一種高濕斷電狀態(tài)下電控柜防潮控制及監(jiān)測的方法

羅煥安

(燕達(海門)重型裝備制造有限公司，江蘇 海門 226156)

0 引言

沿海模塊化裝置建造中，較多地會用到自立式電控柜，這些配電、控制柜一般均成排成列地布置安裝在空間相對獨立、密閉的場所(電氣配電間或儀表自控間內(nèi))，在模塊建造中，經(jīng)調(diào)試及試運行后，需進行電控柜斷電，整體包裝并發(fā)往使用地，期間會較多地歷經(jīng)有高溫高濕、溫差較大的氣候條件。特別是遠洋航行或雨季期較長時間的運輸(有時長達幾十天)，內(nèi)部易發(fā)生凝露現(xiàn)象，同時又無法定期開啟檢查(已包裝完整或開啟條件較為不利)，或在目的地放置保存較長的一段時間，待到開箱時，其內(nèi)部可能已有積水及部件生銹或設備報廢。若環(huán)境溫度有所變化，更容易出現(xiàn)配電柜的凝露現(xiàn)象，出現(xiàn)動作不可靠、失效的問題，嚴重時誘發(fā)安全事故[1]，影響高精密電控柜設備的正常運行。為保證電控柜內(nèi)部的干燥，且能夠維持一個較低的相對濕度(RH≤20%，低于試運行時的35%～50%)，并防止各類電儀元件的生銹，本文以化工模塊項目現(xiàn)場的電控箱為實例，詳細闡述凝露的成形原因，提出對柜內(nèi)防凝露、防銹的具體措施，并在外部無供電的情況下，利用4G 網(wǎng)絡對其柜內(nèi)的溫、濕度及柜體方位進行實時監(jiān)測，以達到遠程監(jiān)控溫濕度的目的。

1 凝露的形成及數(shù)量

1.1 外部原因

海岸的空氣中含有一定量的水蒸汽，來自江河湖海面和土壤水分的不斷蒸發(fā)?？諝庵械乃羝吭蕉?，就越潮濕，反之就越干燥。空氣中的干燥和潮濕程度就是空氣的濕度，周邊環(huán)境中的帶有水氣的空氣進入電控柜內(nèi)部，受此影響柜內(nèi)空氣絕對濕度增加，由此出現(xiàn)凝露[2]。

濕度可定義為絕對濕度、飽和濕度和相對濕度、以及露點?？諝庵械乃挚捎媒^對濕度定義，絕對濕度(absolute humidity) 是單位體積內(nèi)的空氣中，實際所含的水蒸汽量，用密度單位“g/m3”表示，如1 m3的空氣中含有10.8 g 水蒸汽，絕對濕度就是10.8 g/m3。絕對濕度與溫度與正比，因氣溫在一天中不斷存在變化，絕對濕度值不易直接測定。

飽和濕度(saturated humidity)：在一定溫度下空氣中水蒸汽的最大含量稱為飽和濕度。飽和濕度的單位以g/m3表示，飽和濕度不是固定不變的，飽和濕度隨溫度的上升而增大，溫度越高單位體積中所能容納的水蒸汽含量就越多，水汽壓就越大，直到達到飽和，此時飽和水汽壓也增大到該溫度下的最大值。例如：20 ℃時飽和水汽克數(shù)為17.3 g/m3，30 ℃時增大到30.35 g/m3。

根據(jù)克拉伯龍方程式，可得出：(1) 氣溫的變化，對蒸發(fā)和凝結有重要影響。溫度升高時，飽和水汽壓變大，使原來飽和的空氣變得不飽和，重新出現(xiàn)蒸發(fā)；相反，降低飽和空氣的溫度，飽和水汽壓則減小，空氣達到過飽和，多余的水汽就會凝結出來，形成凝露現(xiàn)象；(2)對飽和空氣降低同樣的溫度，高溫時凝結出的水汽量比低溫時多，所以暖季飽和空氣中形成的云霧含水量要大些。其方程式如下[3]：

式中：Dv 為飽和濕度(g/m3)；Ed 為在露點溫度下的飽和水蒸汽壓(Pa)；Mv 為水蒸汽摩爾質量：取18.015 g/mol；R 為摩爾氣體常數(shù)，取8.314 510 J/(mol·k)；T 為空氣樣溫度(K，=273.16+t ℃)；

例：求33 ℃下飽和濕度值＝(5 035.083×18.015)/[8.314 51×(273.16+33)]=35.63g/m3。

同時，也可通過簡單查表法得出[4]，如表1 所示。

表1 水蒸汽在飽和空氣中的質量

表中所列數(shù)據(jù)為總壓力是101 325 Pa(1 atm)時在1 m3飽和空氣中所含水蒸汽的克數(shù)。

相對濕度(relative humidity：RH)：在一定溫度下，空氣中實際含有的水汽量與同溫度下的空氣最大水汽量之比的百分數(shù)，稱為相對濕度。即一定溫度下絕對濕度占飽和濕度的百分比數(shù)，公式如下：

U=Ed/Et×100%或 U=d1/d2×100% (2)

式中：U 為相對濕度(%)；Ed 為在露點溫度下的飽和水蒸汽壓(Pa)；Et 為氣樣溫度T 下水的飽和水汽壓(Pa)；d1 為氣樣溫度T 飽和濕度(g/m3)；d2 為氣樣溫度T 絕對含水濕度(g/m3)。

例：溫度20 ℃，相對濕度49.09% 狀態(tài)下，大氣中水蒸汽壓為1 148.28 Pa，含水汽量為8.488 g/m3，見表2[3]。

表2 不同溫度下的飽和水蒸汽壓

相對濕度只表示空氣離飽和的程度，不表示空氣濕度的絕對值的大小。例如，溫度在10 ℃、15 ℃時，若相對濕度均為70%，其絕對濕度值是不同的，經(jīng)查表1，10℃時絕對濕度是9.40 g×70%=6.58 g/m3，15 ℃時為12.8 g×70%=8.96 g/m3。通常所說的相對濕度小，就表示空氣距同溫度下的飽和濕度遠，空氣較干燥，相反就表示距離同溫度下的飽和濕度近，空氣較潮濕。某溫度下的相對濕度為100%時水汽達到飽和，水汽壓達到同溫度下的最大值。溫度與相對濕度的關系是：如果某一時刻的溫度不變，絕對濕度的高低決定相對濕度的大小。因為在一定的溫度下，空氣的飽和濕度是固定不變的，所以絕對濕度越高，占飽和濕度的百分比也越高，相對濕度必然越大，反之則越小。

露點(dew point：DP)：如果將不飽和水汽變?yōu)轱柡退?，只需將溫度降低到一定程度，多余的水蒸汽就會產(chǎn)生凝結形成水珠或凝露，使空中的不飽和水汽變成飽和水汽時的溫度、或使空氣中水蒸汽產(chǎn)生凝結時的溫度，稱為“露點”。例如：某庫房溫度為30 ℃，絕對濕度為23.0 g/m3，30 ℃時的飽和濕度為30.35 g/m3，則相對濕度是76%，若絕對濕度不變，庫溫下降，則庫溫內(nèi)相對濕度隨溫度下降而上升。當溫度下降到25 ℃時，查表可知：空氣中最大水汽含量為23.0 g/m3(與30 ℃時的絕對濕度相等)，絕對濕度與飽和濕度百分比正好為100%，此時未飽和水汽變?yōu)轱柡退?5 ℃便是露點。

要得出電控箱內(nèi)的結露值，可選用電控箱發(fā)運期(按30 天計)前一年中最高溫度值來計算電控柜中空氣的含水量，以確定對電控柜內(nèi)放置的干燥劑數(shù)量，以江蘇海門為例，如果于2023 年3 月5 日進行電控箱模塊的發(fā)運，可選用2022 年3 月5 日至4 月5 日期間最高氣溫32 ℃和最高相對濕度，經(jīng)上式計算空氣中的最大水含量為33.8×60%=20.28 g/m3。

1.2 內(nèi)部水珠形成

包裝中包裝輔料所含的水分揮發(fā)所形成的水氣。

1.3 運輸及儲存過程中，透過阻隔包裝材料滲透到電控柜中的水蒸汽

為保證大氣中透入電柜的水氣減少到最低。其外包材料應符合GB/T 14188—2008 《氣相防銹包裝材料選用通則》的要求，并經(jīng)比選，對整體外部氣相防銹及防潮膜選用CORTEC 公司的熱縮膜VPCI-126 Blue 來進行外封口防水，具體操作時應先清理柜內(nèi)外的積灰及水氣，熱縮用相應的熱風槍進行，并注意盡量排盡柜外部與膜間的空氣，使膜與電箱貼緊，外包的底部與地面貼緊后，用膠帶進行封口。

2 干燥劑及除銹劑的種類及數(shù)量

2.1 干燥劑的選用及計算

硅膠作為吸附除濕的代表材料，因其吸附能力強、熱穩(wěn)定性好、化學性質穩(wěn)定、有較高的機械強度，可循環(huán)重復利用、無毒無污染等特點[5]，在精密機械、計量儀器、電子、紡織和化工等生產(chǎn)過程中得到更廣泛的應用。

本次考慮到電控柜的精密性與低濕度的要求，經(jīng)比較，對柜內(nèi)選用A 型細孔球形一等品硅膠干燥劑(RH=20% 吸濕率10%)[6]，柜內(nèi)干燥劑理化指標要求如表3 所示。

表3 柜內(nèi)干燥劑理化指標要求

在25±2 ℃條件下，RH=20%的情況下，一個單位干燥劑的吸附能力應不少于3 g，故一個單位干燥劑用量為3 g÷10%=30 g。

柜內(nèi)干燥劑用量可由式(3)計算[7]：

式中：n 為所需使用的干燥劑單位(unit)數(shù)；a 為目標濕度條件下，一個單位干燥劑所能吸收的水蒸汽量(g)(相對濕度下取20%：3g)；V 為包裝的內(nèi)容積(m3)(按最大1 m×1 m×2 m 選用2 m3)； b 為初始包裝時溫濕度條件下的空氣水含量(g/m3)(經(jīng)算為20.28 g/m3)；m 為包裝內(nèi)含水包裝輔料的質量(kg)(選用材料均為禁水材料，取0)；c 為含水包裝輔料的含水率(‰)(取0)；A 為阻隔包裝材料的的表面積(m2)(取7 m2)；e 為目標濕度條件下的校正系數(shù)(相對濕度下取20%：0.9；40%：0.7；50%：0.65；60%：0.6)；WDD 為透過阻隔包裝材料的水蒸汽量 (g/m2·d)(采用水蒸汽透過率為1.0 g·m2·d 的VPCI 126 防潮防銹膜+電控柜外殼，可取50%)；t 為儲存運輸?shù)奶鞌?shù)(d)(取 40d)。

經(jīng)代入并向上取整，可得：

需要60 個單位的干燥劑用量使?jié)穸缺３衷?0%及以下(60×30 g/unit/bag=1.8 kg)。

2.2 防銹劑及密封條的選用

防銹劑采用CORTEC 公司生產(chǎn)的VPCI Emitter系列，其數(shù)量按照說明，按柜內(nèi)體積的大小選擇合適的類型(如2 m3可選用308 型，0.3 m3可選用111 型等)，柜內(nèi)氣相的密封膠條選用不含酸、堿溶劑及揮發(fā)性等物質3M 型TANOSEE 膠帶。柜內(nèi)布置如圖1 所示。

圖1 柜內(nèi)氣相防銹劑、密封條布置圖

3 溫濕度監(jiān)控的選用及布置

一般的電控柜為保證柜內(nèi)的溫濕度監(jiān)控，將一整套微型的溫、濕度儀及排風、除濕裝置內(nèi)置于電控柜內(nèi)，持續(xù)保持柜內(nèi)的濕度在一個可控的范圍內(nèi)，或者是在建造安裝過程中，全部使用室內(nèi)除濕機設定好濕度的范圍，進行持續(xù)的除濕。但在電控箱元件敏感度較高、柜內(nèi)空間有限、海運及陸運必須斷電客觀條件下，上述情況均無法實施，對自動除濕的模塊化設計的內(nèi)置裝置也無法使用。但客戶基于電控的內(nèi)部要求，其濕度須低于20%。為滿足持續(xù)監(jiān)控溫濕度的目的，本次使用了基于4G 網(wǎng)絡的一款僅手掌大小的TH41 型便攜式溫濕度監(jiān)控儀，在箱內(nèi)僅安裝了該儀器溫濕度探頭及數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)與溫濕度顯示引至電儀控制室外部一微型防潮小盒內(nèi)，并將小盒固定，盒內(nèi)放少量干燥劑后將盒關閉密封，僅留出儀器的天線與外界聯(lián)通。通過內(nèi)置的9 V 電源和4G 移動卡將數(shù)據(jù)上傳至云端并實時傳收數(shù)據(jù)，在電腦及手機端安裝了相關軟件后，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控溫濕度及GPRS 定位的功能目的，實現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)傳輸(圖2)。較于以往的藍牙或電控柜內(nèi)置網(wǎng)絡通信技術，該4G 移動網(wǎng)絡技術的主要優(yōu)勢在于傳輸速度快，無需常規(guī)供電并功能專業(yè)。通常情況下：在模塊電儀間在靜止狀態(tài)時，4G 通信的傳輸速度可達到2 Mb/s；在設備慢速移動時，4G 通信的傳輸速度約為300 kb/s 至400 kb/s，當設備快速移動時，傳輸速度仍可達到100 kb/s 至200 kb/s。所以4G 通信可滿足環(huán)境復雜的海洋及高濕環(huán)境對于數(shù)據(jù)傳輸速度、便捷性的要求，實現(xiàn)了對溫濕度及定位功能數(shù)據(jù)化的要求，其數(shù)據(jù)監(jiān)控可見圖3。

圖2 便攜式溫濕度儀基本工作流程圖

圖3 便攜式溫濕度儀及監(jiān)控界面圖

4 操作過程及結果

在模塊電控柜完成調(diào)試后、室內(nèi)的除濕機工作仍在工作的狀態(tài)下，保持電儀室內(nèi)的濕度在30%左右。斷開所有電柜的電源，一一對柜內(nèi)的灰塵進行清除，清除采用吸塵器及無紡抹布進行，清除工作應確保安全環(huán)保及無死角，并經(jīng)相關人員檢查確認后，才能開始進行防潮方面的操作：

(1)放置一體式溫濕度儀的探頭，探頭應放置在電控箱的中部并與干燥劑及各電器儀件保持100 mm左右的距離，并將數(shù)據(jù)線穿過電控箱與室外主機相聯(lián)接。

(2)用上述的環(huán)保膠帶對柜內(nèi)所有穿線處、透氣點等與大氣相連的部份進行封貼，確認柜內(nèi)無空氣，外界空氣無法通過各穿線及透氣點進入。

(3)均勻、足量地放置干燥劑、氣相防銹盒，用環(huán)保尼龍扎帶固定，并標記日期；

(4)關閉各電控柜門并鎖好，將氣相防潮膜全覆蓋并熱縮固定，底部與地板用膠帶封閉完好；

(5)將室外的便攜式溫濕度儀主機開啟并接收數(shù)據(jù)，將主機固定于防潮盒內(nèi)，

(6)斷開并拆除室內(nèi)的除濕機及電源，關閉電儀控制間大門。

經(jīng)過上述操作及數(shù)據(jù)的接收，在室外濕度50%～80% 且不斷變化的高濕情況下，電控箱內(nèi)的濕度在4 小時內(nèi)達到了30%，8 小時后降至20%，并持續(xù)保持濕度至目的地現(xiàn)場，接收方對其實時處于監(jiān)控狀態(tài)，達到了客戶的低濕干燥需求。

5 結語

日益高精密的電儀柜在各類化工、石化工程、模塊建造中的運用，使得其在斷電、高濕環(huán)境中的保護越來越受到人們的關注，對電控柜安裝、運輸、存儲等過程中的低濕要求、克服氣相的水分的侵蝕也成為工程建造中一項不可忽視的內(nèi)容，通過該種方法的實施，既對電控箱的內(nèi)部進行了有效的除濕及監(jiān)控，又以較低廉的價格、較好地處理了該方面的問題。