochrony Pracy.
6. Materiały wewnętrzne firmy GAZEX