正压通风型电气控制柜的设计解析

摘要：本文分析了正压通风型电气控制柜的设计，对其各部分的设计均有阐述，并结合实例作出一些解析，有一定参考价值。

关键词：正压通风型；电气控制柜；设计

中图分类号： TK284.8 文献标识码： A 文章编号：

1 引言

正压通风型电气控制柜，是综合正压、本安、隔爆技术的复合型防爆系统，结构先进、操作简单、安全可靠。

2 正压通风型控制柜的设计

2.1 气路部分的设计

气路的设计不仅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1 600 mm×800 mm×600 mm计算,容积已经比较大了,5倍容积为3840 L,按4 000 L计算,理论换气流量q0=4 000L”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)P4=(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

式中 qz——自由(标准)状态流量,LPmin

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,K

p0——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

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,比较节能。

2.2 电气控制部分的设计

正压柜的控制要满足以下要求:

(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;

(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;

(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。

3 正压型结构分析

3.1 正压型分类

按进气方式分为通风型和补偿型。通风型为不间断连续供气，正压腔内装元件的工作热量可随气路带走，具有很好的散热功能，适用于解决大功率防爆电气的散热问题；补偿型为间断性供气，正压腔要有良好的密封性，确保耗气量小。

按介质提供方分为用户供气式和自供气式两种“用户供气式”是由用户提供保护气体气源,并满足“洁净”要求;“自供气式”则是正压型防爆产品本身自带供气系统,无须用户配置保护气体气源。这两种结构的选用主要是根据用户现场条件来决定。

3.2 正压型结构

正压型产品一般应由主盘和副盘组成。

第一部分:主盘

主要用来安装用户所需的电气系统,内部还包含了与用户电气系统无直接电气联系的正压外壳、布气系统、压力拾取系统、高压冲击保护系统等。

(1)正压外壳:这是一个密封性能良好的、具有一定抗冲击能力的外壳。

(2)布气系统:主要是保证保护气体能均匀分布到正压腔的各个部位,确保正压腔无死角,尤其是产品投运前的换气工作,能保证吹除置换干净正压腔内所有可能存在的易燃易爆气体,包含了排气口设计的合理性。布气系统设计的合理性直接影响到换气质量。

(3)压力拾取系统:主要拾取正压腔内保护气体的正压值,这里有一点应注意的是:压力拾取系统只有在换气完毕、确保正压形成之后,才能受电,否则,压力拾取系统必须进行防爆处理。现在,一般防爆企业采用的压力终端传感器为机械式微压表,而中国#华荣防爆电器有限公司直接采用了模糊电脑控制的DPU传感拾取系统,具有压力拾取精度高、运行可靠、免维护等优点。

(4)高压冲击保护系统:此为防止正压腔内受高气压冲击而使正压腔内部电气元件不能正常工作,造成用户停车、停产的一种保护措施,同时也是对正压外壳免受高气压冲击而变形漏气的保护措施。

第二部分:副盘

它至少包含换气控制系统、压力监控系统、报警系统、自动连续跟踪监控系统等。副盘的主要作用是在保证正压腔内配电装置在受电前,主盘系统已经吹除换气完毕,并已形成正压,具备受电条件,以及在主盘系统运行中,对出现的所有不正常情况进行自动控制并报警,甚至自动关断电源,使整台正压型配电装置退出运行,保证防爆性能。

副盘上所有系统均应是独立于主盘的防爆产品,一般来说,均采用隔爆型结构,并取得独立的防爆合格证书。

以下几个系统是以某防爆电器有限公司生产的BGPK18-3系列正压型防爆控制柜为基础进行说明:

(1)换气控制系统:这个电气联锁的控制系统与DCS集散控制系统配套使用,主要保证正压型产品投入运行前必须先进行换气,而且根据正压腔及连接管道的净容积量,按GB 3836.5-2004《爆炸性气体环境用防爆电气设备正压外壳型 “P”》的相关规定,计算最小换气量(必要时试验测定并经检验机构验证确认),设定换气时间,保证换气工作达到换气时间后,才能进入下一步操作程序,这是保证整机防爆性能的必不可少的强制性操作步骤。

(2)压力监控系统:这是对压力拾取系统传送的压力数据进行分析和处理的分控中心,针对预设定的控制程序,分别输出3~5条通路给自动连续跟踪监控系统的DCS集散控制系统,自动提供高压1000 Pa保护信号、100 Pa预报警信号和60 Pa紧急报警(动作)信号。

4 结束语

综上所述,随着气动元件的发展和新产品的出现,正压柜的设计会朝着更加简单化的方向发展,可靠性和安全性更高,会赢得更多用户的信任。

参考文献

[1]徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2]GB3836.1 爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求 ,2010.

[3]GB3836.5 爆炸性气体环境用电气设备 第5部分：正压外壳型P ,2004.

[4] BGPK18-3系列正压型防爆控制柜使用手册.