Rozdzielnica Ex d dla instalacji wentylacji i ogrzewania w rafinerii: problem z przegrzewaniem wnętrza rozwiązany
Wysoka moc rozproszona i wysoka temperatura otoczenia to typowe wyzwania dla urządzeń Ex. W tym projekcie rozdzielnicy Ex d dla rafinerii zastosowaliśmy rozwiązania, które umożliwiły bezpieczną pracę układu generującego ponad 500 W strat cieplnych – bez przekroczenia dopuszczalnych temperatur i przy pełnej zgodności z ATEX.
Zbyt wysoka temperatura wewnątrz rozdzielnicy
Naszym zadaniem było opracowanie koncepcji w zakresie bezpieczeństwa wybuchowego i dostawy kompletnej rozdzielnicy Ex d dla strefy zagrożonej wybuchem ATEX II 2G (Ex d IIB T3 Gb). Urządzenie miało być kluczowym elementem układu sterowania systemem wentylacyjno–chłodzącym na terenie rafinerii. Jednym słowem: odpowiadało za zasilanie i kontrolę pracy wentylatora, sprężarki, skraplacza oraz nagrzewnicy elektrycznej.
System miał pracować w dwóch odmiennych trybach:
- Tryb zimowy: falownik sterujący wentylatorem + nagrzewnica elektryczna.
- Tryb letni: falownik sterujący wentylatorem + sprężarka + skraplacz.
Już na etapie analizy zapytania technicznego ustaliliśmy, że cały układ będzie zdolny do generowania ponad 500 W mocy rozproszonej. W zamkniętej obudowie Ex d, pracującej w temperaturze otoczenia sięgającej latem 40°C, taka ilość energii cieplnej działałaby jak grzałka.
Groziło to przekroczeniem dopuszczalnej temperatury roboczej wewnętrznych komponentów (55 °C ), a tym samym utratą stabilności i trwałości całego systemu. To właśnie konieczność opanowania ciepła w ograniczonej przestrzeni stała się dla nas kluczowym wyzwaniem projektowym.
Dlaczego konieczna była obudowa Ex d
Wysoka temperatura nie była jedynym czynnikiem decydującym o konstrukcji. W projekcie zastosowano wiele komponentów w wykonaniu przemysłowym, które nie posiadają certyfikacji ATEX.
Tego typu sytuacja jest typowa dla rozwiązań projektowanych indywidualnie. Możliwe są wtedy dwa podejścia:
- Certyfikacja całego gotowego urządzenia (np. rozdzielnicy) jako kompletnego wyrobu Ex – proces długotrwały i kosztowny, uzasadniony tylko przy produkcji seryjnej.
- Zastosowanie obudowy ognioszczelnej Ex d, umożliwiającej bezpieczny montaż elementów w zwykłym wykonaniu przemysłowym w jej wnętrzu.
Po wykonaniu odpowiednich analiz i konsultacji z klientem wybraliśmy drugą opcję.
Obudowa Ex d dopuszcza obecność źródeł zapłonu (iskra, łuk, gorąca powierzchnia) i jest zaprojektowana tak, aby wytrzymać ewentualny wewnętrzny wybuch, a dzięki szczelinom gaszącym – zatrzymać płomień i gorące gazy wewnątrz. Dzięki temu rozdzielnica może bezpiecznie pracować w atmosferze z mieszaninami wybuchowymi, nawet gdy wewnątrz dojdzie do zapłonu.
Ograniczenie mocy rozpraszanej i podział konstrukcji
Chcieliśmy zapewnić bezpieczny poziom temperatury, dlatego moc rozpraszana w pojedynczej obudowie nie mogła przekroczyć 140 W. Przekroczenie tej wartości prowadziłoby do wzrostu temperatury wewnętrznej powyżej granicznych 55°C.
Dlatego zdecydowaliśmy się na rozbicie urządzenia na trzy połączone ze sobą przepustami kablowymi obudowy Ex d z obudowami Ex e. Każda pełniła odrębną funkcję:
- Moduł 1 – zasilanie i aparatura główna
- Moduł 2 – sterowanie i logika układu
- Moduł 3 – falowniki
W procesie podziału uwzględniliśmy również zależność pracy układu od temperatury zewnętrznej. Część komponentów odpowiedzialnych za zasilanie torów ogrzewania była uruchamiana, dopiero gdy temperatura otoczenia spadała poniżej +21°C. Dzięki temu mogliśmy skupić większą moc rozproszoną w jednej obudowie, bez ryzyka przegrzewania podczas pracy w warunkach letnich. Wartość 140 W odnosiła się bowiem do scenariusza najbardziej obciążającego, tj. gdy temperatura otoczenia osiąga 40°C.
Połączenia między obudowami i przepusty kablowe
Kolejny kluczowym element projektu była zbyt mała liczba przepustów, co uniemożliwiałoby prawidłowe połączenie poszczególnych sekcji rozdzielnicy. Dlatego przepływ przewodów zasilających i sterowniczych między obudowami został przez nas dokładnie obliczony na etapie projektowym. Pozwoliło nam to dobrać właściwą liczbę i średnicę certyfikowanych przepustów kablowych uszczelnianych żywicą, które zapewniają właściwy poziom bezpieczeństwa wybuchowego.
Dodatkowym wyzwaniem stało się wprowadzenie kabli specjalnych, takich jak światłowody i przewody Ethernetowe, które wymagają specjalnych dławnic barierowych. W przypadku światłowodów konieczna była również zmiana pierwotnego typu kabla zaproponowanego przez klienta, ponieważ nie nadawał się do uszczelnienia metodą żywiczną.
Rozmieszczenie komponentów i gospodarka cieplna
Podczas projektowania wnętrza obudów wykonaliśmy analizę rozkładu temperatury w pionie. Wyniki wykazały różnicę nawet kilku stopni między dolną a górną strefą obudowy. W konsekwencji elementy najbardziej wrażliwe na temperaturę, w tym falowniki, umieściliśmy w możliwie najniższej części obudowy, gdzie temperatura jest niższa. Wyżej znalazły się elementy bierne i bardziej odporne termicznie. Takie rozmieszczenie zapewniło równomierne rozłożenie ciepła i utrzymanie bezpiecznego marginesu temperaturowego nawet przy pracy w maksymalnych obciążeniach cieplnych.
Efekt, a wymogi inwestora
Opracowany przez naszych ekspertów projekt umożliwił bezpieczne wykorzystanie komponentów przemysłowych w strefie Ex przy mocy rozproszenia przekraczającej 500 W. Trójmodułowa rozdzielnica Ex d z obudowami Ex e pozwala utrzymać stabilną temperaturę pracy niezależnie od warunków atmosferycznych, eliminując przy tym ryzyko przegrzewania i zapewniając pełną zgodność z wymaganiami ATEX oraz normami IEC 60079. Inwestor pozytywnie ocenił nasz projekt, a także zleciał nam wykonanie tego rozwiązania.