Ex d-Schaltanlage für Lüftungs- und Heizungsanlagen in einer Raffinerie – Problem des übermäßigen internen Temperaturanstiegs gelöst
Eine hohe Verlustleistung und hohe Umgebungstemperaturen sind typische Herausforderungen für Ex-Geräte. Bei diesem Ex d-Schaltanlagenprojekt für eine Raffinerie haben wir Lösungen eingesetzt, die einen sicheren Betrieb der Anlage, die mehr als 500 W Verlustleistung erzeugt, ermöglichen – ohne Überschreitung der zulässigen Temperaturen und in voller ATEX-Konformität.
Zu hohe Temperatur im Inneren der Schalttafel
Unsere Aufgabe war es, ein Explosionsschutzkonzept zu entwickeln und eine komplette Schaltanlage für einen ATEX II 2G (Ex d IIB T3 Gb) Gefahrenbereich zu liefern. Das Gerät sollte eine Schlüsselkomponente des Steuerungssystems für das Lüftungs- und Kühlsystem auf dem Raffineriegelände sein. Kurz gesagt: Sie war für die Stromversorgung und Steuerung des Ventilators, des Kompressors, des Verflüssigers und der elektrischen Heizung zuständig.
Das System sollte in zwei verschiedenen Modi funktionieren:
- Wintermodus: Inverter mit Gebläsesteuerung + elektrische Heizung.
- Sommermodus: Gebläsesteuerung, Inverter, Verdichter und Verflüssiger.
Bereits in der Analysephase der technischen Anfrage stellten wir fest, dass das gesamte System in der Lage sein würde, mehr als 500 W an verteilter Leistung zu erzeugen. In einem geschlossenen Ex d-Gehäuse, in dem im Sommer Umgebungstemperaturen von bis zu 40°C herrschen, würde diese Menge an Wärmeenergie wie eine Heizung wirken.
Dadurch bestand die Gefahr, dass die zulässige Betriebstemperatur der internen Komponenten (55 °C) überschritten wird und damit die Stabilität und Haltbarkeit des gesamten Systems verloren geht. Die Notwendigkeit, die Hitze auf engstem Raum einzudämmen, wurde für uns zu einer zentralen Herausforderung bei der Konstruktion.
Warum war ein Ex d-Gehäuse notwendig
Hohe Temperaturen waren nicht die einzige Überlegung bei der Konstruktion. Eine Reihe von Bauteilen im Industriedesign, die keine ATEX-Zertifizierung haben, wurden bei der Konstruktion verwendet.
Diese Art von Situation ist typisch für individuell gestaltete Lösungen. Es sind dann zwei Ansätze möglich:
- Zertifizierung der gesamten fertigen Einheit (z. B. Schaltanlage) als komplettes Ex-Produkt – ein langwieriger und kostspieliger Prozess, der nur bei Serienfertigung gerechtfertigt ist.
- Die Verwendung eines druckfesten Ex d-Gehäuses, in dem Komponenten normaler Industrieausführung sicher installiert werden können.
Nach einer entsprechenden Analyse und Beratung mit dem Kunden haben wir uns für die zweite Option entschieden.
Das Ex d-Gehäuse lässt das Vorhandensein von Zündquellen (Funken, Lichtbogen, heiße Oberfläche) zu und ist so konstruiert, dass es einer möglichen inneren Explosion standhält und dank der Löschschlitze die Flamme und die heißen Gase im Inneren eindämmt. Dadurch kann die Schaltanlage in Atmosphären mit explosiven Gemischen sicher betrieben werden, selbst wenn es im Inneren zu einer Entzündung kommt.
Begrenzung der Verlustleistung und konstruktive Trennung
Wir wollten ein sicheres Temperaturniveau gewährleisten, daher durfte die Verlustleistung in einem einzelnen Gehäuse 140 W nicht überschreiten. Ein Überschreiten dieses Wertes würde zu einem internen Temperaturanstieg über den Grenzwert von 55°C führen.
Deshalb beschlossen wir, die Einheit in drei Ex d-Gehäuse mit Ex e-Gehäusen aufzuteilen, die durch Kabeldurchführungen miteinander verbunden sind. Jedes erfüllte eine eigene Funktion:
- Modul 1 – Strom und Hauptgeräte
- Modul 2 – Systemsteuerung und Logik
- Modul 3 – Wechselrichter
Bei der Zuordnung haben wir auch die Abhängigkeit des Systembetriebs von der Außentemperatur berücksichtigt. Einige der Komponenten, die für die Stromversorgung der Heizkreise zuständig sind, wurden nur aktiviert, wenn die Umgebungstemperatur unter +21°C fiel. Auf diese Weise konnten wir mehr verteilte Leistung in einem einzigen Gehäuse konzentrieren, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung im Sommerbetrieb bestand. Denn der Wert von 140 W bezog sich auf das stressigste Szenario, d.h. wenn die Umgebungstemperatur 40°C erreicht.
Verbindungen zwischen Gehäusen und Kabeleinführungen
Ein weiteres Schlüsselelement des Entwurfs war die unzureichende Anzahl von Durchführungen, die die ordnungsgemäße Verbindung der einzelnen Schaltanlagenabschnitte verhindert hätte. Deshalb wurde der Fluss der Strom- und Steuerkabel zwischen den Gehäusen von uns während der Entwurfsphase sorgfältig berechnet. So konnten wir die richtige Anzahl und den richtigen Durchmesser der zertifizierten harzversiegelten Kabeldurchführungen auswählen, um das richtige Maß an Explosionssicherheit zu gewährleisten.
Eine zusätzliche Herausforderung war die Einführung von Spezialkabeln, wie z. B. Glasfaserkabel und Ethernetkabel, für die spezielle Barrieredurchführungen erforderlich sind. Bei Glasfaserkabeln war es außerdem notwendig, den ursprünglich vom Kunden vorgeschlagenen Kabeltyp zu ändern, da er sich nicht für die Harzabdichtung eignete.
Bauteilanordnung und Wärmemanagement
Bei der Gestaltung des Innenraums der Gehäuse haben wir eine Analyse der vertikalen Temperaturverteilung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten einen Unterschied von bis zu mehreren Grad zwischen den unteren und oberen Zonen des Gehäuses. Daher haben wir die temperaturempfindlichsten Komponenten, einschließlich der Wechselrichter, im untersten Teil des Gehäuses untergebracht, wo die Temperatur niedriger ist. Weiter oben befanden sich die passiven und wärmeresistenten Komponenten. Diese Anordnung sorgte dafür, dass die Wärme gleichmäßig verteilt wurde und auch bei maximaler Wärmebelastung eine sichere Temperaturspanne eingehalten wurde.
Wirkung und Anforderungen der Investoren
Die von unseren Experten entwickelte Konstruktion ermöglichte den sicheren Einsatz von Industriekomponenten in einer Ex-Zone mit einer Verlustleistung von mehr als 500 W. Die dreimodulige Ex d-Schaltanlage mit Ex e-Gehäusen ermöglicht die Aufrechterhaltung einer stabilen Betriebstemperatur unabhängig von den atmosphärischen Bedingungen, wodurch das Risiko einer Überhitzung ausgeschlossen und die vollständige Einhaltung der ATEX-Anforderungen und der IEC 60079-Normen gewährleistet wird. Der Investor bewertete unseren Entwurf positiv und beauftragte uns mit der Umsetzung dieser Lösung.