Газоанализатор углекислого газа

"Как обеспечить безопасность холодильных систем с СО₂"
Борис Болодурин, Алексей Михайлов, Антон Стороженко, ООО НПФ «ИНКРАМ»

В настоящее время идут активные работы по снижению аммиакоемкости холодильного оборудования. В том числе за счет использования углекислого газа, как промежуточного хладоносителя.

Применение СО2 в холодильных установках. Типовые решения. Примеры проектов.

Датчик контроля углекислого газа ИКДУ1.0.

Газообразная двуокись углерода - газ без цвета и запаха, при температуре 20°С и давлении 101,3 кПа (760 ммрт. ст.) нетоксична, невзрывоопасна. Предельно допустимая максимально разовая концентрация СО₂ в воздухерабочей зоны установлена гигиеническими нормативами ГН 2.2.5.210006 только в 2006 г. и составляет 27 г/м³ (или 1,47% об). 

Основное действие СО₂ на человека - это снижение концентрации кислорода. В ГОСТ 8050 записано следующее: «при концентрациях более 5% (92 г/м3) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека, т.к. она тяжелее воздуха в 1,5 раза и может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола и в приямках, а также во внутренних объемах оборудования для получения, хранения и транспортирования газообразной, жидкой и твердой двуокиси углерода. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья». 

В нормальных условиях при нулевой влажности в воздухе содержится 20,9% объемных кислорода. Это значение постоянно для определенной местности и имеет небольшое сезонное колебание. Наличие паров воды дополнительно снижает концентрацию кислорода до 20,7% об. Однако для дыхания человека важна не столько объемная концентрация кислорода, сколько его парциальное давление. Чем атмосферное давление ниже, тем ниже и парциальное давление кислорода. 

Различают две формы кислородного голодания - острую и хроническую. Кислородное голодание развивается по острому типу если человек сразу попадает в среду с малым содержанием кислорода (9,7 — 7,5%) В этом случае он теряет сознание неожиданно. Смерть наступает в течение 5 мин. 

При медленном уменьшении содержания кислорода кислородное голодание развивается по хроническому типу. Происходит учащение пульса и дыхания, повышение кровяного артериального давления, нарушение координации движений, ослабление умственной деятельности. Исчезает способность к реально оценке действий, игнорирование опасности, эйфория. 

Единственное обнаруженное нами значение предельно допустимой пониженной концентрация кислорода 19% об. содержится в «Правилах безопасности при производстве и потреблении продуктов разделения воздуха» (ПБ 1154403) (Госгортехнадзор РФ). 

Совершенно очевидно, что измерение парциальной концентрации кислорода является необходимым условием безопасности при эксплуатации оборудования с СО₂. Необходимо с полной ответственностью подходить к этим требованиям, имея в виду в первую очередь, количество СО2, которое может быть разлито при максимальной проектной аварии в конкретном помещении. Чрезвычайно важно учитывать тот факт, что плотность диоксида углерода много выше плотности воздуха (ситуация обратная аммиаку), и он концентрируется у пола. Этот тезис воспринимается большинством, как само собой разумеющееся, однако для демонстрации этого эффекта мы провели небольшой модельный эксперимент. 

Контроль кислорода производился выпускаемой нашим предприятием системой СКВА-01 в режиме непрерывного измерения концентрации и архивирования показаний каждые 25 сек. В помещении размером 2,8*2,8*3 м (объем — 23,5 м3) было установлено 3 датчика кислорода КС1.0 на высоте 0,5, 1,5 и 2,5 м. Подача углекислого газа производилась от углекислотного огнетушителя ОУ-3 (масса СО2 - 3 кг.) на высоте 1,5-1,7 м. 

Полученные результаты представленны на рис. 1 и 2. Концентрация углекислого газа рассчитывалась по изменению концентрации кислорода. 

Результаты эксперимента можно представить в более удобном для анализа виде (табл. 1), где выделены зоны различной концентрацией кислорода и диоксида углерода в квазистационарном режиме (15-20 мин. по графикам после начала дозирования СО₂). 

СО2 концентрируется в нижней части помещения и именно там наблюдается резкое снижение концентрации кислорода.

В таблице 2 представлены результаты расчета отношения массы разлитого диоксида углерода (в кг.) к объему помещения (м³) для различных концентраций кислорода на высоте 1,5 м. Коэффициент объема отражает тот факт, что диоксид углерода скапливается в нижней части помещения. 

Таблица 1.
2,5 м	20,8%	1,6%
1,5 м	20,5%	2%
0,5 м	19,5%	8,5%
	Кислород	Диоксид     углерода

 
Например, для помещения объемом 3600 м3 с высотой потолков 6 м. можно взять коэффициент объема 0,3. В таблице 3 приведены расчетные значения массы СО₂ (кг.), выброс которого приведет к соответствующему понижению концентрации кислорода на высоте 1,5 м.
Видно, что допустимое количество диоксида углерода в указанном помещении — 144 кг.
Необходимо отметить, что все расчеты проводились без учета вентиляции, диффузии и массопереноса и поэтому носят исключительно оценочный характер.
Другое дело — СО₂. Для обеспечения безопасности не обходим только изолирующий противогаз. Газ без запаха, поэтому обнаружить его без средств газового контроля - практически невозможно.
Дополнительную сложность вызывает наличие в одном помещении аммиачного и углекислотного оборудования. Это приводит к необходимости использования оборудования во взрывозащищенном исполнении (как минимум IP44), раздельной сигнализации по аммиаку и по кислороду.
Из нормативных документов (ВСН-64-86) и нашего модельного эксперимента следует, что измерение концентрации кислорода нужно проводить на высоте не выше 0,5 м. от пола. Обязательно устанавливать датчики кислорода в технологических приямках. В тоже время, на эстакадах и площадках нет необходимости устанавливать датчики кислорода.
Конечно, можно устанавливать также датчики контроля СО₂. Однако, на сегодня производятся только датчики с диапазоном измерения до 1-5% об. (контроль ПДК). Кроме того, в компрессорных цехах и в холодильных камерах можно ставить датчики с исполнением не ниже IP44, а в камерах дополнительным условием является работа при очень низких температурах. Такие датчики очень дороги. Датчики СО₂, разработанные для работы в офисах и системах управления
вентиляцией обычных помещений, для эксплуатации в холодильной технике непригодны. Но даже установка датчиков контроля СО₂ не даст возможности контроля при аварийной ситуации, так как при аварии концентрация СО₂ превысит
диапазон измерения датчиков и объективная картина уровня опасности будет отсутствовать, что, как показано выше, смертельно опасно.
Газоаналитическая система СКВА-01, применяемая на холодильных установках, комплектуется датчиками аммиака (электрохимическими АМ1.0, АМ2.0, полупроводниковыми АМ1.0-п и АМ2.0-п), датчиками фреона (ФР-п), датчиками кислорода (КС1.0) и СО2 (ИГМ-711). В одной системе могут использоваться датчики любых типов. Датчики кислорода КС1.0, используемые в системе, имеют большой срок службы и очень просты в эксплуатации. Для последующих проектов мы предлагаем расширить диапазоны сигнализируемых концентраций в помещениях, где СО₂ используется в больших количествах как хладоноситель или в других технологических целях: предупредительная - 19,5% об.; аварийная - 19% об.; вход запрещен - 17% об. 
Третий уровень сигнализации (17%) необходим для оперативного предупреждения персонала о запрете входа в помещение без изолирующего противогаза.
Итак, можно сформулировать следующие требования к системе газового контроля:
• Одновременное измерение концентрации аммиака и парциального давления кислорода (в машинных отделениях комбинированных холодильных установок).
• Датчики кислорода, устанавливаемые в машинных отделениях комбинированных холодильных установок, должны быть во взрывозащищенном исполнении.
• Датчики кислорода в помещениях должны устанавливаться на высоте не более 0,5 м. от пола из расчета 1 датчик на 200 м² площади.
• Необходима установка датчиков кислорода в приямках и подвалах на высоте не более 0,5 м. от пола.
• Установка датчика кислорода в помещении постоянного пребывания обслуживающего персонала, имеющего выход в машинное отделение (помещение КИПиА или аналогичное).
• Система газового анализа должна иметь три уровня сигнализации по кислороду (19,5; 19 и 17% об.).
• Необходима отдельная светозвуковая сигнализация «Вход запрещен» перед входами в помещения, в самих помещениях, у приямков и подвалах при снижении концентрации кислорода ниже 17% об.
• Обязательное архивирование всех случаев снижения концентрации кислорода. Недооценка требований обеспечения безопасности персонала при работе с углекислым газом, помноженная на отсутствие массового опыта эксплуатации такого холодильного оборудования, повсеместное снижение надежности обеспечения электроэнергией, а также российское «авось», может привести к неблагоприятным последствиям.

Таблица 2.
Концентрация кислорода	Проявления отсутствия кислорода	Коэффициент объема помещения
19%	Практически никаких	0,14	0,07	0,04
15%	Начало «хронического кислородного голодания»	0,49	0,24	0,15
10%	Острое кислородное голодание. Мгновенная потеря сознания. Смерть.	0,92	0,46	0,28

 
Справка.
Для защиты от паров аммиака можно использовать обычные фильтрующие противогазы. Кроме того, аммиак обнаруживается системами газового контроля на значительно более низком уровне концентрации (примерно в 100 раз) и правильно работающая система противоаварийный защиты (ПАЗ) предотвратит развитие аварийной ситуации. В конце концов, аммиак прекрасно обнаруживается обонянием.

Таблица 3.
Концентрация кислорода, % об.	Масса СО2, кг
19	144
15	540
10	1008