Ex d-bryteranlegg for ventilasjons- og varmesystemer i et raffineri – problemet med for stor temperaturstigning i anlegget er løst
Høy effektavledning og høye omgivelsestemperaturer er typiske utfordringer for eksplosjonssikkert utstyr. I dette prosjektet med Ex d-koblingsutstyr for et raffineri benyttet vi løsninger som gjorde det mulig for systemet – som genererer mer enn 500 W i varmetap – å fungere sikkert, uten å overskride tillatte temperaturer og i full overensstemmelse med ATEX-kravene.
For høy temperatur inne i tavlen
Vår oppgave var å utvikle et eksplosjonssikkerhetskonsept og levere et komplett koblingsanlegg til et farlig område i henhold til ATEX II 2G (Ex d IIB T3 Gb). Enheten skulle utgjøre en sentral del av styringssystemet for ventilasjons- og kjølesystemet på raffinerianlegget. Kort sagt: den hadde ansvaret for strømforsyning og styring av vifte, kompressor, kondensator og elektrisk varmeapparat.
Systemet skulle fungere i to forskjellige moduser:
- Vintermodus: viftestyring med inverter + elektrisk varmeapparat.
- Sommermodus: viftestyring via inverter + kompressor + kondensator.
Allerede i analysefasen av den tekniske undersøkelsen fastslo vi at hele systemet ville være i stand til å generere mer enn 500 W distribuert effekt. I et lukket Ex d-kabinett, som brukes ved omgivelsestemperaturer på opptil 40 °C om sommeren, ville denne mengden termisk energi fungere som en varmeovn.
Dette medførte en risiko for at de interne komponentene ville overskride den tillatte driftstemperaturen (55 °C) og dermed svekke stabiliteten og holdbarheten til hele systemet. Det var nettopp behovet for å holde varmen inne i et avgrenset rom som ble en sentral utfordring i designprosessen for oss.
Hvorfor var det nødvendig med et Ex d-kabinett?
Høy temperatur var ikke det eneste som ble tatt i betraktning ved utformingen. I utformingen ble det brukt en rekke komponenter innen industriell design som ikke har ATEX-sertifisering.
Denne typen situasjoner er typisk for skreddersydde løsninger. Da er det to mulige tilnærminger:
- Sertifisering av hele den ferdige enheten (f.eks. koblingsutstyr) som et komplett Ex-produkt – en langvarig og kostbar prosess som kun er berettiget ved serieproduksjon.
- Bruk av et eksplosjonssikkert Ex d-kabinett, som gjør det mulig å installere komponenter av vanlig industriell utforming på en sikker måte inne i det.
Etter en grundig analyse og samråd med kunden valgte vi det andre alternativet.
Ex d-kapslingen tillater tilstedeværelse av antennelseskilder (gnist, lysbue, varm overflate) og er konstruert for å tåle en eventuell intern eksplosjon og, takket være slukningsspaltene, for å holde flammen og de varme gassene inne i kapslingen. Dette gjør at bryteranlegget kan drives sikkert i omgivelser med eksplosive blandinger, selv om det skulle oppstå antennelse inne i kapslingen.
Begrensning av spredt effekt og designseparasjon
Vi ønsket å sikre et trygt temperaturnivå, så effekten som ble avledet i et enkelt kabinett, kunne ikke overstige 140 W. Hvis denne verdien ble overskredet, ville det føre til en økning i den indre temperaturen over grensen på 55 °C.
Vi bestemte oss derfor for å dele enheten opp i tre Ex d-kabinetter, med Ex e-kabinetter som var koblet sammen via kabelgjennomføringer. Hvert av dem hadde en egen funksjon:
- Modul 1 – strømforsyning og hovedutstyr
- Modul 2 – Systemstyring og logikk
- Modul 3 – Omformere
I fordelingsprosessen tok vi også hensyn til at systemets drift er avhengig av utetemperaturen. Noen av komponentene som står for strømforsyningen til varmekretsene, ble kun aktivert når omgivelsestemperaturen falt under +21 °C. På denne måten kunne vi konsentrere mer distribuert effekt i ett enkelt hus, uten risiko for overoppheting under sommerdrift. Dette skyldes at verdien på 140 W gjaldt det mest krevende scenariet, nemlig når omgivelsestemperaturen når 40 °C.
Tilkoblinger mellom kabinetter og kabelgjennomføringer
Et annet sentralt element i utformingen var det utilstrekkelige antallet gjennomføringer, noe som ville ha forhindret en korrekt tilkobling av de enkelte delene av koblingsanlegget. Derfor beregnet vi nøye strøm- og styrekabelføringen mellom kabinettene i prosjekteringsfasen. Dette gjorde det mulig for oss å velge riktig antall og diameter på sertifiserte, harpiksforseglede kabelgjennomføringer for å sikre riktig eksplosjonssikkerhetsnivå.
En ytterligere utfordring var innføringen av spesialkabler, som for eksempel optiske fibre og Ethernet-kabler, som krever spesielle barrieregjennomføringer. Når det gjaldt fiberoptiske kabler, var det også nødvendig å bytte ut den opprinnelige kabeltypen som kunden hadde foreslått, da den ikke var egnet for harpiksforsegling.
Komponentplassering og varmestyring
Da vi utformet innredningen av kabinettene, gjennomførte vi en analyse av den vertikale temperaturfordelingen. Resultatene viste en forskjell på opptil flere grader mellom de nedre og øvre sonene i kabinettet. Derfor plasserte vi de mest temperaturfølsomme komponentene, inkludert omformerne, i den lavest mulige delen av kabinettet, der temperaturen er lavere. Høyere oppe ble de passive og mer varmebestandige komponentene plassert. Denne plasseringen sikret at varmen ble jevnt fordelt og at en sikker temperaturmargin ble opprettholdt selv ved drift med maksimal varmebelastning.
Virkning og krav til investorer
Konstruksjonen, som er utviklet av våre eksperter, muliggjorde sikker bruk av industrielle komponenter i en Ex-sone med en effektavledning på over 500 W. Det tre-modulers Ex d-koblingsanlegget med Ex e-kabinetter gjør det mulig å opprettholde en stabil driftstemperatur uavhengig av atmosfæriske forhold, noe som eliminerer risikoen for overoppheting og sikrer full overholdelse av ATEX-kravene og IEC 60079-standardene. Investoren vurderte designet vårt positivt og ga oss i oppdrag å gjennomføre denne løsningen.