Prokazování jakosti automatizovaných měřicích systémů

Legislativní požadavky

1) Zákon o ochraně ovzduší 201/2012 Sb. § 6 odst. 5) uvádí: Kontinuálním měřením emisí se zjišťují emise znečišťujících látek a provozní parametry uvedené v příloze č. 4 k tomuto zákonu. Ověření správnosti výsledků kontinuálního měření zajistí provozovatel jednorázovým měřením emisí provedeným autorizovanou osobou podle § 32 odst. 1 písm. a) jednou za kalendářní rok. Každé 3 kalendářní roky provozovatel zajistí kalibraci kontinuálního měření emisí.

2) Příloha č. 4 k zákonu, Část B – Kontinuální měření emisí uvádí:

1. Kontinuální měření emisí provádí
1.1 spalovací stacionární zdroj o jmenovitém tepelném příkonu 50 MW a vyšším pro tuhé znečišťující látky, oxid siřičitý, oxidy dusíku vyjádřené jako oxid dusičitý a oxid uhelnatý,
1.2 spalovací stacionární zdroje, jejich celkový jmenovitý tepelný příkon stanovený podle § 4 odst. 7 nebo 8 je 100 MW a vyšší pro tuhé znečišťující látky, oxid siřičitý, oxidy dusíku vyjádřené jako oxid dusičitý a oxid uhelnatý
2. Kontinuální měření emisí tuhých znečišťujících látek a oxidu siřičitého podle bodů 1.1 a 1.2 se nevztahuje na spalovací stacionární zdroje spalující výlučně zemní plyn a v případě bodů 1.1 také na spalovací stacionární zdroje o celkovém jmenovitém tepelném příkonu nižším než 100 MW spalující plynná paliva, jejichž spálením nemohou být do ovzduší vneseny vyšší koncentrace znečišťujících látek než spálením odpovídajícího množství zemního plynu o stejném energetickém obsahu, a dále v případě emisí oxidu siřičitého na spalovací stacionární zdroje spalující výlučně kapalné palivo, u kterého dodavatel paliva zaručuje stálý obsah síry v palivu na takové úrovni, aby při spalování nebyl překročen emisní limit a pokud není spalovací stacionární zdroj vybaven odsiřovacím zařízením. Kontinuální měření emisí podle bodu 1.2 se dále nevztahuje na spalovací stacionární zdroje, u nichž krajský úřad posoudí, že jsou umístěny tak, že by s přihlédnutím k technickým podmínkám a ekonomickým faktorům jejich odpadní plyny nemohly být odváděny společným komínem, bez ohledu na počet komínových průduchů. V těchto případech se provádí jednorázové měření emisí.

3) Zákon o ochraně ovzduší 201/2012 Sb. § 2 uvádí: Pro účely tohoto zákona se rozumí:
odst. e) stacionárním zdrojem ucelená technicky dále nedělitelná stacionární technická jednotka nebo činnost, které znečišťují nebo by mohly znečišťovat, nejde-li o stacionární technickou jednotku používanou pouze k výzkumu, vývoji nebo zkoušení nových výrobků a procesů.



Provedení požadavků zákona

Evropská norma ČSN EN 14 181 Stacionární zdroje emisí - Prokazování jakosti automatizovaných měřicích systémů popisuje postupy zabezpečování jakosti potřebné k zajištění toho, aby automatizované měřicí systémy (AMS) instalované k měření emisí do ovzduší byly schopny pro naměřené údaje plnit požadované hodnoty nejistoty stanovené vyhláškou 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší, která transponuje Směrnici 2010/75/EU o průmyslových emisích.
Normou ČSN EN 14 181 jsou stanoveny následující úrovně prokazování jakosti (QAL) automatizovaných emisních měřicích systémů:

QAL1 – Posouzení vhodnosti měřicí metody porovnáním s požadovanou nejistotou měření (ČSN ISO 14956) – provádí výrobce AMS.

QAL2 – Kalibrace AMS a určení variability naměřených hodnot prokazující vhodnost daného AMS – provádí autorizovaná osoba po instalaci AMS a dále v pravidelných intervalech 3 let.

QAL3 – Zajištění a prokázání požadované jakosti výsledků měření v průběhu normální činnosti AMS spočívající v ověření souladu charakteristik MR s požadavky stanovenými v průběhu QAL1 – provádí provozovatel zdroje průběžně.

AST – (Annual Surveillance Test) Roční ověření správnosti údajů s cílem určení zda správně funguje a plní zadané charakteristiky a zda platí určená kalibrační funkce a variabilita – provádí autorizovaná osoba jedenkrát za rok.



Tato norma se omezuje na zabezpečování jakosti (QA) AMS a nezahrnuje QA systému shromažďování a zaznamenávání údajů příslušného stacionárního zdroje emisí.
Při provádění souběžných měření v průběhu postupů QAL2 nebo AST uvedených v této normě musí být signály AMS vedeny přímo z AMS (např. ve formě analogového nebo digitálního signálu) do nezávislého systému pro záznam údajů náležejícího organizaci provádějící zkoušky QAL2 a AST.

Všechny údaje musí být zaznamenány v nekorigované podobě (bez korekcí např. na teplotu či obsah kyslíku). Systém pro záznam údajů instalovaný společně s AMS na zdroji lze společně s následným systémem řízení jakosti využívat pro záznam výsledků naměřených AMS.

Pro kalibraci (QAL 2) a roční ověřování správnosti (AST) AMS s využitím nezávislé měřicí metody musí být provedeno souběžné měření AMS a normalizovanou referenční metodou (NRM).

Normalizované referenční metody jsou:

/1/ ČSN EN 13284-1 Stacionární zdroje emisí – Stanovení nízkých hmotnostních koncentrací prachu – Manuální gravimetrická metoda

/2/ ČSN EN 14792 Stacionární zdroje emisí – Stanovení oxidů dusíku (NOx) – Referenční chemiluminiscenční metoda

/3/ ČSN EN 15058 Stacionární zdroje emisí – Stanovení oxidu uhelnatého – Referenční metoda – Nedisperzní infračervená spektrometrie

/4/ ČSN EN 14791 Stacionární zdroje emisí – Stanovení oxidu siřičitého – Referenční metoda – Odměrné stanovení chloristanem barnatým

/5/ ČSN EN 12619 - Stacionární zdroje emisí – Stanovení nízkých hodnot hmotnostní koncentrace celkového uhlíku ve spalinách – Kontinuální metoda využívající plamenového ionizačního detektoru

/6/ ČSN EN 1911 - Stacionární zdroje emisí – Stanovení hmotnostní koncentrace chloridů vyjádřených jako HCl – Normovaná referenční metoda

/7/ ČSN 83 4728 - Měření emisí amoniaku ze zdrojů znečišťování ovzduší

/8/ ČSN EN 14789 Stacionární zdroje emisí -Stanovení kyslíku (O2) - Referenční metoda-Paramagnetická metoda

Dle vyhlášky 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší je u těchto metod vyžadováno osvědčení o akreditaci autorizované osoby (pro ČSN EN 14791 a ČSN EN 1911 od 1.9.2013) a s výjimkou ČSN 83 4728.

QAL 2 – Kalibrace AMS a určení variability naměřených hodnot prokazující vhodnost daného AMS

K získání kalibrační funkce nestačí použití samotných referenčních materiálů, a proto je to zakázáno. Hlavním důvodem je, že tyto referenční materiály neodpovídají matrici sledovaného odpadního plynu, nelze jimi ověřit, zda je vzorkovacím body AMS odebírán reprezentativní vzorek, a nelze je ve všech případech použít s daným vzorkovacím systémem.

Koncentrace analytu se musí v průběhu kalibrace měnit co možná nejvíce tak, aby byla zjištěná kalibrační funkce platná v podmínkách běžného provozu zdroje. Tím se zajistí platnost kalibrace AMS v co možná největším měřicím rozsahu a většině provozních stavů zařízení.
CEN/TR 15983 doporučuje měření provádět, když lze předpokládat nejvyšší emise a nejvíc rozptýlené; například, když se mění hadicové filtry.

Při každé kalibraci musí být provedeno nejméně 15 platných souběžných měření při normálním provozu zařízení. Tato měření musí být rovnoměrně rozdělena do nejméně 3 dnů a současně rovnoměrně v průběhu každého z těchto dnů v časovém intervalu čtyř týdnů. Nejmenší počet 15 platných měření znamená v praxi, že musí být odebráno více jak 15 vzorků, protože při následné analýze se může ukázat, že některé z nich jsou nevhodné.

Vyjádření výsledků QAL 2

Laboratoř použije údaje z NRM k určení, zdá má použít metodu A alebo B EN 14181: 2004 vyžaduje, aby se údaje nejdříve přepočetly na vztažné podmínky.

Metoda A – příklad (ELV NOx 450 mg/m3 n.p., suchý plyn, 3 % O2) :
se použije, pokud je rozptyl údajů, definovaný jako rozdíl mezi nejvyšší a nejnižší hodnotou NRM, minimálně 15 % z ELV. Metodou je standardní lineární regrese.

y – NMR, x – AMS

Metoda B – příklad (ELV NOx 450 mg/m3 n.p., suchý plyn, 3 % O2) :
se použije, pokud jsou údaje pohromadě, kde rozdíl mezi nejvyšší a nejnižší hodnotou NRM je menší než 15 % z ELV. Tato metoda vypočítá průměr párových hodnot NRM a AMS a potom tento průměr proloží nulou. Výsledkem je kalibrační funkce pro sérii údajů.

y – NMR, x – AMS

Platnost kalibrační funkce

Příslušná kalibrační funkce je platná v případě, že zdroj je provozován uvnitř platného kalibračního rozsahu. Tento platný kalibrační rozsah je definován jako rozsah od nuly do ys,max stanovený při postupu QAL2 navýšený o 10 % kalibračního rozsahu za horní hranicí. To znamená, že pouze hodnoty spadající do tohoto platného kalibračního rozsahu jsou platnými výsledky měření.

Pokud kalibrační funkce nedosahuje k ELV, povoluje EN 14181: 2004 tyto postupy na extrapolování kalibrační funkce:

1) kalibrační rozsah AMS se rozšíří o 10 % nejvyšší hodnoty NRM, čímž vznikne platný kalibrační rozsah;

2) kalibrační funkci je možné dál extrapolovat s použitím referenčních materiálů, pokud se výsledky nacházejí v rámci 95 % intervalu spolehlivosti kalibrační funkce.

Emisní hodnoty průmyslových zařízení je možné zpravidla dělit do třech vzorů:
data pro zpracování metodou A nebo B,
emise mohou být také velmi nízké, případně rozptýlené v okolí nuly. Emise v okolí nuly jsou často výsledkem dobře řízených výrobních procesů.

Norma EN 14181: 2004 nebyla vyvinuta na zjištění a použití kalibrační funkce při nízkých hodnotách emisí. Emise se považují za nízké, pokud koncentrace nepřekročí 95 % intervalu spolehlivosti průměrného denního ELV. V těchto případech může nejistota NRM a AMS zpochybnit přesnost kalibrační funkce.

Pro řešení těchto případů navrhuje technická specifikace CEN/TR 15983 Stationary source emissions Guidance on the application of EN 14181: 2004 následující alternativní postupy:

Postup 1:
Provést QAL2 tak, jak to popisuje EN 14181: 2004 při použití metody B s akceptováním, že nejistota měření může vnést významnou chybu do kalibrační funkce v okolí hodnoty ELV. Tato chyba však nemusí být významná, pokud hodnoty emisí zůstanou hluboko pod hodnotou ELV



Postup 2:
Provést QAL2 tak, jak to popisuje EN 14181: 2004, se zvýšením času odběru vzorku každého měření NRM a zároveň snížením počtu měření. To sníží nejistotu každého měření. Pro výpočet kalibrační funkce se použije Metoda B, přestože stále může být významná chyba hodnot blízko ELV. Tato chyba však nemusí být významná, pokud hodnoty emisí zůstanou hluboko pod hodnotou ELV.



Postup 3:
Provést menší počet měření NRM v průběhu jednoho dne místo minimálně tří. Cílem měření NRM je ujistit se, že emise jsou nízké tak, jak to ukazuje AMS. AMS se potom kalibruje s použitím náhrady, jako je například referenční materiál s nízkou nejistotou. Tento přístup může mít vysokou nejistotu, ale opět tato chyba nebude významná, pokud hodnoty emisí zůstanou hluboko pod hodnotou ELV. V návrzích revizí normy se tento postup objevuje jako náhrada QAL2 za AST v „oprávněných“ případech.



Postup 4:
Stejný jako v postupu 3, ale údaje NRM se zkombinují s údaji získanými použitím referenčních materiálů za účelem odvození kalibrační funkce. Pokud jsou emise příliš nízké, doporučuje se kontaktovat oprávněný orgán, který poskytne návrh na vhodný postup.

Uvedené příklady popisují několik postupů, které byly použité oprávněnými orgány, přestože neexistuje specifické pravidlo, který z těchto postupů zvolit.

Alternativní postupy AMS tuhých látek:
Pokud jsou emise příliš nízké, absence náhrad znamená, že nemusí být možné nakalibrovat analyzátory tuhých částic, dokonce ani s velkou nejistotou. Pro AMS TZL však neexistují ekvivalentní náhrady referenčních materiálů jako jsou kalibrační plyny pro plynové analyzátory. Proto je místo možností 3 a 4 uvedených výše potřebný alternativní přístup:

Odebírá se delší časový úsek. Měření NRM se použijí na potvrzení, že emise jsou tak nízké, jak ukazuje AMS. AMS se nastaví tak, aby reagoval na změny ve výrobě, které naznačují zvýšení emisí, výstup z AMS se pak považuje spíš za kvalitativní než kvantitativní.

Použití NRM na potvrzení shody následované alternativním kalibračním postupem: Postup je stejný jako předcházející s tím rozdílem, že AMS se nakalibruje alternativním postupem, který se spoléhá na techniku AMS. Následné podsekce popisují tři alternativní metody na kalibraci:
– Techniky přímo související s hmotností: například analyzátory beta záření nebo mikro-váhové systémy – mohou být kalibrované použitím známé hmotnosti tuhých částic.
– Analyzátory optické transmise: Na základě poznatků optické fyziky je možné vypočítat teoretické kalibrační funkce pro fyzikální analyzátory optické transmise. Přesnost tohoto postupu závisí na přesnosti odhadu průměrné velikosti částic.
– Analyzátory rozptýleného světla: Zatím není možné vypočítat teoretickou kalibrační funkci pro AMS, které používají tuto techniku. Alternativně je však možné použít kalibrační funkci z podobného zdroje znečisťování. Opět je rozhodující velikost částic, a protože ta se liší podle technologií, kalibrační křivka je pouze indikativní a může být spolehlivě použitá dokud jsou emise nízké a ustálené.

AST- Roční ověření správnosti údajů AMS

Provedení

Při každém ověření musí být provedeno nejméně 5 platných souběžných měření při normálním provozu zařízení v průběhu jednoho dne. Doba odběru vzorku by se měla shodovat s nejkratší dobou průměrování danou podle stanovené hodnoty ELV, minimálně však 30 minut.

Vyhodnocení – příklad (ELV NOx 450 mg/m3 n.p., suchý plyn, 3 % O2):

Hodnoty hmotnostní koncentrace oxidů dusíku vykazované v AMS jsou shodné v rámci stanovené tolerance s hodnotami měřenými NRM.

Literatura

1) Zákon o ochraně ovzduší 201/2012 Sb.
2) Vyhláška 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší, která transponuje Směrnici 2010/75/EU o průmyslových emisích.
3) ČSN EN 14181 Stacionární zdroje emisí - Prokazování jakosti automatizovaných měřicích systémů
4) CEN/TR 15983 Stationary source emissions Guidance on the application of EN 14181: 2004
5) ČSN EN ISO 14956 Kvalita ovzduší – Posouzení vhodnosti měřicí metody porovnáním s požadovanou nejistotou měření
6) ČSN EN 15267- 3 Kvalita ovzduší - Certifikace automatizovaných měřicích systémů - Část 3: Měřítka výkonu a postupy zkoušení pro automatizované měřicí systémy pro měření emisí ze stacionárních zdrojů
7) TNI 01 0115:2009 Mezinárodní metrologický slovník - Základní a všeobecné pojmy a přidružené termíny (VIM)
8) VGB Working Group Emissions Monitoring Comments on the Quality Assurance Standard EN 14181 May 2006
9) CEM 2009, International Conference and Exhibition on Emissions Monitoring QA/QC