Transcript Eksplosjonssikring Bakgrunn - Institutt for teknisk kybernetikk
ATEX
Eksplosjonssikring
Tor Onshus
Teknisk kybernetikk Norges teknisk naturvitenskaplige universitet, NTNU tlf: 73594388 fax: 73594399 [email protected]
http://www.itk.ntnu.no/ansatte/Onshus_Tor
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
1
Bakgrunn
• EØS direktiver som blir omsatt i norske forskrifter – http://www.lovdata.no/ • FHOSEX (bedriftseier) – Helse og sikkerhet i eksplosjonsfarlig atmosfære • FUSEX (utstyrsleverandører) – Utstyr og sikkerhetssystem til bruk i eksplosjonsfarlig område • Forskrift om brannfarlig eller trykksatt stoff
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
2
1
Forebyggende tiltak og vern
Grunnleggende prinsipper a) Forhindre at det dannes eksplosiv atmosfære
3
Hvis vi ikke klarer det: b) Unngå antenning c) Begrense skadevirkning av eksplosjon
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Risikovurdering av Eksplosjonsfare
4
Skal minimum ta hensyn til: a) Sannsynlighet for eksplosiv atmosfære og varigheten av disse b) Sannsynlighet for tennkilder c) Vekselvirkning mellom anlegg og stoffer d) Konsekvenser av en eksplosjon
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
2
Eksplosjonsverndokument
• at eksplosjonsfaren er kartlagt og vurdert • at egnede tiltak er iverksatt • soneklassifisering • områder der minimumskravene gjelder • at arbeidsplass og utstyr utformes, brukes og vedlikeholdes forsvarlig • at det er iverksatt tiltak for bruk av arbeidsutstyr
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
5
Spesifisering av Anlegget
• Egenskapene til den eksplosive atmosfæren – Klassifisering av atmosfæren – Tenntemperatur • Sannsynligheten for eksplosiv atmosfære – Sone inndeling
6 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
3
Utstyrsgrupper
I Kullgruver
Beskrivelse
IIA Væsker med flammepunkt over 55 o C Tennenergi 200 μ J
Gasseksempler
Metan Propan, Bensin, Aceton,Metanol IIB Væsker med flammepunkt mellom 23 o C og 55 o C Tennenergi 60 μ J IIC Væsker med flammepunkt under 23 o C Tennenergi 20 μ J III Støvpartikler osv Etylen Hydrogen Acetylen
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
7
Flammepunkt
• Den temperaturen der væsken avgir nok damp til at dampen kan antennes med en liten flamme
8 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
4
Tenntemperatur
• Den temperaturen der en får antennelse selv om det ikke er en ekstern tennkilde tilstede
9 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Temperaturklasser
Temperaturklasse T1 T2 T3 T4 T5 T6 Max overflatetemperatur o C 450 300 200 135 100 85 Omgivelsestemperatur mellom -20 o C og +40 o C
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
10
5
Tenntemperatur i
o
C
Gass
Metan Hydrogen Etan Etylen Butan Propan Acetylen Råolje(gass)
Formel Tetthet NEG ØEG
CH4 H2 C2H6 C2H4 C4H10 C3H3 C2H2 0.5
0.1
1.05
1.0
2.1
1.6
0.9
5.0
4.0
3.0
1.5
2.1
1.5
1 15.0
75.6
15.5
8.5
9.5
80.0
10
Min tenntemp
595 560 515 425 365 470 305
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Gassgruppe
I IIC IIA IIB IIA IIA IIC
11
EKSPLOSJONSSIKRING
12 Energi Minimum tennenergi Mager LEL Eksplosiv blanding % gass i luft UEL Fet Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
6
Soneinndeling
(gass, damp og tåke) Sone Beskrivelse
Sone 0 Kontinuerlige utslippsteder Utslipp skjer kontinuerlig eller i lange perioder Typisk › 1000 timer pr år, eller mer enn 10% av total prosesstid Sone 1 Primære utslippssteder Utslipp skjer periodisk eller tilfeldig under normal drift Typisk >10 og ‹ 1000 timer pr år Sone 2 Sekundære utslippssteder Utslipp forventes ikke å skje under normal drift, unntaksvis og kortvarige utslipp Typisk ‹ 10 timer pr år og ‹ 2 timer pr gang
Eksempler
Inne i tanker Væskeoverflate Lufterør fra tanker Tappe og Fyllesteder Pakkbokser Fleksible rør Flenser Pakninger Koblinger Ventiler
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
13
Sonekart - Lagertank
Tank vents Area Classification for a fixed-roof tank with heavier than air vapour Liquid surface Key
Zone 0 Zone 1 Zone 2
14
Bund wall
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
7
Sonekart - Transmitter
Outside of pipe Zone 2 Zone 1 Zone 0
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
Inside of pipe or process vessel TTK4175
15
Soneinndeling
(støv) Sone Beskrivelse
Sone 20 Kontinuerlige utslippsteder Utslipp skjer kontinuerlig eller i lange perioder Sone 21 Primære utslippssteder Utslipp skjer periodisk eller tilfeldig under normal drift Sone 22 Sekundære utslippssteder Utslipp forventes ikke å skje under normal drift, unntaksvis og kortvarige utslipp
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
16
8
Eksplosjonstrekanten
Tennkilde Luft > vol % O2 Eksplosjonsfarlig gass, fast, støv, væske Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
17
Noen Tennkilder
• Varme overflater • Flamme eller glødende materiale • Mekanisk genererte gnister • Elektrisk genererte gnister • Elektrostatisk utladning • Kjemisk reaksjon • Atmosfæriske forstyrrelser
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
18
9
Hastighet av forbrenning
Navn Forbrennings hastighet Trykkøkning
Forpuffning cm/s < 5 bar
Lydeffekt
puff/smell Eksplosjon m/s Detonasjon km/s 5-15 bar > 20 bar kraftig smell øredøvende drønn
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
19
Krav til Utstyret
• Må oppfylle krav gitt av anlegget • Maksimal tennenergi – Utstyrs gruppe • Maksimal overflatetemperatur – Temperaturklasser
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
20
10
mA 150 mA
TENNENERGI
P
= 1 2
I
2
L
+ 1 2
CU
2
R•I 2 =konstant 21 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus 30 V II B II C V
TTK4175
Krav til Ex beskyttelse
Sone Krav til Ex beskyttelse
0, 20 Ex ia, eller utstyr godkjent for sone 0 1, 21 Utstyr godkjent i sone 0 pluss Ex ib, d, e, p, o, q, m, s 2, 22 Utstyr godkjent i sone 1 pluss utstyr spesiellt beregnet for sone 2 , og kapslet utstyr som normalt ikke danner gnister, minimum IP 44
22 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
11
Metode
Isolering Kapsling Design Spesiell Ex o Ex p Ex q Ex m Ex d Ex e Ex n Ex i Ex s
Beskyttelsesarter
Beskrivelse
Oljefyllt utførelse Overtrykkskapsling Sandfyllt utførelse Innstøpt utførelse Eksplosjonssikker utførelse Tennsikker utførelse Utstyr for bruk i sone 2 Egensikker utførelse Spesialutførelse
Sone
0 1 1 1 1 1 2 0-1 0-2
Ustyret kan benyttes i soner med mindre strenge krav enn det masimale som er tillatt.
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
23
Standarder/Normer
Beskyttelsesarter • IEC 60079 ( http://www.standard.no/no/Abonnement/Standarder/ ) – Eksplosive atmosfærer – Et undernummer per beskyttelsesart
24 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
12
Kapsling, Ex d
25 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Ex d – Ex e
• Ex d, svært mye arbeide med helt spesielle gjennomføringer – kan ha gnistgivende standard komponenter • Ex e, nesten som standard nipler – må ha spesielt ikke gnistgivende utstyr
26 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
13
Energibegrensing, Ex i
27 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Barrierer
(energibegrensning) 3 Motstand R1 Z Sikring 1 F1
Sikkert område
4 2 IS-jord 3 Motstand R1 Z = 4
Sikkert område
Sikring 1 2
28 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
14
Zenerbarrierer
• To eller tre zenerdioder for spenningsbegrensning • Motstand i serie for strømbegrensning • Sikring på primærsiden for strømbegrensning(sikker side) • Jording til IS-jord, max 1 ohm motstand
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus 29
TTK4175
Ulemper ved Zenerbarrierer:
• Trenger god jordforbindelse • Støyfølsom pga. galvanisk kobling gjennom jordforbindelsene • Feilspenninger kan slå ut store deler av anlegget • Lekkasjestrøm i zenerdiodene kan påvirke målenøyaktigheten • 28V zener lekker ved 25-26V, dvs. forskjellig strøm i felt og kontrollrom • ekvivalent barrieremotstand for 300W barriere er typisk 340W • Høy installasjonskostnad • egen IS jord • må ha stabile powersupply • dyr kabling • ofte bytte pga. kortsluttninger etc.
• Utstyr montert i Ex sone må isoleres fra jord og isolasjonsmotstand mot jord testes med 500V
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
30
15
Eksempel Zener
31 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Andre typer
32 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
16
Trafo Isolerte Barrierer
• Ikke IS jording • Galvanisk skille • Bedre enn zenerbarrierer • Dyrere i innkjøp
33 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Trafo Isoloerte Barrierer (TIB)
• Ikke krav til IS jord • Galvanisk skille mellom felt og I/O kort • Slipper IS jord, dyre power etc.
• Ingen polaritetsproblemer • Høy driftssikkerhet, støy og feil undertrykkes i trafoen • Kortsluttningssikker • Ikke nødvendig med isolasjons fra jord for utstyr i Ex sone, ingen isolasjonstest
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
34
17
Eksempel
35 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Beregning og Merking
36 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
18
SLØYFEMOTSTAND
Komponent
Indre motstand i system, inkl.. kraftforsyning Målemotstand for konvertering fra mA til Volt Negativ barriere kanal Positiv barriere kanal Kabel Transmitter
Total motstand i sløyfa Motstand (
Ω
)
10 250 80 340 10 625
1315 37 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
U = R x I
Nødvendig Spenning
• 1315 Ω x 20 mA = 26.3 V
Redusert målemotstand til 62.5
W • 1112.5 Ω x 20 mA = 22.25 V
Målenøyaktighet og A/D omformer
• 250 Ω x 20 mA =5 V • 62.5
Ω x 20 mA =1.25 V
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
38
19
MERKING og SERTIFIKATER
Transmitter
EEx ia C eq ‹ 1.3
F IIB T4 L eq ‹ 0.3 mH 37.90
x U max = 15V
Barriere
[EEx ia] C ext ‹ 1.3
F IIC L ext ‹ 0.3 mH U max = 15V
Betydningen av de forskjellige merkingene er:
EEx Godkjent i henhold til CENELEC normene (EN 50014 etc) ia IIB,IIC egensikker krets som tolererer to samtidige feil (sone 0) gassgruppe som utstyret er sertifisert for T4 37.90
x [..] C eq L eq U max temperaturklasse Betyr at det er knyttet spesielle vilkår til sertifikatet (må undersøkes før bruk) plasseres i sikkert område Maksimal kapasitans i utstyret Maksimal induktans i utstyret Maksimal spenning
39 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
40
ATEX merking
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
20
CENELEC/IEC merking
41 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Utstyrsmerking
42 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
21
Sonemerking
43 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
Jording
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
44
22
CPU Inn
KRYSSKOBLING
12 Rekke klemmer 24V + 220V Barriere Barriere Blå Rekke klemmer 32 Ut 8 + 24V 220V IS jordskinne for tilkobling av skjerm
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
45
Kabelavslutning i Instrument
Kabel nummer Nippel Mutter Indre isolasjon Identifikasjon av leder + Ytre kappe Signaljord/skjerm iso leres etter testing Armering kobles til jord Metallinstrumenter jor des til gods/struktur
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
46
23
JORDING
•
Sikkerhetsjord
(PE, gul/grønn) • Mest støyfull, skal avlede strøm og hindre berøringsfare •
Signaljord
(IE, gul/rød) • Minst mulig støy, skal
ikke
avlede strøm • Jord for
Exi
utstyr (IS, lys blå) • Spesialjord med en gitt kvalitet
Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
47
EMC
• EMC-Elektromagnetisk Kompatibilitet • EMI-Elektromagnetisk Immunitet • ESD-Elektrostatisk utladning
48 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
24
JORDSYSTEM
Ikke Exi Exi Armering Skjerm PE Signal IE Metall kapsling Struktur/Hovedjord Armering Skjerm PE Signal IS Barriere 49 Teknisk kybernetikk NTNU professor Tor Onshus
TTK4175
25