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化工离心泵高压固态软起动装置防爆设计

时间:2025-07-11 11:02:00 来源:中能苏创 点击次数:
化工离心泵广泛应用于化工生产中的介质输送(如酸碱、有机溶剂、易燃易爆物料),其运行环境常存在爆炸性气体混合物(如甲烷、丙烷、乙醇蒸气等)。高压固态软起动装置作为离心泵的核心控制设备,需通过防爆设计阻断 “电气火花、高温表面” 等点火源与爆炸性环境的接触,确保符合 GB 3836(中国)、IEC 60079(国际)等防爆标准。以下从防爆等级确定、核心防爆设计要点展开说明:
一、防爆等级与环境适配性
化工离心泵的防爆等级需根据介质特性和环境划分(如气体组别、温度组别),进而确定软起动装置的防爆类型:
  • 爆炸性气体环境分类

  • 气体组别(ⅡA/ⅡB/ⅡC):化工常见的丙烷(ⅡA)、乙烯(ⅡB)、氢气(ⅡC),ⅡC 级最危险(点燃能量最低);

  • 温度组别(T1~T6):设备表面最高温度需低于气体引燃温度(如 T4 级要求≤135℃,适应大部分有机溶剂)。

  • 装置防爆等级

推荐采用 **“隔爆型(Ex d)+ 增安型(Ex e)” 复合设计 **,主电路(含晶闸管、电抗器)采用隔爆型(Ex dⅡCT4),控制电路(如光纤模块、PLC)采用增安型(Ex eⅡCT4),满足化工 Zone 1(经常存在爆炸性环境)或 Zone 2(偶尔存在)的使用要求。
二、核心防爆设计要点
1. 电路防爆:阻断电气火花产生与传播
电气火花是主要点火源(如晶闸管开关电弧、触点分断火花),需通过电路拓扑和元件选型抑制:
  • 晶闸管模块防爆设计

  • 采用无触点式晶闸管替代机械触点,避免分断时产生电弧;晶闸管导通 / 关断过程中,通过 RC 缓冲电路(电阻 10~100Ω,电容 0.1~1μF)吸收浪涌能量,限制电压突变(du/dt≤500V/μs),避免空气间隙击穿产生火花。

  • 模块额定电压≥2 倍电网电压(如 10kV 电网选 20kV 模块),确保在过电压工况下不发生绝缘击穿(击穿会产生电弧)。

  • 触发系统防爆隔离

沿用光纤触发系统,但强化防爆隔离
  • 低压控制端(Ex e)与高压侧(Ex d)的光纤接口采用防爆格兰头(如 M20×1.5)密封,光纤穿管需满足 “隔爆间隙≤0.2mm”(ⅡC 级要求);

  • 光电转换模块(发送 / 接收端)安装在隔爆腔内,避免光电器件失效产生的火花外泄。

2. 结构防爆:隔爆外壳与间隙设计
隔爆型外壳通过 “外壳耐爆性”(承受内部爆炸压力)和 “隔爆接合面”(冷却并熄灭火焰)实现防爆,核心设计如下:
  • 外壳材质与强度

采用铸铝合金(如 ZL102)或钢板焊接,壁厚≥10mm(ⅡC 级),经水压试验(压力 1.5 倍最大爆炸压力,通常≥0.8MPa)无变形、开裂。
  • 隔爆接合面参数

外壳盖与壳体的接合面采用 “平面式” 或 “止口式”,需满足:
  • 最小间隙:ⅡC 级≤0.2mm(防止火焰穿出);

  • 最小宽度:≥12.5mm(确保火焰在间隙中充分冷却);

  • 表面粗糙度:Ra≤6.3μm(避免间隙内积尘影响隔爆性能)。

  • 电缆引入装置

采用防爆铠装电缆格兰头(如 Ex dⅡCT4),通过 “金属密封圈 + 压盖” 双重密封,电缆与格兰头的间隙≤0.1mm,防止爆炸性气体通过电缆孔渗入。
3. 散热防爆:避免高温表面成为点火源
高压固态软起动装置的晶闸管、电抗器在运行中会产生热量,需控制表面温度≤温度组别阈值(如 T4 级≤135℃),核心设计如下:
  • 低发热元件选型

晶闸管选用高压大电流压接式器件(导通压降≤1.5V@额定电流),降低通态损耗;电抗器采用低损耗硅钢片(如 30Q130),空载损耗≤0.5% 额定功率。
  • 隔爆腔内散热设计

  • 采用 “热管 + 隔爆腔外散热片” 结构:热管穿过隔爆接合面(间隙≤0.2mm),将腔内热量传导至腔外(非防爆区)的散热片,避免腔内温度过高;

  • 禁止在隔爆腔内使用风扇(风扇摩擦可能产生火花),腔外散热片可配防爆风扇(Ex dⅡCT4)强制风冷。

  • 温度监控

隔爆腔内安装本安型温度传感器(Ex iaⅡCT4),实时监测晶闸管结温(阈值≤110℃)和外壳表面温度(阈值≤130℃),超限时立即切断输出并报警。
4. 本安电路与冗余保护
  • 控制电路本安化

低压控制回路(如 PLC、信号采集)采用本质安全型(Ex ia),通过限流电阻(如 20Ω)、限压二极管(如 12V 稳压管)将能量限制在 “不能点燃爆炸性气体” 的范围(ⅡC 级要求:开路电压≤28V,短路电流≤120mA)。
  • 防爆冗余保护

  • 双重联锁:隔爆腔门打开时,通过防爆行程开关切断高压电源,避免开门带电操作;

  • 故障快速响应:过流、超温故障触发时,晶闸管关断时间≤10μs,同时驱动防爆声光报警器(Ex dⅡCT4),提示紧急处理。

三、防爆认证与测试要求
装置需通过国家认可机构(如 CNEX)的防爆认证,关键测试项目包括:
  • 隔爆性能测试:内部点燃试验(用最易点燃的气体,如氢气 / 空气混合物),外壳需承受 10 次爆炸而不损坏;

  • 温度测试:在额定负载下运行 1h,外壳表面最高温度≤温度组别阈值(如 T4 级≤135℃);

  • 接合面试验:测量隔爆间隙、宽度,确保符合 ⅡC 级要求;

  • 冲击与振动测试:模拟运输和安装过程,测试后防爆性能不变。

总结
化工离心泵高压固态软起动装置的防爆设计,核心是通过 “隔爆外壳阻断火焰传播、无火花电路抑制点火源、低发热设计控制温度”,实现与爆炸性环境的安全隔离。需根据具体介质的防爆等级(如 ⅡC T4)细化参数,同时结合本安电路和冗余保护,最终满足化工生产 “连续运行、零安全事故” 的严苛要求。实际应用中,还需配合定期防爆检查(如接合面清洁、电缆密封完整性),确保长期防爆有效性。


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