防爆紅外烘箱電氣設(shè)計分析

焦國慶

（深圳市新嘉拓自動化技術(shù)有限公司，廣東深圳 518118）

0 引言

如今動力電池的市場越來越大，對于制作電芯核心工藝的涂布機的效率要求也隨之越來越高，而涂布機提速的最大瓶頸還是在烘箱干燥，理論上烘箱的長度已經(jīng)決定涂布機所能生產(chǎn)的最高速度，而由于廠房空間和能耗的限制，烘箱的長度不能無限加長，烘箱加熱源（導熱油、蒸汽、電加熱）等熱交換效率低，加上陰極烘箱屬于防爆環(huán)境等多種因素影響，這個問題一直沒有得到很好的解決。

經(jīng)過多方面的研究及驗證，紅外加熱穿透性強，干燥效率高，用來輔助干燥將能很好地解決這個問題。但烘箱區(qū)域有爆炸性氣體產(chǎn)生，為了能在防爆環(huán)境中安全使用紅外加熱，根據(jù)相關(guān)標準設(shè)計了一套防爆高效紅外加熱裝置，能將紅外加熱安全地應(yīng)用于正極的涂布干燥，并能有效避免極片干燥過程中產(chǎn)生的NMP氣體發(fā)生爆炸。該裝置通過了南德TUV的防爆評估認證，且使涂布機的工作效率有較大提高，涂膜速度最高達120 m/min。裝置內(nèi)最復雜的是電氣相關(guān)的設(shè)計，下面就此進行詳細分析。

1 防爆分區(qū)及電氣硬件設(shè)計要求

裝置整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 危險區(qū)域的劃分

參照國標《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第14部分：危險場所分類》（GB 3836.14—2000）[1]，根據(jù)爆炸性氣體連續(xù)出現(xiàn)的頻率和持續(xù)的時間把危險場所分為以下區(qū)域：

0區(qū)：爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長時間存在的場所。

1區(qū)：在正常運行時，可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場所。

2區(qū)：在正常運行時，不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，如果出現(xiàn)也是偶爾發(fā)生并且僅短時間存在的場所。

根據(jù)以上防爆標準，結(jié)合我司實際情況，防爆紅外烘箱內(nèi)部和抽風管道定義為1區(qū)，裝置外部環(huán)境1 m范圍內(nèi)定義為2區(qū)。

1.2 1區(qū)、2區(qū)用電氣設(shè)備的選型要求

參照國標《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第15部分：危險場所電氣安裝（煤礦除外）》（GB 3836.15—2000）[1]，危險場所用電氣設(shè)備應(yīng)滿足：

（1）如電氣設(shè)備符合用于0區(qū)要求或下列防爆型式的一種或多種要求，該電氣設(shè)備可用于1區(qū)：隔爆外殼、正壓型、沖沙型、油浸型、增安型。（2）0區(qū)或1區(qū)用電氣設(shè)備或符合IEC 60079-15的“n”型電氣設(shè)備可以用在2區(qū)。

1.3 布線要求

參照國標《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第15部分：危險場所電氣安裝（煤礦除外）》（GB 3836.15—2000）[1]9.3項相關(guān)規(guī)定，爆炸性環(huán)境電纜配線技術(shù)要求（電纜需使用阻燃電纜）如下：

爆炸1區(qū)：（1）電力：銅芯2.5 mm2及以上；（2）照明：銅芯2.5 mm2及以上；（3）控制：銅芯1.0 mm2及以上。

爆炸2區(qū)：（1）電力：銅芯1.5 mm2及以上，鋁芯16 mm2及以上；（2）照明：銅芯1.5 mm2及以上；（3）控制：銅芯1.0 mm2及以上。

2 防爆紅外烘箱設(shè)備（元器件）選型

參照危險區(qū)域的劃分標準與電氣設(shè)備的選型及布線要求，我司防爆紅外烘箱區(qū)域設(shè)備（元器件）情況如下：風機電機、主傳動電機、熱電偶、風速儀、數(shù)顯壓差表、濃度傳感器、接線箱均為隔爆型，極片紅外檢測探頭、主傳動檢測開關(guān)為本安型。

3 烘箱區(qū)域布線及設(shè)備安裝示意圖

參照國標《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第15部分：危險場所電氣安裝（煤礦除外）》（GB 3836.15—2000）[1]要求進行烘箱區(qū)域布線及設(shè)備安裝，如圖2所示，整體說明如下：烘箱區(qū)域內(nèi)電纜都是通過線槽、電纜管、波紋管（極少數(shù)設(shè)備于電纜管交接處使用）進行敷設(shè)。線槽、金屬電纜管、波紋管只是對電纜起保護作用，防爆隔離是經(jīng)過進入設(shè)備的防爆密封接頭來完成的，強電電纜都是整根進入設(shè)備內(nèi)部，烘箱區(qū)域沒有電纜接頭。部分信號電纜會進入防爆接線盒內(nèi)，通過接線端子進行信號分配，防爆接線盒電纜進線、出線都是根據(jù)電纜線徑選擇合適的防爆密封接頭進行密封。

圖2 烘箱電氣設(shè)備安裝圖

4 防爆紅外烘箱的電氣功能及聯(lián)鎖設(shè)計

4.1 防爆分區(qū)計算

根據(jù)EN 1539:2015中關(guān)于A類干燥箱的相關(guān)要求[2]，先進行爆炸分區(qū)計算。已知以下參數(shù)：（1）烘箱內(nèi)部最高溫度：150 ℃；（2）NMP爆炸下限濃度：43.813 g/m3；（3）極片中NMP輸入含量：6 720 g/h。

根據(jù)以上客戶提供的相關(guān)工藝指標，結(jié)合防爆烘箱裝置各項機械設(shè)計指標及相關(guān)參數(shù)綜合計算，結(jié)果如下：根據(jù)坐標查詢，最終計算結(jié)果為RANGE 1。

4.2 防爆安全監(jiān)控措施

根據(jù)4.1計算結(jié)果，為保證設(shè)備失控狀態(tài)下不發(fā)生爆炸，相關(guān)安全監(jiān)控聯(lián)鎖措施設(shè)計如下。

4.2.1 烘箱溫度雙通道監(jiān)控

控制邏輯：采用兩組溫度探頭對烘箱的實際溫度進行監(jiān)控，在各自對應(yīng)的溫度控制器內(nèi)設(shè)置最高、最低溫度范圍，當任意一組溫度探頭或兩組同時監(jiān)測到烘箱溫度異常，溫度控制器立即輸出信號到安全PLC，安全PLC輸出一路信號切斷紅外加熱，停止烘箱加熱；另外輸出一路信號給排風變頻器，使排風變頻器按最大設(shè)定頻率運行，加大通風量；第三路輸出給烘箱傳動，使烘箱傳動緊急停止，切斷可燃物質(zhì)的輸入。

4.2.2 烘箱NMP濃度單通道監(jiān)控

控制邏輯：NMP傳感器實時對烘箱NMP濃度進行監(jiān)控，當檢測到NMP濃度超過設(shè)定值時，傳感器立即輸出信號到安全PLC，安全PLC輸出一路信號切斷紅外加熱；另外輸出一路信號給排風變頻器，使排風變頻器按最大設(shè)定頻率運行，加大通風量；第三路輸出給烘箱傳動，使烘箱傳動緊急停止，切斷可燃物質(zhì)的輸入。

4.2.3 烘箱通風量雙通道監(jiān)控

控制邏輯：采用兩組風量探頭對烘箱的實時風量進行監(jiān)控，在各自對應(yīng)的風量控制器內(nèi)設(shè)置最低風量值，當任意一組風量探頭或兩組同時監(jiān)測到烘箱風量低，風量控制器立即輸出信號給安全PLC，安全PLC輸出一路信號切斷紅外加熱，停止烘箱加熱；另外輸出一路信號給排風變頻器，使排風變頻器按最大設(shè)定頻率運行，加大通風量；第三路輸出給烘箱傳動，使烘箱傳動緊急停止，切斷可燃物質(zhì)的輸入。

4.3 常規(guī)功能聯(lián)鎖

4.3.1 循環(huán)風機控制聯(lián)鎖

（1）循環(huán)風機軸轉(zhuǎn)速監(jiān)控信號異常，紅外加熱停止。（2）風機變頻器異常，加熱停止，加熱接觸器切斷。（3）熱膨脹保護開關(guān)動作，高溫保護，接觸器切斷。（4）出風口熱電偶溫度監(jiān)控，高溫報警，加熱電源切斷。（5）排風機出口處風速監(jiān)控，風速過低，紅外加熱停止。

4.3.2 消防系統(tǒng)聯(lián)鎖

（1）隔爆閥信號觸發(fā)，消防系統(tǒng)自動啟動。（2）防爆板信號觸發(fā)，消防系統(tǒng)自動啟動。（3）手動控制啟動。當發(fā)生意外時，手動開啟消防箱的滅火裝置。

4.3.3 紅外燈管控制聯(lián)鎖

（1）烘箱門打開，紅外加熱停止，接觸器斷開，待關(guān)閉后可重新手動啟動。（2）燈管表面溫度監(jiān)控，超溫報警（低溫＜100 ℃，高溫＞580 ℃），加熱停止，加熱接觸器斷開。（3）極片表面溫度對比（紅外極片溫度檢測），超高報警，并關(guān)閉紅外燈管，接觸器斷開。（4）與烘箱風機啟停聯(lián)動，烘箱風機啟動后允許紅外燈管開啟，紅外燈管未關(guān)閉則風機無法停止。（5）每節(jié)烘箱紅外燈管供電設(shè)立獨立斷路器、接觸器、功率調(diào)節(jié)器。（6）紅外管增加冷卻風量監(jiān)測，冷卻風流量低，紅外加熱停止，接觸器斷開。（7）每節(jié)烘箱燈管回路增加獨立數(shù)顯電流感應(yīng)器，達到設(shè)定值時輸出PLC報警停機，紅外加熱空開脫扣。

4.3.4 停機控制

（1）排風量監(jiān)測：兩路風量監(jiān)測，風量低于設(shè)定值停NMP輸入（停止涂布），停止加熱，控制提高排風量。（2）NMP濃度監(jiān)控：兩路濃度監(jiān)測，濃度達到報警值停NMP輸入（停止涂布），停止加熱，控制提高排風量。（3）溫度監(jiān)控：烘箱內(nèi)一處監(jiān)測，極片上兩處監(jiān)測，溫度達到限值（計算時用的150 ℃）停NMP輸入（停輥轉(zhuǎn)），停止加熱，控制提高排風量。（4）負壓監(jiān)控：箱體負壓，達到限值停NMP輸入（停止涂布），停止加熱，控制提高排風量。（5）紅外燈管冷卻風風量監(jiān)控：設(shè)定限值，監(jiān)控保證正壓，以防危險氣體進入。低于限值停NMP輸入（停止涂布），停止加熱，控制提高排風量，提高冷卻風風量。（6）紅外燈管溫度監(jiān)控：達到限值停NMP輸入（停輥轉(zhuǎn)），停止加熱，控制提高排風量，提高冷卻風風量。（7）開啟/關(guān)閉：以上全部停機都不能自動重啟。（8）啟動前需要先開啟排風和冷卻風一段時間后才能運行，停機后排風和冷卻風需要在一段時間后才能停止，時間根據(jù)換氣量規(guī)定。

4.3.5 安全門聯(lián)鎖

（1）烘箱門打開，紅外加熱立即斷電。（2）烘箱內(nèi)溫度小于等于60 ℃，允許開門。

5 結(jié)語

以上就是防爆紅外烘箱裝置的電氣設(shè)計重點，第一臺帶該裝置的高速涂布機在C公司已經(jīng)成功試產(chǎn)，并通過了南德TUV的防爆認證。烘箱在長度不變的情況下，加熱速度提高20%以上，并且極片質(zhì)量有一定提升。