關于一種防爆電氣柜設計研究

黨彥廣　劉慶

摘 要： 正壓型防爆電氣控制柜是由保持外殼內部氣體的壓力高于其外部大氣壓力，阻止外部爆炸性氣體進入外殼內的原理來達到防爆要求的控制柜。本文就正壓型防爆電氣控制柜設計做了簡單的分析與探究，以期有效提升設計水平。

關鍵詞： 正壓型防爆電氣控制柜；設計要點；原理

一、正壓型防爆電氣控制柜結構及原理

正壓型防爆電氣控制柜主體由正壓電氣柜、正壓氣路系統、隔爆型電氣箱等幾部分組成。正壓電氣柜外殼是由冷軋鋼板經折邊、拼焊而成的氣密外殼。由于它能保持內部保護氣體的壓力高于周圍爆炸性氣體環境的壓力，從而能有效的阻止外部的爆炸性氣體混合物進入外殼內部。

正壓氣路系統布置在正壓電氣柜的下方。它可使現場的壓縮空氣或其它不燃性氣體經過減壓變成純凈的微壓氣體進入正壓電氣柜內，經過三十分鐘吹掃，清除掉柜內爆炸性氣體，并繼續保持正壓，使正壓電氣柜內部成為安全場所。隔爆型電氣箱負責給正壓電氣柜輸送電源。當正壓電氣柜經過三十分鐘吹掃，且柜體內壓力大于50Pa時，向正壓電氣柜供電。隔爆型電氣箱外壁布置著若干個電纜引入裝置；分別和電源電纜、輸出電纜、和防爆主令控制器用電纜連接。

在電氣柜的側面設置有若干個螺紋接頭通孔，它們分別是：壓縮空氣或其它不燃性氣體入口、正壓腔氣體出口。在電氣柜隔板上設置有若干個螺紋接頭通孔，它們分別是：電源電纜入口 、輸出電纜出口、備用電纜出口。這些螺紋接頭是供用戶在現場實施電纜鋼管布線和氣源管道施工時使用。

二、正壓型控制柜的設計要點

與老標準相比，新標準將正壓型細分為px、py和pz三種型式，對于不同的型式分別有不同的要求。強調了換氣流量監測和換氣時間監測。正壓柜的設計分為氣路和電氣控制兩部分的設計：

1、氣路部分的設計？

氣路的設計既要保證快速換氣又要保證正常運行時維持在合理的正壓值。快速換氣階段能保證最低的換氣流量和科學合理的換氣時間，在正常運行時，保證有一個較小的流量來維持正壓，當外殼內壓力因故障突然急劇升高時要快速排氣，保持外殼內的壓力在安全范圍，保護外殼不被破壞。以前大多數廠家的正壓控制柜沒有設計換氣旁路，僅通過壓力調節閥和針形閥調節流量，由于殼體內外壓差很小，通過排氣口的流量不會很大，導致換氣時間過長，縮短了控制柜的工作時間，過長的換氣時間也讓現場的操作人員很難接受。正常運行時流量又過大，浪費大量的壓縮空氣。

氣路的調試：先進行運行狀態流量的調節，關閉防爆電磁閥1和2，調節壓力調節閥和針形閥，將正壓外殼內壓力調整到100～150 Pa。調整時注意讓壓力調節閥的壓差盡量小一些，節流主要靠針形閥完成，保證通過壓力調節閥的流量遠大于最小換氣流量。接著調節換氣流量：打開防爆電磁閥1和2，緩慢打開旁路的球閥，將殼體內壓力調整到穩定在400 Pa左右。該位置即為換氣流量值。

氣路流量的計算：最低換氣流量和時間可以依據5倍正壓外殼容積換氣量確定。最低換氣流量按排氣流量來考核。下面對流量做一粗略驗算：我們將換氣時間設定為10 min，現場操作人員是可以接受的。殼體容積按1600 mm×800 mm×600 mm計算，容積已經比較大了，5倍容積為3840 L，按4000 L計算，理論換氣流量q0=4000L/10 min=400 L/min。換氣時的壓力按400 Pa計算。氣路為DN15鍍鋅管或不銹鋼管，排氣孔用DN25鍍鋅管或不銹鋼管，流通截面積S0=（πd2）/4=（3.14×252）/4=490 mm2，取流通截面積系數為0.6，有效截面積S=0.6？S0=490×0.6=294 mm2，溫度為25℃，則自由狀態流量如下：

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

式中：

qz-自由（標準）狀態流量，L/min

S-有效截面積，mm2

p1-正壓外殼內絕對壓力，MPa

Δp-壓差（MPa），Δp=p1-p0

T1-正壓外殼內熱力學溫度，Kp0-標準大氣壓

qz=416 L/min>q0=400 L/min，實際流量大于理論換氣流量，能夠滿足換氣要求。正常運行狀態下，取Δp=150 Pa，設排氣孔直徑d=4 mm，流通面積S=πd2/4=12.56 mm2，自由狀態流量為：

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

則每小時流量為11×60=660 L，該流量能維持正常的正壓，需要的氣量很小，效率高、節能。

2、電氣控制部分的設計

正壓電氣柜的控制要滿足以下要求：

（1）須設置防止正壓外殼內電氣設備在完成換氣前就通電的安全裝置，即延時裝置；

（2）低壓斷電：當正壓外殼內的正壓值低于50 Pa（對于pz型低于25 Pa）時斷開前級電源開關；

（3）高壓釋放，卸壓。也可帶報警、顯示。目前正壓電氣柜的控制大致有單片機控制、PLC控制和傳統的繼電控制。單片機控制靈活，擴展性好，成本最低；缺點是容易受現場電磁的干擾，可靠性不夠高。PLC控制穩定可靠，抗干擾能力強，能滿足惡劣工況的要求，但成本偏高。傳統的繼電保護控制簡單，操作人員容易接受，售后服務難度小，但元件較多，故障點多。

還有完全靠氣動元件來實現的，基本沒有電氣元件，這樣防爆處理很簡單，但是自動化程度低，顯示不夠方便，需要現場操作人員嚴格按照使用說明書的操作規程操作，安全裝置不能互鎖。隨著操作人員安全意識的提高和操作的規范，這種控制會得到越來越多的應用，畢竟它的元件少，沒有什么電路，可靠性高，安全性好，通過仔細的計算和設計，完全可以滿足使用要求，節能環保，不會受現場工況的影響，是正壓電氣柜的一個發展方向。

三、結束語

綜上所述，隨著氣動元件的發展和電氣新產品的出現，正壓電氣柜的設計會朝著更加簡單化、可靠性和安全性更高的方向發展，正壓型防爆電氣控制柜產品將會贏得更多用戶的信賴。

參考文獻

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