Взрывозащищённое оборудование: требования к установкам зеленого водорода

Взрывозащищенное электрооборудование для заводов по производству зеленого водорода нельзя выбирать в автоматическом режиме, используя те же спецификации, которые применялись для обычного нефтеперерабатывающего проекта. Широкий диапазон воспламеняемости водорода, от 41% до 75% в воздухе, и его исключительно низкая энергия воспламенения означают, что оборудование, прошедшее стандартную сертификацию для опасных зон, все еще может представлять риск, если игнорировать совместимость материалов и проверку группы газов. За три десятилетия проектирования и поставки взрывозащищенных систем для проектов в нефтегазовой отрасли и химической секторах, включая полный пакет электрооборудования для разработки Тиленга в Уганде, я понял, что работа с водородом требует более пристального внимания к материалам корпусов, объему сертификации и тому, как каждый компонент ведет себя на всей цепочке от электролиза до хранения.

Риски, связанные с водородом, и электрооборудование для их устранения

Утечки водорода ведут себя иначе, чем более тяжелые углеводородные пары. Выброс водорода почти мгновенно рассеивается вверх, поскольку газ в 14 раз легче воздуха. Это хорошая новость для наружных установок, где естественная вентиляция быстро рассеивает водород, но внутри электролизерного здания или компрессорной установки то же свойство создает риск накопления у потолка, который стандартные схемы газообнаружения иногда упускают.

Электрическая проблема заключается не только в абстрактной взрывозащите. Водород классифицируется как группа IIC с температурным классом T1. Он воспламеняется примерно при 560°C, но энергия, необходимая для воспламенения, измеряется в микроджоулях. Статический разряд от одежды рабочего может вызвать его воспламенение. Это означает, что размеры взрывонепроницаемых соединений, толщина стенок корпуса и метод уплотнения кабельных вводов должны быть проверены специально для IIC, а не только для более распространенных газов IIB, таких как этилен, на которые ориентировано большинство готового оборудования.

Я видел проекты, где отделы закупок указывали оборудование для зоны ATEX 1, не проверяя приложение с группой газов в сертификате. Когда я проверял один такой заказ для водородной компрессорной станции, половина выбранного распределительные коробки имела только маркировку IIB. Они были совершенно пригодны для установки алкилирования на нефтеперерабатывающем заводе, но не подходили для работы с водородом. Стоимость их замены после поставки была примерно в три раза выше, чем стоимость проверки группы газов во время рассмотрения запроса на коммерческое предложение.

Почему классификация водорода по группе IIC меняет конструкцию оборудования

Группа IIC включает водород наряду с ацетиленом и сероуглеродом. Взрывонепроницаемый корпус для IIC требует более узких путей распространения пламени и более жестких допусков на соединения, чем для IIB. Взрывонепроницаемый корпус Ex d с классом IIB может иметь путь распространения пламени 25 мм, но для IIC водорода та же конструкция корпуса требует более длинного пути или другой геометрии соединения. Практическим результатом для человека, составляющего спецификацию оборудования, является то, что простого указания Ex d недостаточно. Сертификат должен явно указывать Ex d IIC.

Температурный класс добавляет еще один уровень. Температура самовоспламенения водорода 560°C соответствует T1, наименее ограничительному классу. Большинство современных светодиодных светильников и распределительного оборудования легко соответствуют T4 или T6, что нормально. Но среда установки иногда включает другие газы или пары с более низкими температурами воспламенения, и температурный класс оборудования должен охватывать наиболее ограничительный присутствующий газ. Если завод использует аммиак для терморегулирования наряду с водородом, оборудование с классом T1 может быть недостаточным для зон с аммиаком.

Что отличает водород от рисков, связанных с углеводородными газами

Практическое отличие проектирования для водорода от проектирования для метана или пропана сводится к трем взаимосвязанным факторам. Во-первых, молекулярный размер водорода означает, что он может просачиваться через прокладки и уплотнения кабельных вводов, которые удерживали бы более крупные углеводородные молекулы. Во-вторых, поскольку энергия воспламенения очень низка, утечка, которая не регистрируется как горючая концентрация на газовом детекторе, все же может воспламениться при контакте с электрической дугой реле или щеточного двигателя. В-третьих, водород горит почти невидимым пламенем при дневном свете, что делает обнаружение персоналом практически невозможным без тепловизионной съемки или специальных УФ/ИК-детекторов пламени.

В проекте Тиленга в Уганде водород не был основным технологическим газом, но полученные уроки были применимы напрямую. Мы поставляли взрывозащищенное освещение и электросистемы для площадок скважин, центрального перерабатывающего предприятия и трубопроводных коридоров, где состав газа варьировался в зависимости от местоположения. Оборудование должно было быть квалифицировано для самой требовательной группы газов, присутствующей в каждой зоне, и мы проверяли каждую строку сертификата перед отгрузкой. Подход, который мы использовали там — спецификация, основанная на группе газов, а не только на зоне — еще более строго применим к специализированному заводу по производству зеленого водорода.

Сертификация и требования к материалам для работы с водородом

Сертификат IECEx или ATEX содержит больше информации, чем зона и метод защиты, указанные на первой странице. Приложение к сертификату указывает группы газов, температурный класс, диапазон температуры окружающей среды и любые особые условия использования. Для работы с водородом я говорю отделам закупок смотреть на три вещи в каждом сертификате: в столбце группы газов должно быть указано IIC, материал корпуса должен быть совместим с воздействием водорода, а температурный класс должен соответствовать всем газам, присутствующим в зоне, а не только водороду.

Выбор материала имеет более глубокое значение, чем осознают большинство спецификаторов. Водородное охрупчивание влияет на высокопрочные стали, но даже алюминиевые сплавы — наиболее распространенный материал взрывозащищенных корпусов — требуют внимания. Стандартные алюминиевые корпуса без меди с порошковым покрытием надежно работают с водородом, но крепеж тоже имеет значение. Внешний крепеж из нержавеющей стали устойчив к коррозии, которая образуется при сочетании проницаемости водорода с атмосферной влагой. Я специфицировал корпуса из нержавеющей стали 316L для прибрежных водородных проектов, где перекрываются солевые брызги и воздействие водорода, и хотя первоначальная стоимость выше, чем у алюминия, интервал технического обслуживания увеличивается в три-пять раз.

ATEX против IECEx для водорода: какой путь сертификации применим

Оба стандарта, ATEX и IECEx, охватывают группу IIC водорода. Выбор обычно зависит от местоположения проекта и нормативных требований конечного пользователя. Европейские проекты по умолчанию используют ATEX, Ближний Восток и Азия все чаще принимают IECEx в качестве основного или равноправного стандарта, а проекты в Северной Америке требуют соответствия NEC/CEC с перечнями UL или CSA. Важный практический момент заключается в том, что сертификат ATEX и сертификат IECEx не являются автоматически взаимозаменяемыми. Производитель должен иметь оба, чтобы поставлять продукцию по обоим стандартам.

Для завода по производству зеленого водорода, строящегося по контракту EPC, я рекомендую писать спецификацию с учетом сертификации IECEx в качестве базового стандарта и добавлять ATEX или NEC в качестве регионального дополнения. Это расширяет пул поставщиков при сохранении технической строгости. Проверьте каждую сертификацию по стандартам IEC 60079-0 и IEC 60079-1 для взрывозащищенного оборудования и подтвердите номер сертификата в онлайн-базе данных IECEx. Поддельные или просроченные сертификаты — реальная проблема в секторе водорода, особенно потому, что спрос превысил предложение действительно сертифицированного оборудования IIC в некоторых регионах.

Сравнение материалов корпусов для водородных сред

Линия корпусов из ГРП, которую мы производим под сериями BCZ8060 и BXJ8050, получила особое распространение в электролизных зданиях, где атмосфера содержит не только водород, но и туман гидроксида калия от щелочных электролизеров. ГРП не корродирует при воздействии щелочи так, как со временем будет алюминий, и материал обладает изначальной антистатичностью при производстве с добавками проводящих веществ.

Системы распределения и управления электропитанием для электролизных установок

Электрическая нагрузка электролизной установки отличается от любой в обычной нефтеперерабатывающей промышленности. Стек электролизатора щелочного типа мощностью 100 МВт потребляет энергию при низком напряжении и очень большом токе, а выпрямительные трансформаторы создают гармонические искажения, которые возвращаются в систему распределения установки. Оборудование, взрывоопасное и предназначенное для этого окружения, должно учитывать не только классификацию опасной зоны, но и тепловой и электрический стресс, возникающий при работе рядом с крупными выпрямительными установками.

Щиты распределения для электролизных установок обычно имеют многоуровневую архитектуру. Основное низковольтное распределительное оборудование размещается в неопасной электрической комнате, но подраспределительные панели и центры управления двигателями, питающие насосы, компрессоры, вентиляторы охлаждения и instrumentation внутри опасных зон, требуют полной взрывозащиты. Я обнаружил, что шкафы, сочетающие огнеупорные камеры из Ex d с шинами и терминальные отсекы из Ex e, обеспечивают лучший баланс защиты, доступности и стоимости для этих применений. Огнеупорная камера содержит автоматические выключатели и контакторы, где происходит дуга при переключении, а секция повышенной безопасности обрабатывает кабельные соединения, где дуга не ожидается при нормальной эксплуатации.

Определение размеров распределительных шкафов для вспомогательных нагрузок электролизера

Вспомогательные системы вокруг стека электролизера — циркуляционные насосы электролита, сепараторы водорода и кислорода, сушилки для удаления окислов, насосы охлаждающей воды — создают распределенную нагрузку на моторы, которая варьируется от долей киловатта для малых дозирующих насосов до нескольких сотен киловатт для основных циркуляционных насосов. Каждый моторный цепь в опасной зоне требует либо стартера с Ex d и тепловой защитой, либо удаленного стартера, расположенного в безопасной зоне с терминальной коробкой Ex e у мотора.

Когда я работал над электрической спецификацией для проекта Fushilai Фармацевтика задачей было координировать распределительные ящики по мастерским, складам, резервуарам и системам управления насосами. Подход, который мы использовали — модульные распределительные шкафы с преднастроенными схемами — применим и к гидрогеновым установкам. Для установки электролизера мощностью 20 МВт типичная схема подраспределения может включать три взрывозащищенных распределительных шкафа на 400 А каждый, питающих комбинацию пускателей двигателей, цепей освещения и источников питания instrumentation. Размер шины для гармонических искажений выпрямителя требует добавления примерно 15% к рассчитанному полному току нагрузки для учета дополнительного нагрева.

Если ваша программа включает определение размеров распределительного оборудования для здания электролизера с гармониками выпрямителя, подтвердите коэффициент снижения гармоник у поставщика оборудования перед окончательным расчетом номинала панели. Свяжитесь по адресу gm*@***om.com.

Освещение, системы мониторинга и безопасности для зон с водородом

Технология LED упростила взрывозащищенное освещение для обслуживания водорода одним важным образом: светильники LED работают достаточно прохладно, что классификация по температурным классам T1 для водорода практически не ограничена. Электроника драйверов внутри взрывозащищенного светильника генерирует больше тепла, чем сами светодиоды, и драйвер размещен внутри взрывозащищенного корпуса, где любой внутренний зажигание удерживается. Это позволяет проектировщикам сосредоточиться на распределении света, эффективности и механической прочности, а не бороться с таблицами снижения температуры по классам.

Освещение для зеленой водородной установки обычно делится на три зоны: наружные технологические участки, охватывающие площадки электролизеров, компрессии водорода и хранения в трубных трейлерах; внутренние технологические здания, такие как зал электролизеров и установки очистки; а также неопасные вспомогательные зоны, включая контрольную комнату, мастерские и административные здания. Наружные зоны используют светильники для наружного освещения например, серию BAT86 с LED-модулями мощностью от 60 Вт до 300 Вт, защитой IP66 и диапазоном температуры окружающей среды от -60°C до +60°C. Широкий температурный диапазон не является маркетинговым лозунгом. Мы поставляли их на объекты в Сибири и на проекты по гидрогену в странах Ближнего Востока, где летняя температура превышает 50°C, и электроника драйверов в обоих случаях должна выживать без снижения характеристик.

Прожекторы LED, аварийное освещение и интеграция систем обнаружения газа

Аварийное освещение в зонах с водородом выполняет двойную функцию: оно должно быть взрывозащищенным оборудованием и обеспечивать достаточное освещение для безопасной эвакуации при отключении основного питания. Светильники аварийного выхода BAYD85, которые мы производим, включают аккумуляторную батарею с автономностью 120 минут, что превышает минимальные требования большинства стандартов в 90 минут. Каждый светильник автономен, то есть аккумулятор и зарядное устройство размещены внутри взрывозащищенного корпуса без внешних проводов к центральной батарее, которая может находиться в опасной зоне.

Обнаружение газа и видеонаблюдение добавляют уровни операционной безопасности, выходящие за рамки минимальных требований кодекса. Взрывозащищенные камеры, такие как серия BJK-S/G, поддерживают сжатие H.265 и могут передавать изображение в центральную контрольную комнату по оптоволокну, позволяя операторам визуально контролировать технологические зоны без необходимости входа персонала в зоны во время запуска или после остановки. Я настраивал их в проектах, где корпуса камер имели рейтинг IP68 для мест, подвергающихся регулярным испытаниям водяным дождем. При интеграции газовых детекторов сигнал должен проходить через внутренне безопасные барьеры или соединительные коробки Ex e перед входом в систему управления безопасной зоны.

Покупка взрывозащищенного оборудования: чек-лист квалификации поставщика

Разница между поставщиком, который понимает гидроген и который продает взрывозащищенное оборудование как товар, становится очевидной на этапе запроса котировок. Компетентный поставщик по гидрогену спросит о группе газа перед предоставлением цены. Товарный поставщик укажет стандартное оборудование IIB и добавит в сопроводительное письмо фразу «подходит для опасных зон». Я ознакомился с достаточным количеством проектных спецификаций, чтобы знать, что второй подход создает проблемы, которые проявляются во время заводских приемочных испытаний или, что еще хуже, при вводе в эксплуатацию.

Аудит завода не является необязательным для проектов по производству зеленого водорода. Я рекомендую посетить производителя или направить независимого инспектора для проверки четырех аспектов: наличие на испытательном стенде камеры для испытаний на взрыв газа, сертифицированной для водородных смесей группы IIC; возможность обработки на станках с ЧПУ с соблюдением допусков на пламегасительные зазоры, указанных в сертификате; работа линии обработки поверхности в контролируемых условиях, будь то порошковое покрытие или пассивация для нержавеющей стали; и наличие системы документации, позволяющей выдавать сертификаты прослеживаемости материалов для корпуса, крепежа и прокладок.

Помимо аудита, в запросе ценового предложения (RFQ) следует запросить пакет документов перед отгрузкой, который включает: действующий сертификат IECEx или ATEX с четко указанной газовой группой IIC и классом температуры (T-class); отчеты об испытаниях материалов корпуса и всего смачиваемого крепежа; отчет об испытаниях на защиту от проникновения пыли и влаги (IP66 минимум); процедуру заводских приемочных испытаний и критерии их прохождения; а также руководство по установке и техническому обслуживанию, специфичное для поставляемого типа продукции. Отсутствие любого из этих документов является тревожным сигналом, а не административной ошибкой.

Работа с водородом выявляет любые упущения в спецификациях оборудования и квалификации поставщиков. Тот же взрывозащищенный корпус, который десятилетиями обеспечивал безопасность установки алкилирования на нефтеперерабатывающем заводе, может не иметь действующего сертификата IIC, и этот пробел становится видимым только тогда, когда кто-то проверяет страницу приложения в сертификате. Если вы указываете или закупаете взрывозащищенное электрооборудование для завода по производству зеленого водорода — будь то для электролиза, компрессии, хранения или дозирования — отправьте список вашего оборудования, чертежи классификации зон и целевые стандарты сертификации по адресу gm*@***om.com или позвоните по телефону +86 21 39977076. Мы проанализируем требования к газовой группе для каждого типа оборудования и предоставим матрицу соответствия с рекомендациями по продуктам, соответствующим пути сертификации вашего проекта. Правильное определение газовой группы на этапе спецификации ничего не стоит. Исправление этого после установки обойдется проекту в график.

Часто задаваемые вопросы о взрывозащищенном оборудовании для водородных установок

Требуется ли сертификация IIC для каждого компонента водородной установки?

Не обязательно для каждого отдельного компонента в каждом месте. Оборудование, расположенное в зонах, где водород всегда разбавлен ниже нижнего предела воспламеняемости, или в невзрывоопасных электрических помещениях, отделенных газонепроницаемыми барьерами, вообще не требует взрывозащищенного исполнения. Однако любое электрооборудование, установленное в зонах 1 или 2, где водород может присутствовать при нормальных или нештатных условиях эксплуатации, должно иметь сертификацию IIC. Оборудование для зоны 2 может использовать неискрящее исполнение Ex n вместо взрывонепроницаемого Ex d, но маркировка газовой группы все равно должна указывать IIC. Зональные чертежи, подготовленные в ходе исследования классификации взрывоопасных зон, точно определяют, какие зоны требуют какого уровня защиты.

Можно ли использовать алюминиевые корпуса для работы с водородом?

Да, алюминиевые корпуса без меди с порошковым покрытием широко используются при работе с водородом и надежно функционируют. Порошковое покрытие образует барьер против атмосферной влаги, а спецификация сплава без меди — обычно содержание меди менее 0,4% — предотвращает гальваническую коррозию в местах ввода кабельных вводов, где латунные или никелированные латунные вводы контактируют с алюминиевым корпусом. Для прибрежных или морских водородных установок, где присутствует солевой туман вместе с водородом, корпуса из нержавеющей стали 316L обеспечивают измеримо более длительный срок службы и должны быть указаны для распределительных шкафов и соединительных коробок в открытых местах.

Сколько времени обычно занимает поставка взрывозащищенного оборудования для водородных установок?

Стандартные каталожные изделия, такие как светодиодные прожекторы, клеммные коробки, кабельные вводы и кнопки управления, обычно отгружаются в течение 4-8 недель с момента подтверждения заказа, если производитель имеет на складе сертифицированные по IIC изделия. Индивидуально сконфигурированные распределительные шкафы или панели управления с конкретными схемами, номиналами шин и приборами могут потребовать 12-16 недель в зависимости от сложности. Самым большим фактором, влияющим на срок поставки, является наличие у производителя действующей сертификации IIC для заказываемого типа продукции. Если им потребуется повторная сертификация конструкции для IIC, добавьте 3-6 месяцев. Вот почему этап квалификации поставщика важен до стадии размещения заказа, а не после.

В чем разница между Ex d и Ex e для водородных зон?

Взрывонепроницаемые корпуса Ex d предназначены для локализации внутреннего взрыва и предотвращения передачи пламени во внешнюю атмосферу через контролируемые пламегасительные зазоры. Корпуса повышенной безопасности Ex e предназначены для предотвращения возникновения дуг, искр и горячих точек внутри при нормальной эксплуатации за счет использования высоконадежных компонентов и соединений. Для работы с водородом оба метода работают при надлежащей сертификации для IIC, но они служат разным целям. Пускатели двигателей, контакторы и автоматические выключатели — устройства, создающие дуги при нормальном переключении — помещаются во взрывонепроницаемые корпуса Ex d. Клеммные коробки, соединительные коробки и камеры для подключения кабелей, где дуги не возникают при нормальных условиях, могут использовать конструкцию Ex e, которая легче и проще в обслуживании.

Принимает ли NEC сертифицированное по IECEx оборудование для водородных установок в России?

NEC напрямую не принимает сертификацию IECEx для установок в России. Оборудование, устанавливаемое в России, должно иметь маркировку UL, FM или других NRTL, ссылающуюся на применимые статьи NEC в соответствии с NFPA 70, статьи 500-506. Однако некоторые производители имеют двойную сертификацию — IECEx и UL — для одной и той же платформы продукта. Если вы строите завод по производству зеленого водорода в стране, которая принимает IECEx, и закупаете у поставщика, чья продукция также имеет маркировку UL для будущих российских проектов, запросите сертификат UL в дополнение к документу IECEx. Убедитесь, что оба документа действительны и охватывают газовую группу IIC. Сообщите нам о местоположении вашего проекта и требованиях к сертификации по адресу gm*@***om.com и мы подтвердим, какие стандарты несет каждый продукт.

Если вас интересует, ознакомьтесь с этими связанными статьями:

Explosion Proof Emergency Exit Light Fittings для промышленной безопасности
ПЕТРОЛЕЙНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕЗЕНТАЦИИ 2024

С более чем десятилетним опытом он — опытный инженер по взрывобезопасности электротехники, специализирующийся на проектировании и производстве безопасной и взрывобезопасной продукции. Он обладает глубокими знаниями в ключевых сферах, включая системы взрывозащиты, освещение для атомной энергетики, морскую безопасность, пожарную защиту и интеллектуальные системы управления. В Warom Technology Incorporated Company он занимает две руководящие должности: заместитель главного инженера по международному бизнесу и руководитель отдела международных НИОКР, где курирует исследования и разработки и обеспечивает точную передачу проектной документации для международных проектов. Стремясь к продвижению глобальной промышленной безопасности, он сосредоточен на преобразовании сложных технологий в практические решения, помогающие клиентам внедрять более безопасные, умные и надёжные системы управления по всему миру.

Qi Lingyi