一种防爆电气柜设计初探

摘要：正压通风防爆电气柜由于其自身安全、高效等优势,在各工业、企事业内得到广泛应用,本文就其气路及电气控制部分的设计作了深入分析。气路部分介绍了设计要求、气路的调试及流量计算。电气部分介绍了控制核心一般为单片机、PLC或者继电控制和设计要求。

关键词：防爆；电气柜；设计；初探

中图分类号：F407.6 文献标识码：A文章编号：

正压型防爆电气控制柜是用保持外壳内部气体的压力高于其外部大气压力,阻止外部爆炸性气体进入外壳内的原理来达到防爆要求的控制柜,一般分为正压补偿型和正压通风型两种。正压补偿型对外壳的密封性要求很高,且外壳的容积受限制,另外需要操作的元器件,显示元件处理起来难度很大,操作不方便,在实际生产中应用不多。正压通风型一般用在工厂、企事业单位场合,大多有压缩气源,使用方便,对外壳的密封性要求不高,对一些操作件、显示件的处理较为简单,特别是柜内元器件发热较多时通过正压通风可将热量带出,具有其他防爆型式无可比拟的优势,应用较多。下面就正压通风型防爆电气控制柜的设计做一简单的分析和介绍。

1 正压型控制柜的设计

GB 3836.5—2004《爆炸性环境用防爆电气设备正压外壳型“p”》新标准和GB 3836.5-87《爆炸性环境用防爆电气设备正压型电气设备“p”》老标准相比,对一些项目做了详细的规定,比老标准更加严格。在新标准前言中加了一条“本部分自实施之日起代替GB 3836.5-1987,凡不符合本部分规定的产品均应在两年内过渡完毕”。到目前为止过渡期已结束,不管是新产品取证还是换证,都必须按新标准要求执行。这就要求正压柜制造厂家对原有的结构和控制做相应的修改。和老标准相比,新标准将正压型细分为px、py和pz三种型式,对于不同的型式分别有不同的要求。强调了换气流量监测和换气时间监测。正压柜的设计分为气路和电气控制两部分的设计:

1.1 气路部分的设计

气路的设计既要保证快速换气又要保证正常运行时维持在合理的正压值。快速换气阶段能保证最低的换气流量和科学合理的换气时间,在正常运行时,保证有一个较小的流量来维持正压,当外壳内压力因故障突然急剧升高时要快速排气,保持外壳内的压力在安全范围,保护外壳不被破坏。正压柜的气路如图1所示,换气时,防爆电磁阀1和防爆电磁阀2同时打开,压缩空气经过压力调节阀减压后,一路从针形阀节流后进入正压外壳;另一路经过防爆电磁阀1进入外壳,外壳内气体经过防爆电磁阀2排出,为了不使通过防爆电磁阀1的流量太大导致外壳内压力急剧升高破坏外壳,在旁路电磁阀1前面加装一个球阀,作为节流阀用,限制通过电磁阀1的流量,使进出正压外壳的流量基本平衡。压力释放阀既作排气孔,也作为安全阀使用。正常运行时,电磁阀1和电磁阀2均关闭,压缩空气经过压力调节阀减压和针形阀节流后进入正压外壳,空气从压力释放阀的排气小孔排出。以前大多数厂家的正压控制柜没有设计换气旁路,仅通过压力调节阀和针形阀调节流量,由于壳体内外压差很小,通过排气口的流量不会很大,导致换气时间过长,缩短了控制柜的工作时间,过长的换气时间也让现场的操作人员很难接受。正常运行时流量又过大,浪费大量的压缩空气。我们知道,控制柜运行时,正压值只要大于50 Pa(对于pz型大于25 Pa)即可,正压值越大,通过排气孔的流量越大,泄漏也越多,对外壳的强度和密封性要求越高,增加了控制柜的制造成本,需要的压缩空气就多,造成很大的浪费,用户也不满意。过高的压力对一些电气元件造成一定的损坏,缩短其使用寿命。若压力太小,又满足不了最小换气流量的要求。所以对原有的供气系统做一些改动是很有必要的。

气路的调试:先进行运行状态流量的调节,关闭防爆电磁阀1和2,调节压力调节阀和针形阀,将正压外壳内压力调整到100~150 Pa。调整时注意让压力调节阀的压差尽量小一些,节流主要靠针形阀完成,保证通过压力调节阀的流量远大于最小换气流量。接着调节换气流量:打开防爆电磁阀1和2,缓慢打开旁路的球阀,将壳体内压力调整到稳定在400 Pa左右。该位置即为换气流量值。这几个压力值为本人工作实践中的经验值,仅供参考。

气路流量的计算:最低换气流量和时间可以依据5倍正压外壳容积换气量确定。最低换气流量按排气流量来考核。下面对流量做一粗略验算:我们将换气时间设定为10 min,现场操作人员是可以接受的。壳体容积按1600 mm×800 mm×600 mm计算,容积已经比较大了,5倍容积为3840 L,按4000 L计算,理论换气流量q0=4000L/10 min=400 L/min。换气时的压力按400 Pa计算。气路为DN15镀锌管或不锈钢管,排气孔用DN25镀锌管或不锈钢管,流通截面积S0=(πd2)/4=(3.14×252)/4=490 mm2,取流通截面积系数为0.6,有效截面积S=0.6•S0=490×0.6=294 mm2,温度为25℃,则自由状态流量

qz=234SΔP×P1×273T1(1)=234×294×400×10-6×0.1×273273+25=416 L/min

式中

qz-自由(标准)状态流量,L/min

S-有效截面积,mm2

p1-正压外壳内绝对压力,MPa

Δp-压差(MPa),Δp=p1-p0

T1-正压外壳内热力学温度,Kp0-标准大气压

qz=416 L/min>q0=400 L/min,实际流量大于理论换气流量,能够满足换气要求。正常运行状态下,取Δp=150 Pa,设排气孔直径d=4 mm,流通面积S=πd2/4=12.56 mm2,自由状态流量

为qz=234SΔP×P1×273T1(2)=234×12.56×150×10-6×0.1×273273+25=11 L/min

则每小时流量为11×60=660 L,该流量能维持正常的正压,需要的气量很小,效率高、节能。

1.2 电气控制部分的设计

正压柜的控制要满足以下要求:

1.2.1 须设置防止正压外壳内电气设备在完成换气前就通电的安全装置,即延时装置;

1.2.2 低压断电:当正压外壳内的正压值低于50 Pa(对于pz型低于25 Pa)时断开前级电源开关;

1.2.3 高压释放,卸压。也可带报警、显示。目前正压柜的控制大致有单片机控制、PLC控制和传统的继电控制。单片机控制灵活,扩展性好,成本最低;缺点是容易受现场电磁的干扰,可靠性不够高。PLC控制稳定可靠,抗干扰能力强,能满足恶劣工况的要求,但成本偏高。传统的继电保护控制简单,操作人员容易接受,售后服务难度小,但元件较多,故障点多。

还有完全靠气动元件来实现的,基本没有电气元件,这样防爆处理很简单,但是自动化程度低,显示不够方便,需要现场操作人员严格按照使用说明书的操作规程操作,安全装置不能互锁。随着操作人员安全意识的提高和操作的规范,这种控制会得到越来越多的应用,毕竟它的元件少,没有什么电路,可靠性高,安全性好,通过仔细的计算和设计,完全可以满足使用要求,节能环保,不会受现场工况的影响,是正压柜的一个发展方向。

2 结束语

综上所述,随着气动元件的发展和电气新产品的出现,正压柜的设计会朝着更加简单化、可靠性和安全性更高的方向发展,正压通风型防爆电气控制柜产品将会赢得更多用户的信赖，更好、更安全为工业、企业事单位服务。

参考文献：

[1] 徐颖.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2006.