双氧水浓缩装置车间的电气设计方案

谢蓓

摘  要：介绍浙江某公司7万吨/年（50wt%）双氧水浓缩装置的电气设计，包含防爆设计、变频器控制系统设计、动力及照明系统设计、接地系统设计等方面的经验。

关键词：双氧水;变频器;变频调速;节能

中图分类号：TQ123 文献标志码：A      文章编号：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

从业以来，笔者设计了数个双氧水浓缩装置的电气设计。本次针对浙江某公司7万吨/年（50wt%）双氧水浓缩装置技改工程进行电气设计，在此分享一些设计过程中的心得体会。该浓缩装置建筑耐火等级为二级，火灾类别为甲类，占地面积452m2，总建筑面积2384.05m2。本次设计内容包括双氧水浓缩装置车间内的防爆、控制、动力、照明及防雷接地设计。动力、照明电源均引自原厂区变配电所。本工程生产用电负荷与消防用电负荷（应急照明、疏散指示标志）均为二级负荷。本次项目中涉及24台防爆电机，其中22台380V低压电机，2台10kV高压电机。笔者认为节能降耗为根本问题，即如何使控制方案与实际负荷相匹配，提高系统效率。项目中利用了变频调速器，直接控制泵类负载是一种最科学的控制方法之一。

2 双氧水浓缩装置车间的防火防爆设计

2.1 双氧水介质特性

双氧水，又名过氧化氢，分子式H2O2，分子量34.01，相对密度1.4067（25℃）。熔点-0.41℃，沸点150.2℃。外观为无色透明液体，溶于水、醇、乙醚，不溶于石油醚，极不稳定，遇热、光、粗糙表面、重金属及其他杂质会引起分解，同时放出氧和热。是一种具有较强氧化能力的强氧化剂，可与还原性物质发生反应。工业级双氧水在常温下能缓慢分解，温度升高或紫外线照射时，分解速度加快，遇到灰尘、重金属离子或碱性物质时，会发生剧烈分解，同时放出大量的氧和热。在有酸存在下较稳定，但有腐蚀性。

2.2 车间防爆设计要求

在生产车间内易燃易爆介质主要为双氧水，其爆炸性气体重于空气。生产过程为低压力，建筑为有顶无墙通风良好的场所。爆炸危险区域划分以释放源为中心，半径为3m，至地坪以上的范围内划为2区。根据《建筑设计防火规范》第3.1.1条，该建筑火灾危险类别为甲类。本工程生产车间爆炸介质的组别、级别为ⅡCT1。在爆炸危险区域内，灯具、控制开关、按钮、插座、接线盒、配电箱等均选用隔爆型产品，防爆级别、组别均不低于ExdⅡCT1。防爆电气设备均有国家授权部门颁发的防爆合格证编号、铭牌和防爆标志。由配线钢管至电气设备连接处的一段线路应穿防爆挠性管保护。爆炸危险区域内采用阻燃交联塑铜电缆在电缆桥架内敷设。至用电设备位附近，穿钢管沿柱引下，埋地敷设至用电设备。电缆在进入电机、开关、按钮、灯具、插座的进口处设防爆隔离密封装置。在穿过不同区域之间墙壁或楼板处的孔洞采用不燃材料严密堵塞。在爆炸危险环境内的电缆线路均不设中间接头。

3 变频器控制系统设计

控制系统由两台给料泵、两台一次蒸发循环泵、两台二次蒸发循环泵、两台冷凝液泵、两台化学级产品泵、两台蒸馏液泵、两台一次技术级产品泵、两台二次技术级产品泵、两台产品纯化循环泵、两台清洗液循环泵及两台真空泵组成。以上设备均为低压防爆电机，且一用一备。可通过转换开关选择主备及手动。项目中两台高压防爆电机变频联锁控制成套设备由厂家提供。带变频器的低压电机控制方式是实现变频调速，现场和DCS启停，运行状态及模拟信号返回DCS显示，见图1、2所示。未带变频器的低压电机控制方式是实现电机直接启动，现场防爆操作柱与中控室DCS起、停控制，电机运行状态与故障状态DCS显示，见图3所示。

4 车间动力系统设计

根据设计条件，该动力系统负荷等级为二级。动力电源均引自原厂区变配电所。各工艺常用设备与备用设备分别接至变配电所的不同母线段。当一段母线因故障、检修等原因停电时，另一段母线可保证继续供电。电缆进入配电柜时，其PE线应重复接地，接地电阻要求不大于4Ω。20台变频调速控制的低压电机根据容量大小不同分别选用了动力电缆：ZA-YJV-0.6/1kV-（4x4）-DN25、ZA-YJV-0.6/1kV-（4x6）-DN32、ZA-YJV-0.6/1kV-（4x10）-DN32。2台未变频的低压电机选用了动力电缆ZA-YJV-0.6/1kV-（3x35+1x16）-DN50。2台高压电机选用了动力电缆ZA-YJV-8.7/10kV-（3x95）-DN100。2台未采用变频控制的低压电机控制电缆选用C1：ZA-KYJV-450/750V-（8x1.5）-DN32引至现场操作柱。其余18台均选用C1：ZA-KYJV-450/750V-（10x1.5）-DN32。20台电机的信号电缆均选用C2：ZA-DJYVP-（4x2x1.5）-DN20 引至控制室DCS柜，如图4、5所示。配线方式为各电缆沿电缆桥架敷设至用电设备位附近，然后穿钢管沿柱引下，再埋地敷设引至用电设备。在车间一层和四层各布置了一个防爆照明配电箱AL1和AL2，其容量分别为2.22kW和2.4kW。AL1控制一层到三层的照明，AL2控制四层到六层。进线电缆型号均选用ZA-YJV-0.6/1kV -（5x6）-DN32。照明电源进线电缆沿电缆桥架敷设至照明箱附近后，穿钢管引下至照明箱。照明配線采用ZA-BV阻燃塑铜电线穿钢管沿楼板底、柱明敷设。在二层布置了一台检修电源箱。

5 车间照明系统设计

5.1 平均照度计算

根据照明设计手册（第二版），Eav=■（式5-39），式中：Eav-工作面上的平均照度;N-光源数量;？覫-光源光通量;U-利用系数，其值查表5-11;K-灯具的维护系数，其值查表2-24;A-工作面面积。考虑每层车间内设备较丰富，体积大小不一，安装灯具应尽量避免碰到设备，灯具选用了吊杆式和壁式相结合，壁式的安装在柱子上。每层车间照明选用8盏220V、50W防爆免维护节能无极灯，光通量为5600ml。每层走道设防爆应急疏散指示灯和防爆应急荧光灯。每层车间面积均为171m2，利用系数取0.6，维护系数取0.7。通过计算，车间设计平均照度值为108lx。每层楼梯间面积为16.25，采用防爆应急单管荧光灯220V、28W和防爆应急疏散指示灯220V、2W相结合，通过计算，楼梯间的平均照度值为46lx。

5.2 功率密度的计算

P0=■，式中：P0-功率密度，W/m2;P-总功率，W;A-工作面积，m2。每层车间照明功率为470W，通过计算，功率密度为3.22W/m2。每层楼梯照明功率为62W，通过计算，功率密度为3.87W/m2。根据《建筑照明设计标准》GB 50034-2013，车间的标准照明功率密度值5W/m2，对应标准照度值100lx。在一般情况下，设计照度值与照度标准值相比较，可有-10%～+10%的偏差。经计算，照明设计符合设计标准。

6 车间接地系统设计

本项目中10kV系统均采用中性点不接地方式，380/220V接地系统采用TN-S接地型式，PE线与N线严格分开，不得混接。

（1）本车间属二类防雷建筑，防直击雷采用φ12镀锌圆钢沿32.500楼梯间屋面四周敷设作为避雷带。避雷带敷设高度100，支架间距直线段1m，转角处0.5m。并利用28.000屋面四周金属栏杆作为避雷带。避雷带网格不大于10m×10m或12m×8m。所有突出屋面的金属物体均应与屋面避雷带可靠连接。

（2）引下线利用柱内对角2根主筋（直径≥φ16，否则应为4根）由下至上贯通焊接，上与屋面避雷带、下与基础接地装置可靠焊接。

（3）接地引出线在标高-1.00处用φ16镀锌圆钢与接地装置焊接后预留1米。接地电阻测量点距室外地面0.5米处柱面预埋接线盒，φ12镀锌圆钢与引下线焊接后引入盒内。

（4）本建筑接地装置利用基础承台及桩内钢筋，将地梁底2根主筋焊接连通，并与柱基内至少2根主筋及柱内作引下线的对角主筋焊連。

（5）防雷接地、防静电接地和保护接地共用接地装置，接地电阻要求不大于4Ω。

（6）为防雷电感应，平行敷设的金属管道相互距离小于100mm时，每隔20m应用金属线跨接，净距小于100mm的管道交叉处也应用金属线跨接。

（7）接地装置的预埋及焊接工作应与土建施工严密配合。

（8）屋面接闪带（含金属栏杆）应与原有厂房接闪装置可靠连接。

7 谈本次设计中的一些看法

起初本次项目中业主未采用变频器，由于变频器在节能及抑制电流冲击方面有着显著效果，笔者向业主提出采用变频器对电机进行变频调速的方案。在一般应用场合下可使用PLC的输出驱动中间继电器控制变频器实现电机的启动、停止或多段速调速，或者采用PLC加D/A功能模块控制变频器实现电机的无极调速或多台变频器之间的同步运行。但在一些规模较大的生产线上，电动机数量多且分布在不同位置，变频器数目较多，采用D/A扩展模块做同步运动控制易受到模拟量信号的波动和因距离不一致而造成的模拟量信号衰减不一致的影响，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低。

笔者认为，通过变频器自带的网络通信功能，采用RS485通信控制方式，在工业现场1台或数台PLC可与多台变频器组成分布式控制系统，从而实现对变频器的远程监控。在各种控制系统中，总线结构多种多样，其中RS485串行通信方式采用一对平衡双绞线作为传输媒体，具有多点双向通信能力，允许多个发送器连接到同一条总线上，具有传输距离长、传输速率高、抗干扰能力强、控制方便且成本低廉的特点。

系统是基于RS485串行通信方式，由触摸屏、PLC与变频器组成的控制系统。分布式的多台变频器作为执行机构，PLC作为上位机对这些变频器进行控制，可采用触摸屏做为人机控制界面输入和显示电动机的运行频率、电流、电压等各种参数。通过RS485通信协议，进行PLC与各变频器之间的内部数据通讯，PLC向变频器发送控制命令或查询命令，变频器根据命令执行动作或发送回答信息，驱动电机按照系统需要的参数工作。系统组成如图6所示。此方案已向业主提出，也得到了肯定，最后由于现场某些因素而未经采纳。

8 结束语

本文介绍了一种针对特定要求的双氧水浓缩装置控制系统的设计方案，希望能为日后的设计提供参考，力争在满足企业生产、生活的控制使用要求的前提下，进一步深化升华设计，达到技术先进、经济合理、安全适用和保护环境的要求。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50058-2014.爆炸危险环境电力装置设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014：8-13.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50034-2013.建筑照明设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2013：15-21.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50057-2010.建筑物防雷设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010：36-58.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50054-2011.低压配电设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011：42-54.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50016-2014.建筑设计防火规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014：89-103.