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(jì)，包含防爆設(shè)計(jì)、變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力及照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)、接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的經(jīng)驗(yàn)。

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(jì)了數(shù)個(gè)雙氧水濃縮裝置的電氣設(shè)計(jì)。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(jì)，在此分享一些設(shè)計(jì)過程中的心得體會(huì)。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(jì)內(nèi)容包括雙氧水濃縮裝置車間內(nèi)的防爆、控制、動(dòng)力、照明及防雷接地設(shè)計(jì)。動(dòng)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(xiàng)目中涉及24臺(tái)防爆電機(jī)，其中22臺(tái)380V低壓電機(jī)，2臺(tái)10kV高壓電機(jī)。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(shí)際負(fù)荷相匹配，提高系統(tǒng)效率。項(xiàng)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(jì)

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(diǎn)-0.41℃，沸點(diǎn)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(huì)引起分解，同時(shí)放出氧和熱。是一種具有較強(qiáng)氧化能力的強(qiáng)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(shí)，分解速度加快，遇到灰塵、重金屬離子或堿性物質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈分解，同時(shí)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(jì)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(xiǎn)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(jì)防火規(guī)范》第3.1.1條，該建筑火災(zāi)危險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(jī)、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(xiǎn)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(jì)

控制系統(tǒng)由兩臺(tái)給料泵、兩臺(tái)一次蒸發(fā)循環(huán)泵、兩臺(tái)二次蒸發(fā)循環(huán)泵、兩臺(tái)冷凝液泵、兩臺(tái)化學(xué)級產(chǎn)品泵、兩臺(tái)蒸餾液泵、兩臺(tái)一次技術(shù)級產(chǎn)品泵、兩臺(tái)二次技術(shù)級產(chǎn)品泵、兩臺(tái)產(chǎn)品純化循環(huán)泵、兩臺(tái)清洗液循環(huán)泵及兩臺(tái)真空泵組成。以上設(shè)備均為低壓防爆電機(jī)，且一用一備。可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇主備及手動(dòng)。項(xiàng)目中兩臺(tái)高壓防爆電機(jī)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(jī)控制方式是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，現(xiàn)場和DCS啟停，運(yùn)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(jī)控制方式是實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接啟動(dòng)，現(xiàn)場防爆操作柱與中控室DCS起、?？刂疲姍C(jī)運(yùn)行狀態(tài)與故障狀態(tài)DCS顯示，見圖3所示。

4 車間動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)條件，該動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)荷等級為二級。動(dòng)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(shí)，另一段母線可保證繼續(xù)供電。電纜進(jìn)入配電柜時(shí)，其PE線應(yīng)重復(fù)接地，接地電阻要求不大于4Ω。20臺(tái)變頻調(diào)速控制的低壓電機(jī)根據(jù)容量大小不同分別選用了動(dòng)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(tái)未變頻的低壓電機(jī)選用了動(dòng)力電纜ZA-YJV-0.6/1kV-（3x35+1x16）-DN50。2臺(tái)高壓電機(jī)選用了動(dòng)力電纜ZA-YJV-8.7/10kV-（3x95）-DN100。2臺(tái)未采用變頻控制的低壓電機(jī)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(tái)均選用C1：ZA-KYJV-450/750V-（10x1.5）-DN32。20臺(tái)電機(jī)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(gè)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(tái)檢修電源箱。

5 車間照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 平均照度計(jì)算

根據(jù)照明設(shè)計(jì)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(jì)算，車間設(shè)計(jì)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(jì)算，樓梯間的平均照度值為46lx。

5.2 功率密度的計(jì)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(jì)算，功率密度為3.22W/m2。每層樓梯照明功率為62W，通過計(jì)算，功率密度為3.87W/m2。根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)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(jì)照度值與照度標(biāo)準(zhǔn)值相比較，可有-10%～+10%的偏差。經(jīng)計(jì)算，照明設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

6 車間接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中10kV系統(tǒng)均采用中性點(diǎn)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(diǎn)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(tái)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(shí)，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(jì)中的一些看法

起初本次項(xiàng)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(jī)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(dòng)中間繼電器控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、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(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速或多臺(tái)變頻器之間的同步運(yùn)行。但在一些規(guī)模較大的生產(chǎn)線上，電動(dòng)機(jī)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(kuò)展模塊做同步運(yùn)動(dòng)控制易受到模擬量信號的波動(dòng)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(gè)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(tái)或數(shù)臺(tái)PLC可與多臺(tái)變頻器組成分布式控制系統(tǒng)，從而實(shí)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(diǎn)雙向通信能力，允許多個(gè)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(qiáng)、控制方便且成本低廉的特點(diǎn)。

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(tái)變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，PLC作為上位機(jī)對這些變頻器進(jìn)行控制，可采用觸摸屏做為人機(jī)控制界面輸入和顯示電動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(dòng)作或發(fā)送回答信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jì)方案，希望能為日后的設(shè)計(jì)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(jì)，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。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50058-2014.爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014：8-13.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50034-2013.建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013：15-21.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50057-2010.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：36-58.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50054-2011.低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011：42-54.

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50016-2014.建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014：89-103.