В России аммиачные холодильные установки являются основным источником хладоснабжения для различного типа производственных комплексов, в том числе предприятий в перерабатывающей промышленности и сельском хозяйстве. Эта тенденция серьезно не изменится и в ближайшее время.
Вопросам безопасности аммиачных установок и изменениям в концепции такой безопасности традиционно уделялось большое внимание. С 30-ых годов XX века в СССР было разработано несколько изданий "Правил устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок", каждое из которых соответствовало своему уровню развития холодильной техники. Были разработаны также "Мероприятия по повышению безопасности аммиачных холодильных установок" (1979 г.) и "Методические указания по контролю за соблюдением правил техники безопасности на холодильных установках" (1984 г., 1991 г.). Анализ показывает, что число холодопотребляющих предприятий в перерабатывающей промышленности и в сельском хозяйстве России весьма значительно, а используемые системы хладообеспечения разнообразны как по особенностям устройства, так и по производительности, аммиакоемкости, примененному оборудованию. В последнее время в связи с ростом числа новых предприятий, производящих, среди прочего, мороженое, пиво, напитки, колбасные изделия и т.д., потребность в холодильных установках резко возросла. На этих предприятиях преимущественно используются аммиачные холодильные системы. Холодопроизводительность установок от 30 кВт в сельскохозяйственных предприятиях и до, приблизительно 3 ГВт, на крупных комбинатах мясной и молочной промышленности, где продукты производятся и хранятся. Используются как централизованные аммиачные системы, обслуживающие большое число потребителей, так и децентрализованные, где каждый потребитель обслуживается индивидуальной (автономной) установкой. В холодильных системах используются различные типы аммиачного оборудования. Это могут быть винтовые компрессоры с описанным объемом выше 1000 м3/ч и поршневые с описанным объемом от 100 до 1000 м3, различные типы конденсаторов с четкой тенденцией широкого использования испарительных теплообменных аппаратов, а также воздухоохладители с непосредственным кипением аммиака, имеющих различное техническое исполнение. Используются циркуляционные ресиверы низкого давления емкостью от 1,5 до 5 м3, линейные ресиверы высокого давления и дренажные ресиверы той же емкости.
Количество аммиака в системах может быть от 500 кг - на предприятиях с децентрализованными установками и промежуточными хладоносителями, и до 100-150 тонн на больших мясокомбинатах, использующих насосные централизованные системы с непосредственным кипением аммиака в батареях и воздухоохладителях.
Поскольку аммиак является высокотоксичным и потенциально взрывоопасным веществом, то в России и в настоящее время уделяют большое внимание вопросам безопасности холодильных установок, работающих на этом хладагенте. На предприятия, эксплуатирующие аммиачные холодильные установки, распространяются требования Федерального закона о промышленной безопасности опасных производственных объектов. Предприятия, использующие холодильные установки с большой зарядкой аммиака, и в других случаях, предписанных Госгортехнадзором России, обязаны заполнять Декларацию безопасности. Декларация является документом, в котором отражается характер и масштабы опасностей на промышленном объекте, возможные сценарии возникновения и развития чрезвычайных ситуаций, оценка риска и вырабатываются мероприятия по обеспечению безопасности, предупреждению возможных чрезвычайных ситуаций и обеспечению готовности к действиям при их возникновении.
С 1995 года все холодильные установки, содержащие более 1 тонны аммиака, взяты под надзор государственной службой (Госгортехнадзор России). Согласно новым требованиям все предприятия должны получить разрешение Госгортехнадзора России на право эксплуатации аммиачной холодильной установки. С этой целью разработаны специальные методы для оценки безопасности установок. Проверяется состояние всей установки и ее отдельных узлов в отношении того, отвечает ли установка требованиям российских Правил, а также имеются ли соответствующие способы для автоматической защиты от аварий. Проводятся инспекционные проверки работающего оборудования, эксперты составляют заключения о новых проектах. При анализе безопасности аммиачных холодильных установок ориентируются на требования, приведенные в нормативных документах [1-6].
В частности, сосуды (аппараты) и аммиачные трубопроводы эксплуатируемых холодильных установок должны периодически подвергаться техническому освидетельствованию: осмотрам, пневматическому испытанию давлением на плотность и прочность, в сопровождении контроля акустико-эмиссионным методом или другим согласованным Госгортехнадзором методом неразрушающего контроля.
В ряде случаев оборудование аммиачных холодильных установок подвергается диагностированию технического состояния. Такие случаи наступают, в частности, когда вырабатывается установленный автором разработки расчетный срок службы, имели место в эксплуатации нарушения регламентированного режима или воздействие факторов, превышающих расчетные (давления, температуры, внешние силовые нагрузки и др.)
При страховании предприятия предварительно выполняется анализ риска, связанного, в частности, с возможностью токсического поражения аммиаком жителей близлежащих районов при нарушении герметичности аммиачного оборудования.
Определяются поля концентраций паров аммиака в воздухе на различных расстояниях от места возможной аварии, а также площадь зоны заражения аммиаком. При выполнении расчетов используются специальные методики [4-6]. Они предусматривают возможность разделения установки на отдельные технологические блоки с помощью отсечных клапанов. Определяется масса аммиака, находящегося в условно аварийном блоке и поступающего в него из смежных блоков за время с момента возникновения аварии и до момента отсечения аварийного блока, а также масса аммиака, испарившегося за счет контакта пролитой жидкости и окружающей среды.
Оценка степени взрывоопасности аммиачных технологических блоков проводится на основе их категорирования, по расчетным значениям относительного энергетического потенциала QВ и общей приведенной массы паров аммиака "m".
Показатели категорий приведены в нижеследующей таблице:
Таблица
|
Категория
взрывоопасности
|
QВ
|
m, кг
|
|
I
|
> 37 |
> 5000 |
|
II
|
27-37 |
2000-5000 |
|
III
|
< 27 |
< 2000 |
|
IV
|
≤ 10 |
- |
Относительный энергетический потенциал взрывоопасности технологического блока находится по формуле:
QВ=Е1/3/16,534.
Общая масса горючих паров аммиака, приведенная к единой удельной энергии сгорания, равной 46000 кДж/кг:
m=Е/(4∙104), кг.
В формулах "Е" - общий энергетический потенциал взрывоопасности технологического блока холодильных установок, определяемый суммой энергий адиабатического расширения парогазовой фазы аммиака и полного сгорания имеющихся и образующихся из жидкой фазы паров аммиака за счет внутренней и внешней (окружающей среды) энергии при аварийной разгерметизации блока. Расчетное значение Е определяется суммированием составляющих:
Энергии адиабатического расширения и сгорания паров аммиака, находящихся непосредственно в аварийном блоке;
Энергии сгорания парогазовой фазы, образующейся за счет энергии перегрева жидкой фазы рассматриваемого блока и поступившей жидкой фазы от смежных блоков за время от начала аварийной разгерметизации блока до полного отключения отсечной арматурой аварийного блока;
Энергии сгорания парогазовой фазы, поступившей к разгерметизированному блоку от смежных блоков;
Энергия сгорания парогазовой фазы, образующейся из пролитой на твердую поверхность жидкой фазы, за счет теплоотдачи от окружающей среды (от воздуха к зеркалу жидкости и от твердой поверхности - к жидкости).
Оптимизация технологических блоков по QB приводит к выбору средств отключения этих блоков при их аварийной разгерметизации: ручные (QB≤ 10); дистанционные (10 <
QB < 37); автоматические (QB > 27).
Результаты расчетов и анализа подтверждают, что необходимо иметь быстродействующие отсечные клапаны для аммиачных трубопроводов, закрывающиеся автоматически (по сигналу датчика, фиксирующего превышение порогового значения концентрации паров аммиака в воздухе) или дистанционно (от обслуживающего персонала холодильных установок).
Необходимы новые сигнализаторы концентрации паров аммиака повышенной надёжности, длительной непрерывной работы и не требующие больших финансовых и трудозатрат при их эксплуатации.
Необходима оптимизация рациональной структуры технологических блоков, в зависимости от принципиальной схемы холодильных установок, типов оборудования, потребителей холода, месторасположения предприятия.
Централизованные аммиачные системы непосредственного охлаждения (где несколько компрессоров работают на общие конденсаторы), выгодные с позиций экономии электроэнергии на выработку холода, оказываются уязвимыми с позиций техники безопасности. Для крупных предприятий более безопасны и предпочтительны несколько децентрализованных таких установок с пониженной зарядкой аммиака в каждой из них.
При проектировании новых предприятий, где для технологических аппаратов в качестве охлаждающей среды используется хладоноситель с температурой не ниже минус 20 °С (молкомбинаты, пивзаводы и др.), они могут быть переведены на автономные холодильные установки (чиллеры) с малой зарядкой аммиака и современными эффективными хладоносителями.
Однако, при необходимости использования охлаждающей среды с температурой ниже минус 200 °С (мясокомбинаты, рыбокомбинаты, скороморозильные аппараты для пищевых производств и др.) схемы с чиллерами не могут быть использованы, в первую очередь из-за отсутствия в настоящее время хладоносителей с необходимыми теплофизическими свойствами при низких температурах. В этих случаях по-прежнему будут использованы системы с аммиаком в качестве непосредственно охлаждающей среды у потребителей. Таким образом, и в дальнейшем останется большое число холодильных установок с достаточно большим содержанием аммиака.
В условиях использования холодильных установок непосредственным охлаждением потребителей холода хладагентом задачи снижения суммарной аммиакоемкости решаются, в частности, следующими путями:
Вместо единой системы хладообеспечения массива потребителей холода (технологических аппаратов, камер) применение раздельных (децентрализованных) холодильных установок на группы или даже единицы холодопотребляющих объектов.
Снижение тепловых нагрузок от потребителей холода, за счет оптимизации изоляционных конструкций, проводимых технологических процессов и других факторов.
Максимальное применение в помещениях вентиляторных устройств охлаждения (воздухоохладителей), имеющих значительно меньшее количество хладагента на единицу отводимой теплоты по сравнению с батареями. Кроме того, это существенно снижает геометрический объем циркуляционных и линейных ресиверов, при расчете которых используется геометрический объем охлаждающих устройств камер и технологических аппаратов.
Несмотря на все принимаемые меры по недопущению утечек аммиака (жидкого, газообразного), аварийную разгерметизацию холодильных систем нельзя полностью исключить. Поэтому для уменьшения масштабов аварий и их последствий большое значение имеет как можно более раннее обнаружение повреждения. Признаками аварии могут быть:
появление сильного запаха аммиака без наличия явно видимого облака его паров;
появление явно видимого белого облака паров аммиака;
звук срабатывания предохранительных клапанов;
звук механического разрушения (повреждения);
срабатывание системы обнаружения и оповещения об утечке аммиака;
падение давления, снижение температуры аммиака из-за его вскипания, падение уровня жидкости.
Основное количество аммиака попадает в воздух при испарении пролитой жидкости. Для больших предприятий, где эксплуатируются централизованные холодильные установки с сосудами большой емкости, в случае их разгерметизации масса пролитого аммиака может быть весьма значительной. Необходимы технические устройства, которые обеспечат химическое связывание аммиака, предотвращение его испарения и, вместе с тем, не создадут серьезных проблем в дальнейшем по утилизации образовавшейся смеси. Нужны технические средства и для нейтрализации парогазовых утечек аммиака. Конкретные меры и технические средства для локализации и ликвидации аварийных ситуаций должны определяться с учетом проектных характеристик холодильной установки. Система мероприятий включает использование каких-либо технических средств (даже одного из них) и обязательное выполнение организационных мер (оснащение компрессорного цеха средствами индивидуальной защиты, обучение персонала и др.).
Выбор технических средств связан с производительностью и аммиакоемкостью холодильных установок (общей и единичной по оборудованию), местами размещения элементов и холодильных установок в целом, технологическими схемами и т.д.
Опыт говорит о том, что для отдельных холодильных установок (небольших, с хладоносителем, расположенных относительно вдалеке от других объектов, не представляющих достаточно серьезной опасности для окружающих людей и т.д.) может быть достаточно штатных (стационарных) вытяжных вентиляционных систем (в помещениях), поддонов и приямков под ресиверами.
На предприятиях, имеющих аммиачные холодильные установки, в результате аварийных ситуаций возможно появление газообразного аммиака или его смесей с воздухом в помещениях, где нет вытяжной вентиляции или она недостаточна. К этим помещениям можно, в частности, отнести:
холодильные камеры;
производственные цеха с потреблением холода (вентиляция предусматривается, но не всегда рассчитана на аварийный выброс аммиака);
коридоры;
вестибюли.
Облака газообразного аммиака могут возникать вне зданий, в результате аварийных утечек хладагента из размещенного на наружных (уличных) площадках холодильного оборудования.
В перечисленных выше случаях, для скорейшего удаления газообразного аммиака из воздуха помещений и из опасных зон вне зданий (до нормативных пределов), целесообразно применение передвижных отсасывающих устройств.
В общем виде требования к нестандартным (индивидуальным) передвижным отсасывающим устройствам можно сформулировать следующим образом:
определить назначение отсасывающего устройства (узкий профиль или универсальное применение);
принять производительность отсасывающего устройства (с учетом возможных объемов газообразного аммиака или воздушно-аммиачных смесей, которые могут возникнуть при аварийных ситуациях, и времени откачки этих объемов);
выбрать серийный вентилятор, отвечающий принятой производительности отсасывающего устройства и требованиям действующих "Правил устройства электроустановок";
выбрать длину гибких воздуховодов такой, чтобы обеспечить доступ до возможных мест загазованности аммиаком на всасывании и до мест выброса аммиака (воздушно-аммиачной смеси) на нагнетании;
выбрать допустимое средство передвижения отсасывающего устройства (электрическая серийная тележка; ручная тележка - серийная, или нестандартная, или изготавливаемая специально).
Последнее издание "Правил" [2] учитывает и отдельные требования международных Правил к аммиачным холодильным установкам. Дальнейшее широкое использование аммиачных холодильных систем и обеспечение безопасности их эксплуатации должно учитывать особенности аммиака, в первую очередь его токсичность и потенциальную взрывоопасность, а также современный уровень развития и надежности применяемых технических устройств, средств автоматики, возможности использования и надзора малодозированных (по аммиаку) единиц оборудования и установок в целом, их назначения и расположения, месторазмещения предприятия в целом.
Литература.
1. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 03-576-03).
2. Правила безопасности аммиачных холодильных установок (ПБ 09-595-03).
3. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности (НПБ 105-03).
4. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте.- М., 1990.
5. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (ПБ 09-540-03).
6. Правила безопасности для наземных складов жидкого аммиака (ПБ 09-579-03).
