Transcript Eksplosjonssikring Bakgrunn - Institutt for teknisk kybernetikk

1
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
2
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
1
3
Hva handler ATEX om?
• Forhindre ansamling av EX-atmosfære
– Risikovurdering, deteksjon, ventilasjon,
rengjøring, soneklassifisering
• Hvis ikke, kontroll med alle tennkilder
– Eliminere tennkilder
• Hvis tennkilder ikke kan utelukkes
– Tennkilder for avlastning og demping
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
4
Risikovurdering av Eksplosjonsfare
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
5
Forebyggende tiltak og vern
Grunnleggende prinsipper
a) Forhindre at det dannes eksplosiv atmosfære
Hvis vi ikke klarer det:
b) Unngå antenning
c) Begrense skadevirkning av eksplosjon
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
6
Spesifisering av Anlegget
• Egenskapene til den eksplosive atmosfæren
– Klassifisering av atmosfæren
– Tenntemperatur
• Sannsynligheten for eksplosiv atmosfære
– Sone inndeling
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
3
7
Gassgrupper
Beskrivelse
I
Gasseksempler
Kullgruver
Metan
IIA Væsker med flammepunkt over 55 oC
Tennenergi 200 μJ
Propan, Bensin,
Aceton,Metanol
IIB
Væsker med flammepunkt mellom 23 oC Etylen
og 55 oC
Tennenergi 60 μJ
IIC
Væsker med flammepunkt under 23oC
Tennenergi 20 μJ
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
Hydrogen
Acetylen
TTK4175
8
Flammepunkt
• Den temperaturen der væsken avgir nok damp
til at dampen kan antennes med en liten
flamme
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
4
9
Tenntemperatur
• Den temperaturen der en får antennelse selv
om det ikke er en ekstern tennkilde tilstede
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
10
Tenntemperatur i oC
Min
tenntemp
Gassgruppe
15.0
595
I
4.0
75.6
560
IIC
3.0
15.5
515
IIA
425
IIB
8.5
365
IIA
2.1
9.5
470
IIA
1.5
80.0
305
IIC
1
10
Gass
Formel
Tetthet
NEG
ØEG
Metan
CH4
0.5
5.0
Hydrogen
H2
0.1
Etan
C2H6
1.05
Etylen
C2H4
1.0
Butan
C4H10
2.1
1.5
Propan
C3H3
1.6
Acetylen
C2H2
0.9
Råolje(gass)
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
5
11
Soneinndeling (gass, damp og tåke)
Sone
Beskrivelse
Eksempler
Sone 0 Kontinuerlige utslippsteder
Inne i tanker
Utslipp skjer kontinuerlig eller i lange perioder Væskeoverflate
Typisk › 1000 timer pr år, eller mer enn 10% av
total prosesstid
Sone 1 Primære utslippssteder
Lufterør fra tanker
Utslipp skjer periodisk eller tilfeldig under
Tappe og Fyllesteder
normal drift
Pakkbokser
Typisk >10 og ‹ 1000 timer pr år
Fleksible rør
Sone 2 Sekundære utslippssteder
Flenser
Utslipp forventes ikke å skje under normal
drift, unntaksvis og kortvarige utslipp
Typisk ‹ 10 timer pr år og ‹ 2 timer pr gang
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
Pakninger
Koblinger
Ventiler
TTK4175
12
Sonekart - Lagertank
Key
Zone 0
Zone 1
Zone 2
Tank vents
Area Classification
for a fixed-roof tank
with heavier than air
vapour
Liquid surface
Bund wall
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
6
13
Sonekart - Transmitter
Outside of pipe
Zone 2
Zone 1
Zone 0
Inside of pipe or
process vessel
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
14
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
7
15
Eksplosjonstrekanten
Tennkilde
Luft
> vol % O2
Eksplosjonsfarlig
gass, fast, støv, væske
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
16
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
8
17
Kategorier av forbrenning
Navn
Forbrennings
Trykkøkning
hastighet
Forpuffning
cm/s
< 5 bar
puff/smell
Eksplosjon
m/s
5-15 bar
kraftig smell
Detonasjon
km/s
> 20 bar
øredøvende
drønn
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
Lydeffekt
TTK4175
18
Krav til Utstyret
• Må oppfylle krav gitt av anlegget
• Maksimal tennenergi
– Utstyrs gruppe
• Maksimal overflatetemperatur
– Temperaturklasser
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
9
19
EKSPLOSJONSSIKRING
Energi
Minimum
tennenergi
Fet
Eksplosiv blanding
Mager
LEL
UEL
% gass i luft
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
20
TENNENERGI
P = 1--- I 2 L + 1--- CU 2
2
2
mA
R•I2=konstant
150 mA
II B
II C
30 V
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
V
TTK4175
10
21
Temperaturklasser
Temperaturklasse
T1
Max overflatetemperatur oC 450
T2
T3
T4
T5
T6
300
200
135
100
85
Omgivelsestemperatur mellom
-20 oC og +40 oC
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
22
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
Utstyr godkjent i sone 1 pluss utstyr spesiellt
2, 22 beregnet for sone 2 , og kapslet utstyr som normalt
ikke danner gnister, minimum IP 44
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
11
23
Beskyttelsesarter
Metode
Isolering
Kapsling
Design
Begrense
Energi
Spesiell
Beskrivelse
Sone
Ex o
Oljefyllt utførelse
0
Ex p
Overtrykkskapsling
1
Ex q
Sandfyllt utførelse
1
Ex m
Innstøpt utførelse
1
Ex d
Eksplosjonssikker utførelse
1
Ex e
Tennsikker utførelse
1
Ex n
Utstyr for bruk i sone 2
2
Ex i
Egensikker utførelse
0-1
Ex s
Spesialutførelse
0-2
Ustyret kan benyttes i soner med mindre strenge krav enn det masimale som er
tillatt.
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
24
Standarder/Normer
Beskyttelsesarter
• IEC 60079 (http://www.standard.no/no/Abonnement/Standarder/)
– Eksplosive atmosfærer
– Et undernummer per beskyttelsesart
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
12
25
Kapsling, Ex d
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
26
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
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
13
27
Energibegrensing, Ex i
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
28
Barrierer (energibegrensning)
Motstand
3
Sikring
1
F1
R1
Sikkert
område
Sikring
Sikkert
område
Motstand
3
Z
=F1
R1
1
Z
4
2
=
4
2
IS-jord
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
14
29
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
TTK4175
30
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
15
31
Eksempel Zener
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
32
Andre typer
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
16
33
Trafo Isolerte Barrierer
•
•
•
•
Ikke IS jording
Galvanisk skille
Bedre enn zenerbarrierer
Dyrere i innkjøp
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
34
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
17
Eksempel
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
35
TTK4175
36
Beregning og Merking
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
18
37
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
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
Motstand
(Ω)
10
250
80
340
10
625
1315
TTK4175
38
U=RxI
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
19
39
MERKING og SERTIFIKATER
Transmitter
EEx
ia
Ceq ‹ 1.3F
IIB T4
L eq ‹ 0.3 mH
37.90 x
Umax = 15V
[EEx ia]
Cext ‹ 1.3F
IIC
L ext ‹ 0.3 mH
Umax = 15V
Barriere
Betydningen av de forskjellige merkingene er:
EEx
Godkjent i henhold til CENELEC normene (EN 50014 etc)
ia
egensikker krets som tolererer to samtidige feil (sone 0)
IIB,IIC
gassgruppe som utstyret er sertifisert for
T4
temperaturklasse
37.90
Godkjennings or
ganisasjon 37 og prøvenummer 90
x
Betyr at det er knyttet spesielle vilkår til sertifikatet
(må undersøkes før bruk)
[..]
plasseres i sikkert område
Maksimal kapasitans i utstyret
Ceq
Maksimal induktans i utstyret
L eq
Maksimal spenning
Umax
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
40
ATEX merking
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
20
41
CENELEC/IEC merking
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
42
Utstyrsmerking
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
21
43
Sonemerking
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
44
Jording
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
22
45
KRYSSKOBLING
Rekke
klemmer
CPU
Blå Rekke
klemmer
24V
+ -
220V
Barriere
Inn
12
32
Barriere
Ut
8
+ 24V
IS jordskinne for
tilkobling av skjerm
220V
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
46
Kabelavslutning i Instrument
Kabel nummer
Nippel
Mutter
Indre isolasjon
Identifikasjon av leder
+
Signaljord/skjerm iso
leres etter testing
Ytre kappe
Armering kobles til
jord
Metallinstrumenter jor
des til gods/struktur
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
23
47
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
48
EMC
• EMC-Elektromagnetisk Kompatibilitet
• EMI-Elektromagnetisk Immunitet
• ESD-Elektrostatisk utladning
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
24
49
JORDSYSTEM
Ikke Exi
Exi
Barriere
Armering
Skjerm
PE
Armering
Signal
Skjerm
IE
Signal
IS
PE
Metall kapsling
Struktur/Hovedjord
Teknisk kybernetikk NTNU
professor Tor Onshus
TTK4175
25