雙氧水濃縮裝置車間的電氣設(shè)計方案

謝蓓

摘? 要：介紹浙江某公司7萬噸/年（50wt%）雙氧水濃縮裝置的電氣設(shè)計，包含防爆設(shè)計、變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計、動力及照明系統(tǒng)設(shè)計、接地系統(tǒng)設(shè)計等方面的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：雙氧水;變頻器;變頻調(diào)速;節(jié)能

中圖分類號：TQ123 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）14-0071-04

Abstract： This paper introduces the electrical design of 70，000 ton/year（50wt%） hydrogen peroxide concentration device in a company in Zhejiang Province， including explosion-proof design， frequency converter control system design， power and lighting system design， and grounding system design.

Keywords： hydrogen peroxide; frequency converter; variable frequency speed regulation; energy saving

1 概述

從業(yè)以來，筆者設(shè)計了數(shù)個雙氧水濃縮裝置的電氣設(shè)計。本次針對浙江某公司7萬噸/年（50wt%）雙氧水濃縮裝置技改工程進(jìn)行電氣設(shè)計，在此分享一些設(shè)計過程中的心得體會。該濃縮裝置建筑耐火等級為二級，火災(zāi)類別為甲類，占地面積452m2，總建筑面積2384.05m2。本次設(shè)計內(nèi)容包括雙氧水濃縮裝置車間內(nèi)的防爆、控制、動力、照明及防雷接地設(shè)計。動力、照明電源均引自原廠區(qū)變配電所。本工程生產(chǎn)用電負(fù)荷與消防用電負(fù)荷（應(yīng)急照明、疏散指示標(biāo)志）均為二級負(fù)荷。本次項目中涉及24臺防爆電機，其中22臺380V低壓電機，2臺10kV高壓電機。筆者認(rèn)為節(jié)能降耗為根本問題，即如何使控制方案與實際負(fù)荷相匹配，提高系統(tǒng)效率。項目中利用了變頻調(diào)速器，直接控制泵類負(fù)載是一種最科學(xué)的控制方法之一。

2 雙氧水濃縮裝置車間的防火防爆設(shè)計

2.1 雙氧水介質(zhì)特性

雙氧水，又名過氧化氫，分子式H2O2，分子量34.01，相對密度1.4067（25℃）。熔點-0.41℃，沸點150.2℃。外觀為無色透明液體，溶于水、醇、乙醚，不溶于石油醚，極不穩(wěn)定，遇熱、光、粗糙表面、重金屬及其他雜質(zhì)會引起分解，同時放出氧和熱。是一種具有較強氧化能力的強氧化劑，可與還原性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。工業(yè)級雙氧水在常溫下能緩慢分解，溫度升高或紫外線照射時，分解速度加快，遇到灰塵、重金屬離子或堿性物質(zhì)時，會發(fā)生劇烈分解，同時放出大量的氧和熱。在有酸存在下較穩(wěn)定，但有腐蝕性。

2.2 車間防爆設(shè)計要求

在生產(chǎn)車間內(nèi)易燃易爆介質(zhì)主要為雙氧水，其爆炸性氣體重于空氣。生產(chǎn)過程為低壓力，建筑為有頂無墻通風(fēng)良好的場所。爆炸危險區(qū)域劃分以釋放源為中心，半徑為3m，至地坪以上的范圍內(nèi)劃為2區(qū)。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》第3.1.1條，該建筑火災(zāi)危險類別為甲類。本工程生產(chǎn)車間爆炸介質(zhì)的組別、級別為ⅡCT1。在爆炸危險區(qū)域內(nèi)，燈具、控制開關(guān)、按鈕、插座、接線盒、配電箱等均選用隔爆型產(chǎn)品，防爆級別、組別均不低于ExdⅡCT1。防爆電氣設(shè)備均有國家授權(quán)部門頒發(fā)的防爆合格證編號、銘牌和防爆標(biāo)志。由配線鋼管至電氣設(shè)備連接處的一段線路應(yīng)穿防爆撓性管保護(hù)。爆炸危險區(qū)域內(nèi)采用阻燃交聯(lián)塑銅電纜在電纜橋架內(nèi)敷設(shè)。至用電設(shè)備位附近，穿鋼管沿柱引下，埋地敷設(shè)至用電設(shè)備。電纜在進(jìn)入電機、開關(guān)、按鈕、燈具、插座的進(jìn)口處設(shè)防爆隔離密封裝置。在穿過不同區(qū)域之間墻壁或樓板處的孔洞采用不燃材料嚴(yán)密堵塞。在爆炸危險環(huán)境內(nèi)的電纜線路均不設(shè)中間接頭。

3 變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)由兩臺給料泵、兩臺一次蒸發(fā)循環(huán)泵、兩臺二次蒸發(fā)循環(huán)泵、兩臺冷凝液泵、兩臺化學(xué)級產(chǎn)品泵、兩臺蒸餾液泵、兩臺一次技術(shù)級產(chǎn)品泵、兩臺二次技術(shù)級產(chǎn)品泵、兩臺產(chǎn)品純化循環(huán)泵、兩臺清洗液循環(huán)泵及兩臺真空泵組成。以上設(shè)備均為低壓防爆電機，且一用一備。可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇主備及手動。項目中兩臺高壓防爆電機變頻聯(lián)鎖控制成套設(shè)備由廠家提供。帶變頻器的低壓電機控制方式是實現(xiàn)變頻調(diào)速，現(xiàn)場和DCS啟停，運行狀態(tài)及模擬信號返回DCS顯示，見圖1、2所示。未帶變頻器的低壓電機控制方式是實現(xiàn)電機直接啟動，現(xiàn)場防爆操作柱與中控室DCS起、停控制，電機運行狀態(tài)與故障狀態(tài)DCS顯示，見圖3所示。

4 車間動力系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計條件，該動力系統(tǒng)負(fù)荷等級為二級。動力電源均引自原廠區(qū)變配電所。各工藝常用設(shè)備與備用設(shè)備分別接至變配電所的不同母線段。當(dāng)一段母線因故障、檢修等原因停電時，另一段母線可保證繼續(xù)供電。電纜進(jìn)入配電柜時，其PE線應(yīng)重復(fù)接地，接地電阻要求不大于4Ω。20臺變頻調(diào)速控制的低壓電機根據(jù)容量大小不同分別選用了動力電纜：ZA-YJV-0.6/1kV-（4x4）-DN25、ZA-YJV-0.6/1kV-（4x6）-DN32、ZA-YJV-0.6/1kV-（4x10）-DN32。2臺未變頻的低壓電機選用了動力電纜ZA-YJV-0.6/1kV-（3x35+1x16）-DN50。2臺高壓電機選用了動力電纜ZA-YJV-8.7/10kV-（3x95）-DN100。2臺未采用變頻控制的低壓電機控制電纜選用C1：ZA-KYJV-450/750V-（8x1.5）-DN32引至現(xiàn)場操作柱。其余18臺均選用C1：ZA-KYJV-450/750V-（10x1.5）-DN32。20臺電機的信號電纜均選用C2：ZA-DJYVP-（4x2x1.5）-DN20 引至控制室DCS柜，如圖4、5所示。配線方式為各電纜沿電纜橋架敷設(shè)至用電設(shè)備位附近，然后穿鋼管沿柱引下，再埋地敷設(shè)引至用電設(shè)備。在車間一層和四層各布置了一個防爆照明配電箱AL1和AL2，其容量分別為2.22kW和2.4kW。AL1控制一層到三層的照明，AL2控制四層到六層。進(jìn)線電纜型號均選用ZA-YJV-0.6/1kV -（5x6）-DN32。照明電源進(jìn)線電纜沿電纜橋架敷設(shè)至照明箱附近后，穿鋼管引下至照明箱。照明配線采用ZA-BV阻燃塑銅電線穿鋼管沿樓板底、柱明敷設(shè)。在二層布置了一臺檢修電源箱。

5 車間照明系統(tǒng)設(shè)計

5.1 平均照度計算

根據(jù)照明設(shè)計手冊（第二版），Eav=■（式5-39），式中：Eav-工作面上的平均照度;N-光源數(shù)量;？覫-光源光通量;U-利用系數(shù)，其值查表5-11;K-燈具的維護(hù)系數(shù)，其值查表2-24;A-工作面面積?？紤]每層車間內(nèi)設(shè)備較豐富，體積大小不一，安裝燈具應(yīng)盡量避免碰到設(shè)備，燈具選用了吊桿式和壁式相結(jié)合，壁式的安裝在柱子上。每層車間照明選用8盞220V、50W防爆免維護(hù)節(jié)能無極燈，光通量為5600ml。每層走道設(shè)防爆應(yīng)急疏散指示燈和防爆應(yīng)急熒光燈。每層車間面積均為171m2，利用系數(shù)取0.6，維護(hù)系數(shù)取0.7。通過計算，車間設(shè)計平均照度值為108lx。每層樓梯間面積為16.25，采用防爆應(yīng)急單管熒光燈220V、28W和防爆應(yīng)急疏散指示燈220V、2W相結(jié)合，通過計算，樓梯間的平均照度值為46lx。

5.2 功率密度的計算

P0=■，式中：P0-功率密度，W/m2;P-總功率，W;A-工作面積，m2。每層車間照明功率為470W，通過計算，功率密度為3.22W/m2。每層樓梯照明功率為62W，通過計算，功率密度為3.87W/m2。根據(jù)《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034-2013，車間的標(biāo)準(zhǔn)照明功率密度值5W/m2，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)照度值100lx。在一般情況下，設(shè)計照度值與照度標(biāo)準(zhǔn)值相比較，可有-10%～+10%的偏差。經(jīng)計算，照明設(shè)計符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

6 車間接地系統(tǒng)設(shè)計

本項目中10kV系統(tǒng)均采用中性點不接地方式，380/220V接地系統(tǒng)采用TN-S接地型式，PE線與N線嚴(yán)格分開，不得混接。

（1）本車間屬二類防雷建筑，防直擊雷采用φ12鍍鋅圓鋼沿32.500樓梯間屋面四周敷設(shè)作為避雷帶。避雷帶敷設(shè)高度100，支架間距直線段1m，轉(zhuǎn)角處0.5m。并利用28.000屋面四周金屬欄桿作為避雷帶。避雷帶網(wǎng)格不大于10m×10m或12m×8m。所有突出屋面的金屬物體均應(yīng)與屋面避雷帶可靠連接。

（2）引下線利用柱內(nèi)對角2根主筋（直徑≥φ16，否則應(yīng)為4根）由下至上貫通焊接，上與屋面避雷帶、下與基礎(chǔ)接地裝置可靠焊接。

（3）接地引出線在標(biāo)高-1.00處用φ16鍍鋅圓鋼與接地裝置焊接后預(yù)留1米。接地電阻測量點距室外地面0.5米處柱面預(yù)埋接線盒，φ12鍍鋅圓鋼與引下線焊接后引入盒內(nèi)。

（4）本建筑接地裝置利用基礎(chǔ)承臺及樁內(nèi)鋼筋，將地梁底2根主筋焊接連通，并與柱基內(nèi)至少2根主筋及柱內(nèi)作引下線的對角主筋焊連。

（5）防雷接地、防靜電接地和保護(hù)接地共用接地裝置，接地電阻要求不大于4Ω。

（6）為防雷電感應(yīng)，平行敷設(shè)的金屬管道相互距離小于100mm時，每隔20m應(yīng)用金屬線跨接，凈距小于100mm的管道交叉處也應(yīng)用金屬線跨接。

（7）接地裝置的預(yù)埋及焊接工作應(yīng)與土建施工嚴(yán)密配合。

（8）屋面接閃帶（含金屬欄桿）應(yīng)與原有廠房接閃裝置可靠連接。

7 談本次設(shè)計中的一些看法

起初本次項目中業(yè)主未采用變頻器，由于變頻器在節(jié)能及抑制電流沖擊方面有著顯著效果，筆者向業(yè)主提出采用變頻器對電機進(jìn)行變頻調(diào)速的方案。在一般應(yīng)用場合下可使用PLC的輸出驅(qū)動中間繼電器控制變頻器實現(xiàn)電機的啟動、停止或多段速調(diào)速，或者采用PLC加D/A功能模塊控制變頻器實現(xiàn)電機的無極調(diào)速或多臺變頻器之間的同步運行。但在一些規(guī)模較大的生產(chǎn)線上，電動機數(shù)量多且分布在不同位置，變頻器數(shù)目較多，采用D/A擴展模塊做同步運動控制易受到模擬量信號的波動和因距離不一致而造成的模擬量信號衰減不一致的影響，使整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性降低。

筆者認(rèn)為，通過變頻器自帶的網(wǎng)絡(luò)通信功能，采用RS485通信控制方式，在工業(yè)現(xiàn)場1臺或數(shù)臺PLC可與多臺變頻器組成分布式控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對變頻器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在各種控制系統(tǒng)中，總線結(jié)構(gòu)多種多樣，其中RS485串行通信方式采用一對平衡雙絞線作為傳輸媒體，具有多點雙向通信能力，允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，具有傳輸距離長、傳輸速率高、抗干擾能力強、控制方便且成本低廉的特點。

系統(tǒng)是基于RS485串行通信方式，由觸摸屏、PLC與變頻器組成的控制系統(tǒng)。分布式的多臺變頻器作為執(zhí)行機構(gòu)，PLC作為上位機對這些變頻器進(jìn)行控制，可采用觸摸屏做為人機控制界面輸入和顯示電動機的運行頻率、電流、電壓等各種參數(shù)。通過RS485通信協(xié)議，進(jìn)行PLC與各變頻器之間的內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊，PLC向變頻器發(fā)送控制命令或查詢命令，變頻器根據(jù)命令執(zhí)行動作或發(fā)送回答信息，驅(qū)動電機按照系統(tǒng)需要的參數(shù)工作。系統(tǒng)組成如圖6所示。此方案已向業(yè)主提出，也得到了肯定，最后由于現(xiàn)場某些因素而未經(jīng)采納。

8 結(jié)束語

本文介紹了一種針對特定要求的雙氧水濃縮裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，希望能為日后的設(shè)計提供參考，力爭在滿足企業(yè)生產(chǎn)、生活的控制使用要求的前提下，進(jìn)一步深化升華設(shè)計，達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用和保護(hù)環(huán)境的要求。

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