本质安全化设计（精选九篇）
本质安全化设计 篇1
1设计原则与等级
本质安全化的化工过程设计原则包括替代、强化、限制、简化、缓和及影响。而强化又包括最小化与消除。同时各种原则可应用于不同的危险类型,能够实现不同的本质安全化效果。另外,就等级而言本质安全化设计包括距离防护、消除和减少危险。
首先,距离防护指为人或其它装置与危险源之间设置足够的安全距离或设备来进行防护,也就是限制影响,但设计初期无法实现,仅作为布局设计的考虑内容。其次,减少危害即危害无法消除时降低危险程度,根据不同表现形式分为减少危险时间发生概率和后果。前者是通过强化生产设备,消除不必要的安全防护措施,达到减少多米诺效应及人为失误,简化化工过程的目的;后者指缓和过程操作条件或减少物质储量等,即缓和、强化与替代。最后,消除危险指将危险物质消除或用另一种无害物质替代等,但要注意避免引进新的危害以保证最佳的本质安全化设计效果。
2本质安全化的化工过程设计策略
(1)可行性分析所谓可行性分析,即:通过对国家职业卫生和安全生产法律法规的贯彻执行,促进项目实现本质安全,尤其是项目选址的确立,要综合考虑地形地质、气象水源及周边环境等因素,以避免周边环境与项目间产生制约关系。
(2)工艺探索通过相关工艺处理原料转化为产品的过程即化工过程。而在化工过程中化学反应占据着核心位置,所以系统集成中其设计具有本质的重要性。从一定程度上来分析,对化工过程中本质安全性起到决定性作用的即反应系统。具体来说原料路线、反应条件及路线是化工工艺体现本质安全的关键,尤其是加深对化学反应本质过程的危险性探析,比如:爆炸范围、评估化学活性物质危险性、预测反应放热等。
首先,反应物选择。借助化学品理化特性数据库,将可燃、有毒或高毒的物质用不易燃、无毒或低毒的物质替代等,来限制或减少危害;其次,反应条件。通过新工艺路线应用规避产生危险的中间产物或危险原料,或用催化剂等有效化学剂来降低副反应危害,以改善条件苛刻度;最后,反应路线。通过各种试验优化过程工艺,促使反应介质浓度和温度压力降低,从而缓和反应条件。
(3)概念设计该阶段设计要侧重降低过程环境影响和实现经济最优。随着社会经济的快速发展,人类越来越重视安全问题。为此,化工生产过程既要达到上述目的,也要加强过程本质安全化设计的研究。首先,库存设置,运用物料衡算工具减少或限制中间储存设施及量,达到消减库存的目的;其次,流程安全性,利用流程模拟软件不断模拟优化流程,以实现流程的优化简化;最后,能量释放,通过对化工过程反应热转移与机理和动力学三者关系的分析,采取稀释、连续过程或将液相进料用气相进料取代等,尽量缓和剧烈反应减少热危害。
(4)基础设计该阶段以生产装置型式设计为主,一般是通过提高设备可靠性实现本质安全提升。而该阶段应充分考虑对新型设备和技术的应用,以实现对设备大小合理调整的目的,从而避免储存于设备内的能量物料大量向外释放腐蚀性,或减少危险物料量的外泄,同时要确保设备不会因腐蚀导致可靠性降低,必须合理考虑防范措施和设备材质的选择。
(5)工程设计该阶段要以上一阶段设计内容为基础,一方面增加对定型设备规格型号、材质及零部件等要素详细说明的清单,另一方面则设计装配制造非定型设备的加工图,包括设备平面和立面的布置图、装置安装施工流程图,以及带控制点的管线流程图等。
3结语
本质安全化的化工过程设计并非纯单向的,各阶段均能评价前一阶段工作状态,一旦发现失误或缺陷,就必须返回重新研究和修正上一阶段,即通过不断的重新设计,以充分保证设计方案的合理性、科学性。
参考文献
[1]王杭州,邱彤,陈丙珍,等.本质安全化的化工过程设计方法研究进展[J].化学反应工程与工艺,2014,(3):254-261.
[2]张帆,徐伟,石宁,等.化工过程本质安全化技术研究进展[J].安全、健康和环境,2015,15(1):1-4.
矿井生产本质安全化的论文 篇2
摘要：在煤矿矿井中，瓦斯灾害主要表现为瓦斯爆炸(瓦斯煤尘爆炸)和煤与瓦斯突出事故。瓦新事故的发生，不仅使国家的生命财产遭受重大损失，而且影响煤炭生产正常进行，如何控制和防止瓦斯爆炸事故是搞好当前煤矿安全一项重要任务。
关键词：瓦斯灾害;控制和防止;方法
1瓦斯爆炸的基本条件分析
瓦斯爆炸的发生必须具备3个基本条件，一是瓦斯浓度在爆炸界限内，一般为5%-16%;二是有足够能量的点火源;三是混合气体中的氧气浓度不低于12%。
2引起瓦斯爆炸的主要原因
2.1思想因素
思想决定行为，引起瓦斯爆炸事故的根源在于思想上认识不足。干部思想认识不到位，就会造成投入不到位，或者设施设备投入到位，而随意减少瓦斯检查和管理人员，或使瓦斯管理人员和检测人员的工资低下。职工思想认识不到位，就会出现漏检、虚报等。特别是在近两年煤炭行情利好的情况下，许多煤炭企业一味的扩大生产能力，增加煤炭产量，而不能够正确处理安全与生产，安全与效益的关系。“安全第一”的观念淡化，因此思想认识不到位是当前煤矿安全生产的最大隐患。
2.2技术装备因素
随着以高产高效为基本特征的集约化生产技术的采用。已有的瓦斯灾害防治技术及装备已经不能有效地控制矿井重大瓦斯灾害事故的发生。主要原因：
①瓦斯灾害防治技术分散。没有形成完整系统的体系;
②瓦斯灾害防治技术缺乏相应的装备支撑;
③还有很多需要解决的共性关键技术问题，特别是运用于集约化生产技术条件下的共性关键技术问题。
2.3培训考核因素
随着监控技术升级，对操作人员和管理人员的技术要求越来越高，煤矿的管理人员知识更新，新技术新标准的掌握就显得尤为重要。强制性的培训和学习是提高员工素质，减少操作失误，发挥高新技术设备性能的关键。
2.4资金投入因素
在前几年，由于煤矿的经济效益不好，许多煤矿企业降低了安全投入，存在不同程度的通风系统及配套设施不完善、“一通三防”监测系统不完善和设备设施老化等问题。近两年煤矿效益好转的情况下，许多企业只注重生产投入，安全投入仍然存在严重不足，安全生产条件没有得到明显改善。
2.5管理因素
随着煤矿开采深度的不断增加，瓦斯地质条件越来越复杂多变。再加上传统的安全管理方式受到人的经验、知识和责任心的限制，所以管理因素也是瓦斯事故多发的.原因之一。
3防止瓦斯爆炸基本措施
从瓦斯爆炸条件看，氧气的浓度是引起瓦斯爆炸的因素之一，但在煤矿井下一般不存在氧气浓度低于12%的情况。因此，搞好瓦斯爆炸的防治措施体现在两个方面：严格监控矿井各区域的瓦斯浓度、杜绝火源和演习预案。
3.1控制方法
(1)建立合理的通风系统通风是排放瓦斯最主要的手段。做好通风安全技术管理是防治煤矿主要事故的先决条件和关键环节。建立合理的通风系统，能够保证井下所有工作地点有足够多的风量将井下涌出的瓦斯及时冲淡并排放出井外，避免瓦斯积聚，所以建立合理的通风系统是防止瓦斯爆炸最有效、最基本的措施。
(2)搞好瓦斯抽放，降低煤层瓦斯涌出量，抽放瓦斯是防止瓦斯积聚的有效措施。随着煤矿开采深度不断加深，瓦斯涌出量变得越来越大，通过通风的方法来使瓦斯的浓度降低到煤矿安全规程要求范围内，从技术和经济角度两方面来看，都是不合理的。瓦斯抽放不仅能够有效利用瓦斯，还能够降低煤层的瓦斯涌出量。实行瓦斯抽放是控制采掘空间瓦斯浓度，减少瓦斯积聚。也防止煤与瓦斯突出的根本措施。
(3)加强瓦斯日常管理对于突出矿井，还应做好瓦斯突出预测工作。瓦斯日常管理是预防瓦斯爆炸事故的重要措施之一。瓦斯日常管理就是建立巡回检查瓦斯制度，就是要瓦检员不间断地下井检查通风情况和瓦斯的浓度，当发现局部积聚瓦斯问题时。要即时处理。
3.2监测方法
(1)人工检测检查，传统的使用光干涉瓦斯检查仪检查人员必不可减少，每班的瓦斯检查员不仅是沿一定线路定点定时检查瓦斯，而且可以沿途对监控设施的完好和使用情况进行检查，比对光瓦和传感器数值，最大限度的降低瓦斯浓度超限的几率。
(2)瓦斯监控系统能够实现连续监测瓦斯，及时掌握瓦斯浓度的变化，同时也可能为事故应急救援决策和事故调查提供参考依据。人对瓦斯的监测是一个间断性的过程，有其必然的缺点，而事故发生的特点是一个随机性与偶然性相结合的统一体，这就决定了单纯依靠人来管理瓦斯，显然不能够达到控制瓦斯浓度的目的。所以，建立瓦斯监控系统，对控制瓦斯的浓度具有非常重要的作用。
3.3杜绝火源是防止矿井瓦斯爆炸一个基本条件
要认真执行煤矿安全规程，在井下要杜绝一切非生产火源，严格管理和限制生产中可能发生的火源、热源。
3.4演练瓦斯爆炸预案对预防瓦斯爆炸事故具有非常重要的意义
煤矿企业应当在“防救结合，预防为主”方针指导下，认真制定瓦斯爆炸事故专项应急预案，并对其预案进行演习。制定瓦斯爆炸应急预案不仅有助于广大职工熟悉本企业的情况，而且能够指导瓦斯爆炸事故的预防工作和事故的应急救援。通过预案的演习不但能够使广大煤矿职工掌握各种应急技能，提高应急救援人员的应变能力，而且还能够在演习的过程中发现瓦斯爆炸防治措施的不足，从而完善瓦斯爆炸措施。尽量避免瓦斯爆炸事故发生的可能性。
本质安全化设计 篇3
【关键词】民爆；本质；安全；基础；对策；分析
引言
民爆行业，是我国国民经济建设的重要基础产业之一，因为其生产环节以及各方面节点存在特殊的性质，因此将其归纳为易燃易爆高危的行业。近年来，由于科学技术不断发展，我国的民爆行业技术发展步伐也紧跟其后，整体行业的发展水平在一定的程度上获得了提升。但是，随着近年来我国的行政管理体系在不断的演变、不断的更新以及经济发展的更新。民爆行业也就面临管理体制，监管重点，结构优化多种情况下的新内容。因此，在这个特殊的行业中，对于安全生产以及如何促进安全发展使我们应该重视的一个问题。
1、我国民爆行业安全生产现状
1.1安全生产整体情况
在经过了十多年的发展，民爆行业的生产结构在一定的范围中取得了一定的优化，，生产技术与生产水平也得到了提高，安全性的产品每年的增加速度也在加快，整体的经济水平运行稳定，安全生产趋势逐渐变好。特别是09年以来，由于民爆行业的生产总值在每年在不断的攀升的情况下，从未发生过一起重大的安全事故。但是，根据2014年的安全产生数据分析，在整个行业内已经发生5起安全事故，其中有2人抢救无效死亡，所以，安全形势总体上不容乐观。
1.2安全生产现状
1.2.1过快的技术改造。由于科学技术的不断深入，民爆行业机械化的产生过程也进行了设备的更新换代，这就使得落后的生产技术，在时代的变革中受到了淘汰。设备的革新造就了生产效率的提升，从而也在一定的基础上推动企业的整体结构的发展。因此，民爆行业通过引进先进的生产设备，能够加大企业的快速发展。1.2.2安全生产监管不断强化，安全管理制度得到健全。当前，由于不断的淘汰旧技术，不断的将新技术引进企业中，这就让我国的民爆行业的生产基础获得了加强。根据相关数据的表明，从2008年到13年的上半年，行业的生产线改造项目大约新建到了600条，其中有8%的工业炸药生产线都采用了技术改造措施，通过技术改造措施，在一定的基础上将连续换和自动化生产得以实施；另外，还有10%的工业雷管生产线采取的是装填线的改造方式，将自动控制得以实施，实现了人际隔离的生产目标。在2014年发布的《民爆行业技术进步指导意见》中，规定中明文确定要将间断式的制药工艺和不可靠的雷管装置工艺进整个改淘汰，此外，对于那些改性铵油炸药间断式制药工艺进行限制，使其引起爆炸的置信度低=0.90。这些措施的有效实施无疑是能够将整体的安全生产基础以及工艺技术推向一个新台阶。
2、精确掌握安全生产的问题突出点
近年来，虽然民爆行业整体水平在一定的基础上有了一定的提升，但是多年以来没有受到政府方面的重视，造成了企业安全生产在投资方面存在缺陷的情况发生，这就导致了在投资方面安全生产企业无法得到满足，各个方面的及技术应用也受到了一定影響。所以，和其他行业进行对比，相互之间还是有一定的差距纯在。经过相关的分析，我们民爆行业的主要瓶颈包含以下几点问题：
2.1安全生产基础有薄弱环节存在
首先，是一些基础研究都滞后于实际生产技术的应用，比如；炸药的配方、设备的可靠性以及安全性和工艺路线的流程方面，这些领域的滞后严重的阻碍了行业技术的创新与进步；其次是，行业在规范技术与成果转化为安全生产了的基础上，没有完善相关科学、合理实用的安全验证与标准，使一些研究成果只是初步接受鉴定，便直接投入生产使用，在很大基础上留下了安全隐患；第三点是，严重的缺乏安全的标准，很大的程度上不适应行业发展的需求，特别是那些生产工艺或是设备使用安全标准不能完善；第四点，当前的安全检测指标有缺陷，如：雷管的抗静电性能的检测指标，按照相关的规定它的检测范围是在2000pF的电容器的放电回路中，使用8～10kV的电压对其进行10次的放电实验，同时进行250次的试压不爆炸。但是根据电容指标的实际选择过程来看，对于安全生产环境的适应选择300pF更为贴切，这样对于安全生产更加具备指导意义。
2.2一些关键生产的部位有安全隐患存在
由于技术水平的落后，导致了在放药阶段的用量大，用工多的难点存在，这就在一定的基础上造成了放传爆与防爆殉爆之间的问题无法得到有效的解决；因为工业雷管器自动化水平低下，在本质上的安全生产条件与其他发达国家相比较为落后，我国工业雷管的生产线任然有接近9成的生产线，还是采用传统的模式生产，且生产线的防爆室，防护钢板安全方面存在安全问题。此外，在安全的关键部位，以危险性为中心的范围中，对其的活动区域没有采取针对性的监控措施以及报警措施，导致事故动态监控预警系统没有得到有效的控制。
2.3一些安全产生管理措施应用不全面
原则性与通用性的安全生产管理规定，是当前形势中民爆行业最为突出的问题，民爆产品市场竞争的机制还没有得到完善，而且区域封闭性在很大程度上给先进生产的方式增加难度，这就在一定的基础上阻碍了相关技术的发展。另外，企业中有一些安管管理条例只是对特定时间有效的，如：从民爆专用的设备管理这个角度来看，这项规定其所规定的不仅仅对性能指标有严格的要求，同时还对选用的厂家进行规定。这样在很大的程度上影响了民爆行业的竞争机制，阻碍了行业的整体发展。所以，这样的管理形式在很大的程度上个安全生产企业的发展带来了很大的影响。
2.4储存、运输环节危险性太大
最近几年，众多的民爆产品在储存、运输的阶段中出现安全事故，究其原因，众多的民爆企业仓库中储存了废旧的爆炸物导致的，同时有的企业疏忽与管理导致。从当前我国民爆物品的运输形式看来，其运输阶中安全监管环节还是比较薄弱，通常一些基础性的管理比较欠缺，特别对于那些撞击感度非常灵敏的基础雷管运输而言，依然没有针对性的管理规定对其进行规范，这就给民爆物品运输留下了安全隐患。
3、提高民爆行业本质安全水平举措
3.1加强行业安全生产基础工作
首先，不仅需要对行业安全产生进行分析，而且还需要充分了解行业安全生产的趋势，全力将安全生产中普遍性与重大问题进行解决；其次，把相关的事故数据进行统计，要把事故的发生规律以及特点进行充分的掌握，需要定时、定期的将事故统计报告进行研究，从而在事故发生之前将其掌控在控制范围内；第三，大力将安全预警平台建设完善，要把安全风险防范的能力进一步的提高；第四，加快安全标准制定的速度，要把国内缺乏安全技术管理的相关标准完善，要进一步的将抗静电与抗撞击相关的安全性能指标进行改进，让它能够和发展国家的技术接轨；第五，要倡导企业能够进行安全文化的建设，对企业的安全想行为需要进行规范，需要把存在的社会责任感和安全责任感提高，使其能够形成一个现在企业安全生产文化。
3.2加快行业安全技术的推进
首先，对于企业的科研和共性技术要重点关注，使其能够在一定的基础上获得提高，对于重大技术的研究引导以及发展，行业的主管单位需要做好引导作用，不仅如此，还要在一定的基础上对民爆材料的产生和安全性进行一定的研究，需要不断的将民爆产品的不殉爆、不传燃灯方面控制好，从而解决在生产过程中遇到的问题。其次，对于企业的自主创新能力需要进行培养。通过采用生产学研究的形式，将企业作为主体进行创新模式进行研究。有效应用科研所以及高校的研究力量，从而能够在一定的基础上将企业的安全技术以及实力提高。同时，对于企业与企业之间的联盟创新技术活动需要给予更多的鼓励，从而使企业能够在整体上将创新水平取得提升。第三，要打开行业技术束缚的层面。要积极的引导生产安全难题攻关的创建，将力量集中起来一起去对付而存在于安全生产阶段中的难点。需要齐心协力的将存在于安全产生的瓶颈突破，要全面实现孵化炸药产生阶段中，孵化器、螺旋泵等相关关键设备装置的超压、断料等安全连锁控制。第四，积极的推进安全技术改造。按照《民爆行业技术进步指导意见》的相关要求，企业不单单需要将安全技术升级的条件做好，同时还需要加快雷管的自动化以及生产线防护等多方面措施的技术改造，从而不断的将技术水平提高。第五，加快安全生产信息化步伐。经过不断的引进国外先进的技术，将我国的生产技术进行信息化合拼。同时，需要把民爆企业中的安全生产事故隐患、动态动态系统进行全面建设，使其能够全面的监控各个危险环节，从而能够实现安全管理信息化。
3.3增强民爆行业的安全监管工作
当前，针对我国安全生产阶段中存在的一些突出问题，在将平时工作落实完善的基础上，还需要对重点环节以及区域进行安全监管，要在一定基础上结合专项整治工作，要加强国内早期建设的雷管生产线，以及其他环节的安全监管，要将安全生产过程中存在的安全隐患进行消除，提高安全生产能力。另外，还需要进一步的将安全生产的准入条件进行完善。在使用新技术进行生产的前期，需要对其进行相关的实验检验，保证其能够符合生产水准。
3.4建立安全生产激励机制
结合当前安全生产的相关要求，以及行业发展过程中的实际需求，要对企业进行长远的考虑，对于企业的相关机制要及时的完善，从而能够为实现安全发展奠定稳定的基础，通过安全生产奖励机制的建立，能够有效的调节民爆安全生产管理的气氛。
4、结语
民爆安全生产骑是一个比较繁杂的系统性工作，在民爆企业的安全生产经营以管理阶段，需要将人物、事物、技术方面的工作做好。不仅如此还需要将相关制度进行建立，从而能使其发挥本身功效，从而能够保障民爆企业的正常发展。
参考文献
基于本质安全化设计的直流系统研究 篇4
直流系统常应用于各类变电站以及火力、水力发电厂等需要使用直流设备的地方,是电力二次系统的重要组成部分,是电力系统控制和保护的基础,同时也是确保事故能得到快速处理的保障。当交流电网出现故障造成变电站全站停电或发电厂全厂停电时,此时若备用的蓄电池组由于维护不到位而发生短路、断路或电池异常而不能正常放电时,不仅会使得检修人员无法快速处理交流电网的故障,甚至还可能引发更严重的事故。
如某省从1986年~2003年已发生过10余起“火烧连营”事件,都是由于蓄电池组出现问题而烧坏多面开关柜和主变;某供电公司范围内变电站2008年~2009年使用某厂家蓄电池共计41组,已有16座变电站蓄电池组出现问题,其中6座较为严重;某220k V站110k V母线发生三相故障后,10k V电压下降,直流充电机退出运行。110k V母线保护动作,但因蓄电池异常,导致直流电源不稳定,造成全站多个110k V断路器未跳开,故障由220k V出线对侧220k V线路后备保护动作切除,造成220k V变电站全站失压。
为了有效保证变电站、发电厂乃至整个电网的安全稳定运行,需要采取措施防止由于蓄电池组故障而带来的不利影响,目前常见的措施有以下几种:
1)采用两组蓄电池组;
2)采用带测试内阻功能的电池巡检仪;
3)采用大功率放电法检测蓄电池组容量。
采取措施一,需要额外增加一组蓄电池组,不仅投资维护成本提高了,而且该2组蓄电池组非并列运行, 故而不能真正解决问题;而措施二的测试内阻同蓄电池容量之间没有严格的数学关系,无法根据单个电池的内阻值去预测蓄电池的寿命和容量,只能通过对内阻测试数据不断累积和定量分析,才可以推断出电池容量变化趋势和寿命情况,所以措施二不仅方法复杂,而且实用性不强,在实际运用中容易出现大的误差;措施三只是一种定期检测的方法,不是在线检测,所以并不能实时了解蓄电池组的真实容量。因此,研究开发一种可靠性高、成本低的本质安全化直流系统很有必要。
1直流系统的构成及蓄电池组常见问题
直流系统由电池组、高频开关电源模块、监控单元、直流绝缘检测装置、蓄电池电压巡检装置、直流熔断器、刀开关和直流断路器、降压硅链、防雷器、测量表计等组成[1],如图1所示。经过多年的发展,直流系统设计逐步规范,技术也相对成熟。
蓄电池组是直流系统的核心组成部分,蓄电池工作状态的好坏,对于设备的运行至关重要,关系着直流系统甚至电网的安全稳定运行。然而由于蓄电池本身复杂的物理化学特性以及运行维护等因素,单个蓄电池会出现短路、断路、容量异常等故障,从而导致整组蓄电池不能放电的情形。直流系统蓄电池组的安全与否直接关系到变电站甚至电网的正常运行。
2本质安全化设计思想
“本质安全”概念的提出源于20世纪50年代世界宇航技术的发展,这一概念的广泛接受和人类科学技术的进步以及对安全文化的认识是密切相连的, 是人类在生产、生活实践的发展过程中,对事故由被动接受到积极事先预防,以实现从源头杜绝事故和人类自身安全保护需要,是安全认识上的一大进步。狭义的概念是指通过设计手段使生产过程和产品性能本身具有防止危险发生的功能,即使误操作也不会发生事故。
本质安全化方法主要有以下内容:
3本质安全化直流系统
本文的本质安全化设计主要是采用本质安全化方法1.1.1、1.1.2、1.1.4、1.2、1.4、2.1、2.3,将 “提高元件的可靠性”、“限制能量或分散风险” 等作为设计依据,从直流系统的设计上入手,改变蓄电池组拓扑结构,结合电力电子变换技术,提出本质安全化直流系统,即在不增加额外蓄电池数量的情况下,利用非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器的升压功能,将原有直流系统中的蓄电池组分成2~3组,在其中1组或2组蓄电池组出现故障的情况下仍能输出稳定的直流电,给直流负荷供电。
3.1系统结构
以蓄电池组分为2组为例,本质安全化设计后,直流系统如图2所示,通过DC/DC变换装置,将分组后的蓄电池组电压升高到负载所需电压,给负载供电[2]。当2组蓄电池均无故障,负荷平均分配在2组蓄电池组上;当其中1组蓄电池故障,负荷由另1组蓄电池组供电,如图3所示。
3.2供电时间
直流系统一般蓄电池组配置容量会比负荷多很多, 所以分组后当只有1组蓄电池正常时,也能保证事故情况下蓄电池组的供电时间。
以文献[3]中110k V变电站直流系统为例,全停电时间按2h考虑,当2组蓄电池均无故障时,在事故初期0~1min蓄电池组以0.3C放电,超过1min蓄电池组以0.2C放电,从放电曲线可以看出,直流系统保护时间超过2h。当2组蓄电池中1组故障,负荷集中到无故障蓄电池组,事故初期0~1min蓄电池组以0.6C放电,超过1min蓄电池组以0.4C放电,保护时间接近2h,如图4所示。
3.3可靠性分析
假设装设1组蓄电池组的直流系统可靠性R1为99.9% (以10h/a的维护时间来计),一些重要变电站,具有1组备用蓄电池,可靠性R2为:
从式(1)可以看出,可靠性从3个9提升到6个9。
本质安全化设计后,蓄电池分组后达到1+1冗余的效果,可靠性R3为:
从式(2)可以看出,本质安全化设计后,直流系统可靠性从3个9提升到6个9。
本质安全化直流系统,在不增加蓄电池数量的前提下,可靠性就能达到2组蓄电池组的直流系统。
上述分析中,由于本质安全化直流系统中所增加的DC/DC模块均采用1+1冗余配置或n+1冗余配置,故系统的可靠性分析暂未考虑DC/DC模块的可靠性。
3.4实现方式
3.4.1实现方式一
根据负荷特性,蓄电池组升压模块若需要很强的过载能力,可采用过载能力强的非隔离型DC/DC变换器, 如图5所示,其中非隔离型DC/DC变换器采用BOOST拓扑结构。
第1种本质安全化直流系统的特点如下:
1)结构简单;
2)各回路过载能力强;
3)升压模块n+1冗余或者内部拓扑采用并联双回路方式,可靠性高;
4)电池组不并联,避免电池组之间环流;
5 ) 蓄电池组与负载不隔离,无法解决接地、短路、环网等问题;
6)保证一组蓄电池组故障情况下,负载正常工作,所以单组升压模块按2倍容量设计, 利用率不高。
3.4.2实现方式二
在实现方式一的基础上, 将蓄电池组并联,并用二极管进行隔离,防止蓄电池组之间的环流,如图6所示。
与第1种本质安全化直流系统相比,第2种系统区别在于升压模块按额定功率设计,利用率高;蓄电池并联,需加二极管隔离。
3.4.3实现方式三
根据控制母线和合闸母线的电流特性,合闸回路升压模块可采用过载能力强的非隔离型DC/DC变换器,控制回路采用过载能力不强的隔离型DC/ DC变换器,如图7所示,其中非隔离型DC/DC变换器采用BOOST拓扑结构,隔离型DC/ DC变换器采用全桥拓扑结构, 图7中用RTM表示。
第3种本质安全化直流系统的特点如下:
1)控制母线无需考虑强过载能力,稳压模块利用率大大上升;
2 ) 升压模块n + 1冗余或者内部拓扑采用并联双回路方式;
3)电池组不并联,避免电池组之间的环流;
4 ) 控制回路模块采用隔离型DC/DC,可解决接地、短路、环网等问题;
5)控母、合母分开, 相互无影响;
6 ) 升压模块按额定容量2倍设计,模块利用率不高。
3.4.4实现方式四
在实现方式三的基础上,将蓄电池组并联,并用二极管进行隔离,防止蓄电池组之间的环流,如图8所示。
与第3种本质安全化直流系统相比,区别在于升压模块按额定功率设计, 利用率高;蓄电池并联, 需加二极管隔离。
3.4.5实现方式五
根据高供电可靠性要求,可采用升压、直流保护功能为一体的非隔离DC/DC变换模块,模块回路一一对应,各回路独立,任何回路之间都没有相互影响,如图9所示。各回路升压模块冗余配置或者内部拓扑采用并联双回路方式,可靠性高, 隔离型DC/DC变换器集成直流保护功能呢,可解决接地、短路、环网等问题,可靠性进一步提高。蓄电池组并联,需加二极管隔离,防止蓄电池组之间的环流。
3.5实现方式的比较
与原先直流系统相比,5种实现方式都使系统稍变复杂。但实现方式中的升压模块冗余配置或者内部拓扑采用并联双回路方式,所以可靠性能够得到保证。
从母线分段和升压模块的功率来考虑,本文推荐方式四和方式五。这两种方式虽然都需要在蓄电池组输出端增加隔离二极管,但升压模块按照额定功率设计,模块利用率很高,母线分段减小了负荷之间的影响,进一步提高了供电可靠性。
3.6过载、短路情况下DC/DC模块配置和断路器配合
在支路负载发生过载时,模块本身具有限流功能, 如果过载电流小于模块本身设定的限流保护值,则模块仍然可以正常工作,断路器不应动作;若过载电流大于限流值,过载电流会被限制在模块的最大输出电流,在软件程序中设定的保护时间到,模块会保护,断路器不应动作;断路器的额定电流应大于模块的限流值;在支路发生短路故障时,模块在检测到短路后,模块会立即保护,保证输入断路器不会越级跳闸。
4仿真验证
以电池组分成2组的本质安全化直流系统为例,模拟其中1组电池组开路,验证系统的工作情况。
2组110V的电池组分别通过隔离二极管并联后通过升压模块给负载供电,在3s时刻使得其中1组蓄电池开路,仿真结果如图10所示,图中曲线分别表示分组后蓄电池组的放电电流曲线。
由图10所示,在0~3s时间内两组电池的电流相等,分别为108.55A,在3s时刻,控制电池组2断路,电池组2的输出电流变为0,电池组1的电流变为2倍,负载仍然正常工作,避免了出现电池不能放电而导致系统不能正常工作的情况发生。
5结语
本质安全化直流系统利用非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器的升压功能,将原有直流系统中的蓄电池组分成2~3组,在其中1组或2组蓄电池组出现故障的情况下仍能输出稳定的直流电,给直流负荷供电, 达到蓄电池组冗余的效果,大大提高了直流系统的可靠性,有效避免了当变电站全站停电或发电厂全厂停电时蓄电池组由于故障而不能放电情形的发生,从而避免变电站全站停电或发电厂全厂停电后的事故扩大。同时该系统还能通过非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器预知蓄电池组的故障,从而及时进行蓄电池组的维护和更换。
参考文献
[1]Q/CSG1203003-2013变电站直流电源系统技术规范[S].
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浅谈龙首电站本质化安全管理 篇5
关键词：龙首电站,本质化安全,管理
2013年5月30日, 时间长河中一个平凡而又普通的日子, 对于龙首电站来说, 具有不同寻常的非凡意义。这一天, 龙首水电站长周期安全生产达到了4383d, 累计发电量达到了25.5628亿, 顺利实现了安全生产12周年, 创造了黑河流域和水电企业中安全生产的崭新业绩。
位于甘肃省张掖市西南约30km的黑河干流上的龙首电站, 是黑河流域规划的第八座水电站。该电站是一座压力钢管引水式电站, 坝高80m, 设计库容1320万m3, 装机容量59MW, 设计年发电量1.98亿k W·h, 工程总投资3.85亿元。该工程为甘肃省重点建设项目, 于1999年4月18日正式开工建设, 2001年5月30日首台机组投产发电, 同年7月11日机组全部投入运行。
作为龙首水电站安全生产的管理主体和责任主体, 甘肃电投河西水电开发有限责任公司各级安全生产人员始终坚持“安全第一、预防为主、综合治理、常抓不懈”的方针, 针对黑河流域季节性强的特点, 非汛期加强设备检修、维护管理, 汛期加强防汛和水库优化调度工作, 以人为根本、以制度为基础、以现场管理为重点做好安全管理工作, 尤其近几年针对一些老化、存在安全隐患的设备进行了更换和改造工作, 提高了设备运行的安全可靠性, 龙首电站本质化安全管理工作体现在以下4个方面。
1 强化安全责任
“安全为天, 责任如山”。在电力安全生产中, “责任”二字显得尤为重要。如何充分发挥各级安全管理人员的责任意识、有效落实安全生产执行力呢?态度和能力给出了最好的答案。
龙首电站各级安全生产管理人员从“以人为本”的高度出发, 始终“带着感情抓安全、带着责任管安全、带着行动促安全”, 视安全责任高于一切, 本着“为员工生命负责、为设备健康负责”的态度和“严、细、实、快”的工作要求, 构建安全责任坐标体系, 为电站安全生产“引航”。
1.1 明确安全生产目标, 做到责任在身、管理到位
从夯实电站安全基础入手, 今年河西公司提出了新的安全生产目标“九不发生保安全”, 即:不发生重伤及以上人身事故;不发生全厂停电或负责任性的电网瓦解事故;不发生人员责任设备事故;不发生防汛责任事件;不发生漫坝、溃坝事故;不发生水淹厂房事故;不发生火灾事故;不发生误操作事件;不发生负有同等责任的一般性交通事故, 确保全年安全无事故。
1.2 健全安全生产组织体系, 做到责任明晰、细化到位
根据电站安全生产管理实际的需要, 公司通过结构体系调整, 及时成立了生产技术安监部, 现场各部门重新对部门职责、人员职责进行了梳理和划分, 按照人员及工作实际, 明确部门和岗位职责, 与各班值长、班组成员层层签订安全目标责任书, 细化分解责任, 确保每个岗位责任明确、层次清晰、纵横到边、不留死角, 做到“凡事有人负责、凡事有人监督”。
1.3 强化安全生产执行能力, 做到责任落实、执行到位
强化各级安全生产人员的责任感, 积极主动地进行安全生产各个层面的管理, 将管理责任渗透到安全生产的每一环节。要求各级生产管理人员要深入现场, 认真开展设备安全管理, 使安全生产各个环节可控在控。针对季节和节日期间的安全生产特点和形势, 对易发或多发安全事件的关键部位和薄弱环节, 制定和落实安全防范措施, 认真进行危险点预控分析及隐患排查治理和演练工作, 切实将安全责任落实到岗到人。
1.4 发挥安全奖惩杠杆作用, 做到责任考核、追究到位
严肃事故查处和责任追究, 认真执行事故查处制度, 落实责任, 提高效率, 促使安全生产责任履行到位。所有事故查处结果都要向全体员工公告, 接受职工群众监督。为有效杜绝安全管理的形式主义, 将各级安全管理人员的职责同岗位绩效紧密挂钩, 增强员工的压力和紧迫感, 促使员工自觉为安全生产稳定献策出力;加强考核制度的执行力度, 根据安全责任落实情况给予相应的奖励与考核, 对安全生产出现的问题及时提出考核意见, 同时对及时发现和解决安全生产隐患的部门和员工进行表扬, 给予相应奖励。
2 创新安全管理
一直以来, 在安全管理中始终落实“宁听骂声、不听哭声;小事情、大处理”的安全理念, 坚决向各种不安全现象说“不”。适时提出了“三不伤害”、“四严机制”、“木桶定律”、“热炉定律”等安全文化理念、定律和管理新思路, 创新管理方式, 加强安全管理力度, 不断夯实电站安全生产基础。把班组建设作为安全管理的关键环节, 从班组和岗位安全生产标准化这个基点抓起, 推动专业和企业对标管理, 把企业安全生产纳入制度化、规范化轨道, 夯实筑牢企业安全生产根基。
积极开展“六查六提高活动”, 提升安全管理执行力, 尤其是“查管理”, 要求各级安全生产人员树立“管理隐患是最大的隐患、管理缺陷是最大的缺陷”这一观念, 聚焦安全管理隐患, 对症下药, 有的放矢, 以“管理消缺”弥补安全管理中的“短板”。针对管理意识缺位及管理中存在的经验主义和习惯做法, 进一步细化安全生产流程, 标准化管理与过程控制, 形成闭环管理, 有效避免安全管理出现盲点与误区。通过“六查六提高”活动的深入推进, 从管理上排查了影响安全生产的不安全因素, 解决了陈旧落后的惯性管理和不良的工作作风, 不断提升安全生产执行力, 有效促进安全生产管理水平。
深化“反习惯性违章”行动, 规范现场管理行为。组织员工认真分析现场每一件不安全事件, 组织观看学习反习惯性违章警示教育片, 通过分析身边发生的事, 结合工作实际, 以切身体会阐述对习惯性违章的认识和习惯性行为的危害, 从不同的工作角度和设想, 提出了提高安全意识、杜绝“习惯性违章”、营造安全氛围的工作建议和措施。结合安全管理形势, 从思想意识、设备管理、员工行为、环境治理等方面查找存在的“习惯性违章”现象, 制定相应措施, 进行落实整改。建立“反习惯性违章”长效工作机制, 现场监督做到有章必循、违章必纠, 切实保障生命、财产安全。
深入扎实进行隐患排查治理、技术改造、设备检修维护和安全专项整治工作, 强化生产现场文明生产和安全管理, 提高本质化安全水平, 落实项目、资金、整改、监督检查“四到位”。
作好诊断化检修和运行趋势分析工作, 强化运行管理。从设备、人员、管理3个方面采取对策措施, 科学合理安排检修工作, 进一步减小人员少与设备多的矛盾;对设备运行数据进行全面分析, 准确判断设备状态, 合理地确定设备检修范围, 优化机组运行方式。针对“两票三制”管理, 现场各部门加强监督管理, 现场管理部门定期和不定期对两票执行情况进行检查, 严格管理, 同时, 加强对定期工作、巡视检查质量的考核力度, 严防死守, 保证不发生误操作等恶性事故。
3 整治设备安全
持续推进安全管理活动, 深化设备隐患排查治理。结合龙首电站安全生产实际, 针对汛期、高温、集中检修期等特殊时段, 从工作面、设备、系统以及各阶段重点排查治理内容入手, 通过有效开展春季安全大检查、防汛检查等安全专项活动, 对电站安全生产各个层面的隐患和缺陷进行了层递式排查。检查中, 本着充分暴露问题、发现隐患、查找缺陷的原则, 仔细排查安全生产中存在的危险点与薄弱环节, 对排查出的隐患进行全面分析与归类整理, 建立隐患治理台账, 形成安全生产隐患排查治理的动态管理。对于较小的设备隐患, 按照“边检查、边整改”的要求, 及时进行整治处理;对必须停机处理的设备缺陷, 在保证机组安全运转的前提下, 制定出相应的应急预案, 密切关注设备状态, 留待机组停机或小修时处理;对重大设备缺陷, 组织相关人员召开专题会议, 讨论制定治理方案, 按照计划进行全面治理。并不断深化设备隐患排查治理工作, 建立设备隐患排查治理长效机制, 形成持续的、动态的设备治理局面, 切实提升机组的安全运行能力。
加强机组检修与技术改造, 提升机组安全运行能力。逐步优化机组检修工作管理流程, 制定检修全过程质量管理和验收流程;制定、规范标准作业指导, 并按照实际需要, 不断进行完善。同时加强检修过程中的现场安全监督和技术监督, 严把“安全、质量、进度”三道关口, 确保机组检修高效优质推进, 切实提升设备的安全水平。并利用冬春季检修期大力开展设备升级、改造, 先后开展了监控、保护、调速、直流等系统的升级、改造工作, 提升了设备稳定性和安全水平。
4 建设安全文化
龙首水电站在安全管理过程中, 始终坚持制度与文化的同步构建, 充分发挥安全制度规范约束的刚性作用和安全文化教育引导的柔性管理, 刚柔并济, 固本塑行, 为电站安全生产保驾护航。
推进以“做安全人”为核心的安全文化建设工作, 不断提高“以做安全人为核心, 事故是可以避免和预防的, 遵章守纪、制度至上”的安全文化体系, 倡导“预控式管理、实现本质安全”的安全管理模式, 建立“四严”机制, 强化安全监督。通过生产技术水平的提高, 促进安全水平的提高;贯彻“四严”安全管理理念, 以严明的纪律、严格的考核为手段, 做到敢抓、敢管, 各项制度、措施落到实处, 起到实效。
制度建设方面, 近几年, 依据甘肃省电力投资集团公司安全生产规章制度, 借鉴同行业先进企业的良好实践和结合龙首电站实际情况, 在原有的安全生产规章制度的基础上, 对各项安全生产规章制度进行统计、补充、修订和完善, 尽可能做到制度规定的管理界面清晰, 职责明确, 流程优化, 便于操作。建立技术监督管理制度, 完善标准化技术监督工作。完善龙首电站各项应急预案, 定期开展应急预案演练。对各项应急预案分门别类进行整理归纳, 并按照电站生产实际和运行情况进行了修订完善, 建立有效的安全应急机制, 同时严格落实预案管理制度, 使每个预案做到定期演练、定期修订, 保证预案的实效行和可操作性。
文化建设方面, 以丰富多彩的安全文化活动为载体, 先后组织进行了安全生产征文与座谈, 定期组织安全生产知识培训和安规考试, 举办安全生产知识竞赛, 巡回检查、操作票、电工等比武活动, 组织全体员工观看安全生产教育片, 通过润物无声的文化渗透与持之以恒的安全教育, 提升全员的安全意识, 实现全员由“要我安全”到“我要安全”的实质转变。
本质安全化设计 篇6
施工现场是一个露天环境, 受到不同气候影响, 涉及多承包商、多工种立体交叉作业的场所, 又是临时设施多、作业面变化多、人员集中的生产场所。由于“产品”固定, 作业环境多变, 人机流动性大, 专业化施工多, 使得施工现场的各种危险、有害因素互相交织。对于一个建设项目的施工现场, 存在危险、有害因素是难以避免的, 要彻底消除是很难办到的。但只要我们采取主动预防措施, 加大安全投入, 加大落实力度, 降低和控制事故的发生是可以做到的。尤其是对施工现场的高风险、特种作业, 必须有足够的魄力和勇气去严格管理, 做到“事前预防、事中控制、事后妥善处理”。施工现场安全管理必须从大处着眼, 从提高安全本质化水平入手, 宏观掌控、微观治理, 只有这样才能跟上总公司建设国际一流能源公司的步伐。
1 主要内容
1.1 加强现场安全管理的重要意义
(1) 施工现场是企业安全系统管理的基础, 公司安全管理主要是规划、指导、检查、决策;施工现场安全管理主要是组织实施, 保证生产处于最佳安全状态。
(2) 施工现场安全动态变化大, 工种多, 尤其是高处作业, 高处低处相互交叉, 施工机械时开时停, 人与施工机械接触频繁, 人机交界面较多等。因此, 对施工现场的人、机环境系统的可靠性必须进行经常性的检查、分析、判断和及时处理, 防患于未然, 就必须强化施工现场安全动态管理。
(3) 伤亡事故的发生既可以由单一原因诱发, 也可以由多种原因诱发。事故的发生往往没有事前预兆, 可以从各方面, 各个角度向身体各个部位致害。因此, 必须加强施工现场安全管理。
(4) 在市场经济新的形势下, 由于经济利益的驱动, 个别企业法人对安全管理认识不足, 安全组织机构、安全规章制度、安全措施等没有及时得到贯彻落实;项目承包中, 个别承包商重效益、轻安全, 违章指挥, 高处作业脚手架搭设不符合要求;安全防护用品质量不合格;施工用电线路管理混乱, 机械设备带病操作等不符合规范要求, 使工人在不安全的危险的环境中作业, 现场文明施工差, 尤其是高层物料摆放混乱, 防护不严, 增加了下落物造成的物体打击伤害。
因此, 发生事故的原因为人的不安全行为、物的不安全状态、管理上和环境方面的缺陷, 所以抓住发生事故的根本原因, 从本质上消除隐患, 必须加强施工现场安全管理, 才能有效地控制事故发生。
1.2 本质化安全管理的概念
“本质化安全管理”是现代安全管理的一项全新的理念, 它要求管理者和生产操作者能通过一定的措施, 从源头上有效控制各项事故的发生。运用先进的科学理论, 对施工各系统、各环节的安全性、有效性、危险性做出定性、定量分析, 再进行综合评价, 有针对性地采取科学技术措施, 消除多种隐患, 逐步达到即使在工人不注意的情况下, 或者操作发生失误的状态下, 仍然能够正常作业, 而不受其害的目的。要求各级管理者要转变观念, 提高认识, 将安全工作重点逐渐转向事前预防, 从根本上消除事故发生。
1.3 建设工程安全事故的规律
要保证建设工程安全管理, 首先应该认识建设工程事故的规律。建设工程事故规律主要具有偶然性、因果性和潜伏性。
偶然性:是指事故发生是随机的, 具有偶然性, 事故的后果也具有偶然性, 但偶然之中也存在必然的规律。这种偶然性实质上是各种不安全因素综合作用导致的必然结果。
因果性:事故的因果性是指事故发生必然存在导致其发生的原因, 即存在危险因素。施工中的不安全因素主要来自人的不安全行为、物的不安全状态, 以及环境不良。造成人的不安全行为、物的不安全状态, 以及环境不良的原因可以归结成四个方面:即技术的原因;教育的原因;身体、态度和精神的原因;管理的原因。
潜伏性:危险因素在导致事故发生之前是处于潜伏状态的, 人们不能确定事故是否会发生, 这种潜伏正如多米诺骨牌理论所论证的那样, 一旦一个环节出现问题潜伏的危险因素立即会演变成事故。
1.4 加强现场安全本质化管理的措施
要实现施工现场的本质安全化管理必须从以下几方面着手。
(1) 从源头控制本质安全化。在安全生产管理中, 如果我们在事前控制, 那么1元钱的事前预防=5元钱的事后投资, 这是安全经济学的基本定量规律, 也是指导安全经济活动的重要基础。同时也告诉我们:预防性的“投入产出比”大大高于事故整改的“产出比”。“金字塔法则”也告诉我们:设计时考虑1分的安全性, 相当于加工和制造时的10分安全性效果, 而能达到运行或投产时的1000分安全性效果。
从源头控制, 就是要实现3个转变, 即事故控制由事后的被动经验管理向事前主动预防管理转变;现场安全标准化由静态达标向动态达标转变;由传统的被动、辅助、滞后的安全管理模式向现代的主动、本质、超前的管理模式转变。
从源头控制本质安全化, 主要有技术和管理两方面措施。技术措施有对初步设计、施工图设计、承包商施工组织设计、施工方案中的安全措施进行论证、审查, 强调安全措施的针对性、严密性和可操作性, 重要分部分项工程需组织有关专家进行研究论证等。管理措施包括加强对施工单位的资格预审;提高评标过程中的安全分数比例;加强对承包商分包的管理审查;加强对施工人员的安全教育和培训;安全检查和整改, 并辅以必要的奖惩措施等。
由此可见, 从源头控制, 实现设备设施的本质化安全对预防事故的发生, 控制人的不安全行为和物的不安全状态, 牢牢掌握安全主动权有极其深远和重大的意义和作用。
(2) 通过安全技术和设施的使用, 提升本质安全化。新的安全技术和设施的使用是工程建设提升本质安全化的重要手段从某种意义上讲, 有什么样的装备手段就有什么样的安全状况, 这是成千上万次血的教训的经验总结, 也是我们在长期安全生产活动中形成的共识。要适时调整施工现场布局, 推行先进的集约化施工方式, 施工系统和施工区域实行时间和空间的管控和合理调度, 尽量减少重大立体交叉作业依靠科技进步, 大力使用先进的、安全的施工装备和机具, 减少手动和人力工具的使用, 增加安全系数。
安全人机工程学正是运用人机工程学的理论和方法研究“人—机—环境”系统的一门学科, 使三者在安全的基础上达到最佳配置, 以确保设备设施的高效、经济运行。
(3) 通过人与措施的和谐统一实现本质安全化。为加强安全管理, 企业会根据项目建设安全管理的需要, 制定有关安全管理的体系文件, 用各项规定和制度来约束人的不安全行为。措施的制定要考虑可操作性和人性化, 但必须在保证安全的前提下进行。例如, 在建设项目中, 搭设大型脚手架作业应用广泛, 由于作业人员活动频繁拧一个扣件的时间很短, 作业人员为了方便往往不愿系安全带或忘记系安全带, 由此引发的安全事故经常出现。针对这种情况, 有的施工单位采取了悬挂生命线的做法, 施工人员安全带挂钩可以随着生命线上下、左右移动, 施工人员不用再为频繁系、解安全带而苦恼, 从施工技术和措施上实现了本质安全化。
要实现人与措施的和谐统一, 还要激发所有管理人员和施工人员的安全主观能动性。施工队伍的管理水平、施工人员的安全素质, 在安全行为上的自我约束能力, 是实现施工安全的必要条件。因此, 在施工单位一进入施工现场, 必须抓住施工队伍的安全保障体系建立, 人员配备、安全教育等环节, 确保“责任到位、制度到位、教育到位”。做为施工管理人员应督促施工单位保证足够的安全教育时间, 想办法提高施工人员安全意识和能力, 刺激其安全参与积极性, 实现“要我安全”为“我要安全”的转变。只有这样才能培养和造就“本质安全性”施工队伍和施工人员, 实现人与措施的和谐统一。
2 结语
从小处看, 安全管理和每个人、每个家庭的平安和谐息息相关;从大处看, 安全管理关乎整个社会的安定和企业的声誉。只有通过微观治理来实现安全措施的不断完善, 通过宏观掌控不断推进和提升施工现场的本质安全化管理, 用科学的管理方法先进的管理理念, 把安全管理主动权牢牢抓在手中, 把施工现场建成本质安全型的环境, 才能避免和减少各种事故的发生, 才能适应坚持以人为本, 全面、协调、可持续发展观的科学发展观的要求。
摘要：施工现场是一个作业环境多变, 人机流动性大, 专业化施工多, 交叉作业多, 各种危险、有害因素互相交织的场所。实行本质化安全管理是减少施工现场危险、有害因素的重要措施, 也是提升施工现场本质化安全的重要手段。
关键词：施工现场,本质化,安全管理
参考文献
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本质安全Boost开关电源的设计 篇7
应用在煤矿、石化等易燃、易爆环境中的直流电源必须具有本质安全的特性,即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定爆炸混合物[1]。目前广泛应用的本质安全电源多数属于线性电源,其缺点是体积大、效率低,且受本质安全要求的限制,导致输出电容不能太大,从而限制了输出功率的提高。由于开关电源具有转换效率高,动态响应速度快,输入电压范围广,体积小,重量轻等优点,逐渐被本质安全电源采用,有关开关电源本质安全设计与验证的理论和方法也在不断完善和发展[2,3]。随着电力电子的飞速发展,煤矿井下大量的测量设备开始智能化,其内部包含大量的芯片,这些芯片需要的供电电压等级不同,Boost开关电源可以为其提供可靠的电压,满足危险环境下的设计要求。
2 工作原理
本质安全Boost开关电源主要由Boost变换器、UC3845控制芯片、第1级稳压限流和第2级限流环节组成。UC3845产生PWM脉冲控制开关管的通断,同时具有稳压作用,双重保护电路连接在Boost变换器的输出端,第1级稳压限流电路和第2级限流电路并联。
Boost变换器的组成原理电路如图1所示。当Boost变换器的开关S闭合时,电源给电感充电,电感储存能量,同时电容放电给负载提供能量;当Boost变换器的开关S断开时,电源、电感和电容同时向负载提供能量。S断开时,电路的分析比较复杂,分为连续导电模式(CCM)和不连续导电模式(DCM),由于工作在CCM模式下的电路功率较大,本文仅分析CCM模式下的情况。
UC3845是美国Unitrode公司生产的电流控制型集成芯片,其外围电路连接简单,所用元器件
较少,性能优越,成本低廉,适于驱动MOS场效应管,最大占空比50%,启动电压阈值为8.5 V,关闭电压阈值为7.9 V。其内部结构如图2所示。
由UC3845控制的Boost开关电源的主电路如图3所示。
电路的工作过程:输入直流电压Vi经过滤波电容C1给稳压管DZ1和电感L供电,DZ1为U1提供稳定的工作电压,使U1输出PWM脉冲控制开关管Q1的通断,R2和C4为芯片提供工作频率为
R3和C5为U1提供补偿,R4抑制开关管的震荡,R5为开关管提供放电回路,R8和R9为输出取样电阻,当输出电压过大时,反馈给U1使其控制开关管的关断,C7为输出滤波电容。
双重保护电路如图4所示。其中集成芯片U2、开关管Q2与电阻R10,R11,R12构成第1级稳压限流保护电路,集成芯片U3、开关管Q3、运算放大器U3与电阻R20,R18,R19等构成第2级限流保护电路,两级电路相互独立,组成电源输出的双重保护[4]。
电路的工作过程:R10为确定限流值的大小,其串联在输入电压Vo1与开关管Q2漏极之间,当R10两端电压达到35 mV时,U2芯片内部限流比较器就会减小误差放大器的输出电压,一直减小到R10上的电压低于35 mV为止,从而构成恒定的限流器。电阻R11,R12为确定输出电压值,R11上的电压反馈到U2与内部的基准电压1.235 V比较,控制内部误差放大器输出使电源输出电压保持恒定。R20为电流检测电阻,R18,R19为设定过流保护后短路电流值,R20的电压降由运算放大器决定,一般不大于100 mV,由于开关管Q3的漏源极存在导通电阻,发生输出短路或输出过流时,则通过开关管Q3的电压降增大,漏源极电压加到电阻R20的电压上,使运算放大器LM301的输入增大,通过三极管Q4调节R14上的电压,反馈到U3调节开关管Q3的导通,构成电源的限流保护,并且电路在故障排除后能迅速自动恢复供电。
3 电感与电容的选择
应用在危险性环境的开关电源,如果对体积、重量等没有特殊要求,不需要内部满足本质安全要求,只需其输出满足本质安全要求即可,因此,本文将开关变换器设计成输出本质安全型。理论上它的电感和电容值可以取值比较大。
3.1 最小电感的设计
在整个动态工作范围内,使得开关变换器的最大输出电压纹波和最大电感电流极小的最小电感分别是L
取两者比较后的最大者作为输出本质安全开关变换器的最小电感设计限值Lmin,即有
Lmin=max{L
在得到最小电感值后,还需要根据开关变换器的其他性能要求确定电感的具体值,通常电感值越大,电感电流及开关管的电流应力就越小,为了获得较好的动态调节性能,将变换器设计为CCM模式,在允许的条件下,电感可以选择大一些。
3.2 最小电容的设计
根据输出电压纹波指标要求,可得最小输出滤波电容为[6]
式中:m为输出电压纹波VPP的指标,一般用百分比表示,m=Vpp/Vo。
但在实际电路中,由于电路中的元器件存在寄生参数使得最小电容设计必须考虑一定的裕度系数λ才能达到纹波要求,即最小电容的实际设计限值为
式中:λ的取值为2～4。
从式(6)中可知,输出滤波电容的最小值是关于电感的函数,随着电感的增大而减小。
3.3 满足输出本质安全要求的最大电容的设计
满足输出本质安全要求作为电容设计值的上限可得输出滤波电容的最大值为[7]
式中:TC为火花放电时间;Δt为变换器的输出短路保护电路响应时间;VH为电容电路的短路火花放电电压平均值。
因此在[Cmin,C
4 设计及仿真实验验证
设计1台预期在Ⅰ类环境下应用的输出本质安全Boost开关电源,其主要参数为:输出电压Vo=18 V,输入电压Vi的范围10～14 V,负载电阻RL的范围18～180 Ω,输出电压纹波允许峰-峰值Vpp=2%Vo,变换器的工作频率f=200 kHz。
根据上面的分析后计算可得:最小电感Lmin=30 μH;最小电容Cmin=2/(0.019 2L),单位为μF;最大电容Cmax=23 μF。
稳压管选IN5238电压8.7 V,最大电流IDZmax为50 mA,UC3842的启动电流为15 mA,则
R1取为51 Ω。
取C4=1 nF则
R2取为9.1 kΩ。
开关管的作用是在开通时使电感存储能量,关断时使电感存储的能量叠加输入电源向输出电容及负载释放能量。二极管的作用是在开关管开通时,二极管承受负压关断,防止输出滤波电容通过开关管短路,在开关管关断时,二极管正向导通,使电感存储的能量叠加输入电源向输出电容及负载释放能量。当开关管关断时,开关管上面的压降为输出电压加上二极管压降,约为19 V,由于在Boost电路的启动瞬间,开关管上面的电压和电流均会产生过冲,考虑一定的安全裕量,选用型号为IRF640的MOSFET。二极管选用FR504。
R12取10 kΩ,则
式中:Imax为电路中电流最大值。
式中:Ishort为输出短路电流值。
R18取100 Ω,
开关管Q2,Q3选用IRLZ44,三极管Q4选用8550。
用saber软件对Boost开关电源电路进行仿真研究,得出电感电流如图6所示,输出纹波电压如图7所示。
由仿真图6可得,电路中电感工作在电流连续的模式下;由仿真图7可得电路最大输出纹波电压为250 mV小于设计要求360 mV,满足输出本质安全的要求。
对所设计的电路进行了实验验证,图8为实验波形。
5 结论
本文从本质安全Boost开关电源的实际情况考虑,应用在危险情况下必须采用双重保护电路,着重分析了开关电源中的主电路、限流限压电路和输出本质安全电路的主要器件电感和电容的设计,最后进行仿真和试验验证了设计的正确性,对以后开关型本质安全电源的设计具有重要意义。
参考文献
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矿用本质安全型远程中继电源设计 篇8
关键词：矿用传感器,中继电源,本安电源,供电距离
0 引言
目前,国内大部分煤矿安全监控系统生产厂家均采取从监控分站处取电为传感器供电的方式,其供电电压一般为18,21,24V,本安电源的供电距离一般在2km左右[1]。随着煤矿机械化水平的快速提高和综采综掘工艺的大量应用,煤矿井下已经大量出现了长距离采掘工作面,其距离远远超出了2km,这样的长距离将造成瓦斯传感器、一氧化碳传感器等无法正常运行,从而影响企业的安全生产[2]。为进一步促进煤矿安全监控技术的发展与应用,国家安全生产监督管理总局下达了新修订的《煤矿安全监控系统通用技术要求》。修订稿中对提高传感器本安供电距离给出了明确的意见:为满足长距离掘进巷道等监控需求,向传感器及执行器远程本安供电距离由2 km修改为2 km,3 km或6km[3]。为了提高本安电源对瓦斯传感器、一氧化碳传感器等的供电距离,参考文献[2]从提高本安电源输出电压、降低传感器工作电压和减少线缆耗损等方面进行了讨论,结合现场实际情况,提出了远距离供电的一些建议。参考文献[4]指出降低传感器功耗是实现本安电源远距离供电中最经济适用的方法,并验证了该方法的可行性。参考文献[5]提出了减少本安电源暂态冲击电流的方法,从而提高了本安电源的供电距离。
在上述研究的基础上,本文设计了一种具有升压功能的本质安全型中继电源,将其布置在现有本安供电电源与传感器之间,可有效延长本安电源的供电距离。
1 本安电源远距离供电分析
本安电源向矿用传感器远程供电的等效电路模型如图1所示,其中矿用供电电缆一般采用多芯截面积为1.5mm2的电缆,其分布电容为60nF/km,分布电感为0.8mH/km,分布电阻为12.8Ω/km。
根据欧姆定律可知本安电源、电缆、负载之间的电压关系:
式中:U0为本安电源输出电压;I为供电电缆流过的电流;R为供电线路电阻;Uz为传感器输入电压。
矿用监控系统中传感器的工作电压范围为9~24V,一旦传感器的输入电压低于9V,传感器将不能正常工作。瓦斯传感器在不同供电电压下的功耗情况见表1。
在现有的供电方式下,按照式(1)可以计算出24 V本安电源对瓦斯传感器的供电距离为4.4km。由于传感器为空性负载,启动时存在瞬间电流值,实际测试时24V本安电源的供电距离为3.5km。而目前24V本安电源的输出电流大多可以达到470mA,相对于传感器消耗的133.4mA电流,本安电源输出有很大的剩余能量。因此,在本安电源远距离供电中,传感器不能正常工作主要是由于供电电缆上产生的电压降过大,而不是本安电源输出能量不够造成的。
2 本质安全型中继电源远程供电方案
中继电源远程供电等效电路模型如图2所示。在本安电源与传感器之间增加并联一级输出为24V的本质安全型中继电源,以补偿单级24V本安电源在供电电缆上产生的压差,从而延长本安电源的供电距离。
根据能量守恒原理及欧姆定律可得
式中:P0为本安电源输出功率;I1为流过第1段供电电缆的电流;R1为第1段供电线路电阻;Pi为中继电源静态和转换消耗功率;I0为流过第2段供电电缆的电流;R0为第2段供电线路电阻;Pz为传感器功耗;U1为中继电源输出电压;IA为本安电源输出电流。
假设供电电缆采用截面积为1.5mm2的电缆,本安电源输出能量按照最大本安参数能量的70%计算,传感器功耗数据参考表1,中继电源的转换效率估计为60%,中继电源的最低工作电压设计为15V,则根据式(2)、式(3)可以估算出第1级供电电缆上的电阻值为61.64Ω,即距离为2.4km,消耗在第1级供电电缆上的电流为146mA。从算出的数据可知,本质安全型中继电源远程供电方案是可行的。
3 本质安全型中继电源硬件设计
供电电缆上的压降主要是由电缆中的电阻和电流引起的,而改动电缆上的电阻阻值的成本相对较高。因此,为有效降低压差,需要控制电缆上的电流值。本质安全型中继电源的工作原理如图3所示,该电源主要包括软启动电路、储能电路、升压电路和限能电路4个部分。
软启动电路主要用于降低中继电源启动时的瞬间电流,储能电路主要用于维持中继电源正常启动后的稳定性,具体电路如图4所示。上电后本安电源先对电容C1充电,电容充电完成后开启MOS管Q2,这样分时启动电路可以避免启动时电容的瞬时大电流导致电路无法正常工作的情况。
升压电路可将9~24V电压转换为24V直流电压,具体电路如图5所示。该电路主控制芯片选用静态功耗相对较小、电路转换效率高达92%的LM5022,可使本安电源的输出能量尽量传输至负载。由于电源电路为升压电路,为保证后级限能电路的安全性和可靠性,需增加一级不可恢复的过压保护电路。过压保护电路由ZD2,R16,R17,C3,F1和MCR1组成。当升压电路输出电压超过26V时,将触发MCR1导通,保险丝F1熔断,从而达到保护后级电路安全性的目的。
由于电路中有超过安全火花要求的输出能量,需在电路中增加限能电路。限能电路采用传统的两级过流和两级过压电路。浇封主要是对电路中超过安全火花要求的电容进行浇封安全处理。
4 测试结果
本质安全型中继电源近端的开机波形如图6所示,从图6可以看出,中继电源具有500ms的开机延时输出时间,其冲击电流最大值为298mA,小于传统24V本安电源输出的470mA。
5 个输入电压下的测试结果见表2。从表2可知,在9~24V输入电压波动范围内,整机电源的效率都在54.1%以上。
输入电压范围为9~24V时的低浓瓦斯传感器的供电距离测试结果见表3。从表3可知,24V本安电源带低浓瓦斯传感器时的实际最大供电距离为3.5km。
用中继电源为3.5km处的低浓瓦斯传感器供电,由本安电源为中继电源供电。将本安电源与中继电源的供电距离逐步增加,测试中继电源工作状态下的最大供电距离,测试结果见表4。从表4可知,在24V本安电源与低浓瓦斯传感器之间增加一个中继电源后,可使24V本安电源对瓦斯传感器的供电距离提高2km,达到5.5km。
5 结语
针对井下超长工作面传感器的远距离传输需求,提出了一种本质安全型中继电源设计方案。测试结果表明,该中继电源具有启动电流小、输出稳定、性价比高等优点,可以使24V本安电源的供电距离有效延长2km。
参考文献
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[4]汤朝明.矿用传感器超远距离传输技术研究[J].矿业安全与环保,2012,39(3):44-46.
本质安全化设计 篇9
本质安全电源(以下称本安电源)是煤矿井下应用十分普遍的防爆电气设备之一,它能够为其它的本质安全设备提供电源,保证这些设备正常工作,是实现煤矿自动化的基础性防爆电气设备[1]。本文主要介绍本安电源的基本要求和设计方法,希望对本安电源的设计者和使用者有一定的帮助。
1 本安电源概念
本安电源的主要功能是将非本质安全输入通过一定的措施转换成本质安全输出,是关联电气设备的一种。关联电气设备在《GB3836.1—2010爆炸性环境第1部分:设备通用要求》中的定义:内装能量限制电路和非能量限制电路,且在结构上使非能量限制电路不能对能量限制电路产生不利影响的电气设备[2]。由此可见,本安电源的关键核心是能量限制电路。能量限制电路即是能够实现本质安全输出的电路。本质安全是从限制电路中的能量入手,通过可靠的控制电路参数将潜在的火花能量降低到可点燃规定的气体混合物能量以下,导线及元件表面发热温度限制在规定的气体混合物的点燃温度之下。本质安全电路在《GB3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》中的定义:本质安全电路是指在正常工作和规定的故障条件下,产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路[3]。
2 本安电源技术性能
由于本安电源工作在煤矿井下爆炸性危险环境中,与普通电源相比,它有许多特殊要求,其中最主要的就是将故障条件下释放出的能量限制在很小的范围内,即限制电路发生故障时的放电电压、电流和时间。在具体的电路实现上有限压电路、限流电路、过流保护电路、过压保护电路。
2.1 电气隔离
本安电源内部实现的是非本质安全向本质安全过渡的过程,为防止非本质安全的输入传递到本质安全的输出,输入与输出之间必须采取电气隔离,而且必须具备相应的耐压等级。
结合目前实际的电路实现模式(隔离变压器+开关电源)和相关标准的要求,本安电源电气隔离一般采用隔离电源模块或隔离变压器来实现电气隔离。
《GB3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》中的6.3.12条规定:本质安全电路和非本质安全电路之间的绝缘应能承受2U+1 000 V交流有效值试验电压,但应不小于1 500 V。其中U指本质安全电路和非本质安全电路的电压有效值之和。在煤矿井下用电源行业标准《MT/T1078—2008矿用本质安全直流输出电源》中亦有同样的要求[4]。同时,如果采用变压器进行电气隔离时,应满足《GB3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全“i”保护的设备》中的8.1条的要求。
安标国家矿用产品安全标志中心于2010年7月组织召开了防爆电气产品技术研讨会,形成了49号文件“2010年度防爆电气产品技术研讨会纪要”,文件中规定:隔爆兼本质安全产品中利用电源模块作为隔离部件时,其耐压值不低于2 500 V。同时,向本质安全电路供电的变压器原边电压等级在660 V及以上时,该变压器应满足《GB3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》中的规定。
2.2 限能保护电路
对于输出功率小、稳压要求不高的本安电源,可以采用限流电阻或增加电源内阻、齐纳二极管的限能保护电路;对于输出功率大、稳压要求高的本安电源,则要采用具有稳压、过压保护、过流保护的电子元器件组成限能保护电路。随着科学技术的发展,电子元器件的制造工艺和集成水平也越来越高,许多芯片只需要极少的外围电路就可实现高效能的限能效果。限能保护电路分为过流保护电路和过压保护电路2个部分,过流保护电路又分为限流型保护电路、截流型保护电路、减流型保护电路和开关型保护电路。
2.2.1 限流型保护电路
限流型保护电路工作原理:当负载电流达到限流值,保护电路进入恒流状态,使负载电流在限流值以下。该保护电路的优点:相对容易实现并且可实现全载启动;最大缺点:在过电流保护状态下,调整管将承受限流值电流与输入电压所产生的损耗,即P=UI。很明显,为确保调整管在过流保护时不被损坏,调整管需要很大的散热器,从而降低了可靠性。
2.2.2 截流型保护电路
当本安电源输出出现过流故障时,截流型保护电路迅速动作。该保护电路的优点:动作速度快、效果好、调整管的损耗小;缺点:抗干扰和抗负载冲击的能力差,过流故障解除后,不能自动恢复,需增加另外的恢复电路或手动恢复。
2.2.3 减流型保护电路
当本安电源输出出现短路或过载故障时,减流型保护电路迅速动作,输出电流随输出电压的减小而减小到一个固定值,从而使调整管的损耗即使在过流保护时也不至于过大,避免了限流型保护电路的缺点[5]。该保护电路的保护性能、动作速度和带载能力介于限流型保护电路和截流型保护电路之间,但容易产生“锁定”效应,即输出电压被锁定在低于正常稳压值的低电压上而无法正常启动,不能达到预期效果。
2.2.4 开关型保护电路
开关型保护电路既具有限流型保护电路的自动复位特性,又具有截流型保护电路在过流保护后调整管的低功率损耗特性[6]。
负载电流过大时,开关型保护电路进入保护状态,一定时间后(该时间可通过芯片外部所接的电阻或电容来调整)重新恢复限流保护状态;如果此时负载电流恢复正常,则输出正常,如果过电流现象依然存在,保护电路再一次进入截止状态,周而复始。这样既能满足本质安全性能要求,又能满足抗浪涌冲击的要求。
2.2.5 过压保护电路
为了达到本质安全的目的,对所有的本安电源都要求有过压保护的功能,一旦电压超过规定的数值,将可能存在引燃爆炸性混合物的危险[7,8]。因此,出现过压故障时,本安电源应能迅速切断输出,使调整管处于截止状态。
2.3 多重化保护电路
根据不同的应用场所的危险等级,本质安全电气设备分为“ia”、“ib”、“ic”三种保护等级。“ia”保护等级的设备需要三重化保护电路;“ib”保护等级的设备需要双重化保护电路;两者采用的多重化保护电路可采用相同的保护电路,也可采用不同的保护电路。目前,煤矿一般不允许使用“ic”保护等级的设备。
“ib”保护等级的保护电路需要考虑一个计数故障,因此,应假设双重化保护电路中的任何一个保护电路损坏,其输出的能量均不能使爆炸性危险环境中的可燃性气体爆炸。
3 本安电源技术指标
本安电源除具有普通电源的技术指标外,还有一些需要满足本质安全的技术指标。
3.1 输入参数
最大输入电压Ui:可施加到电气设备连接装置上而不会使防爆型式失效的最大电压(交流峰值或直流)。
最大输入电流Ii:可施加到电气设备连接装置上而不会使防爆型式失效的最大电流(交流峰值或直流)。
3.2 内部参数
最大内部电容Ci:呈现在电气设备连接装置上的电气设备最大等效内部电容。
最大内部电感Li:呈现在电气设备连接装置上的电气设备最大等效内部电感。
3.3 输出参数
最大输出电压Uo:施加电压到最高电压时,可能出现在设备连接装置上的最大输出电压(交流峰值或直流)。
最大输出电流Io:可从电气设备连接装置上获得的电气设备的最大电流(交流峰值或直流)。
最大外部电容Co:可连接到电气设备连接装置上而不会使防爆型式失效的最大电容。
最大外部电感Lo:可连接到电气设备连接装置上而不会使防爆型式失效的最大电感。
最大输出功率Po:可从电气设备连接装置上获得的最大功率。
4 本安电源的分析与设计
4.1 本质安全电路放电形式的分析
针对本安电源的特性,最关心的是它的输出参数。由于本质安全性能的限制,通常本安电源的输出功率较小,一般为几瓦到几十瓦,输出电压一般在25 V以下。本安电源在电路切换时有3种基本的放电形式:火花放电、电弧放电和辉光放电。火花放电是在接通和断开带电容的本质安全电路时,由于击穿放电间隙而产生的;在切换小电流且低电压的本质安全电路时,由于液态金属桥的断开形成电弧放电;在电压很高而电流较小时,可形成辉光放电。
由于火花放电和电弧放电引燃爆炸性混合气体的能量远小于辉光放电,因此,主要考虑前2种放电形式[9]。试验表明,各种爆炸性危险气体都有其最小的点燃能量(如氢气为19μJ,乙烯为60μJ,丙烯为200μJ,甲烷为280μJ),在正常工作和故障状态下,当仪表可能产生的电火花或热效应的能量小于该能量时,本质安全电路不可能点燃相应的爆炸性危险气体。
4.2 本质安全电路设计要点
在本安电源输出短路的过程中,存在的放电形式在电源两极接触的瞬间将产生火花,可能引燃爆炸性气体,该过程主要受Uo和Li的影响,同时直接关系到本安电源带Co的能力;在电源两极一直接触的时间里,对于开关型保护电路,本安电源输出端的Co和Lo在间歇性的充电;在电源两极释放的瞬间,最容易产生电弧放电,该过程主要受Io和Li的影响,同时直接关系到本安电源带Lo的能力;电源两极完全释放开后,在正常的工作过程中,则Co和Lo都将充满电。
因此,在设计本安电源时,需考虑4个本质安全输出参数(Uo、Io、Lo、Co)之间的关系:Uo与Io(Po)成反比,当需要增大Uo时,则Io(Po)减小。Uo与Io及Po的关系如表1所示。从表1可看出,Uo为20 V时的电流约是Uo为24 V时的2倍。因此,设计本安电源时,为了达到最大输出功率,可以尽量选择较低的Uo而不是较高的Uo。
5 结语
分析了本安电源的电气隔离方法和限能电路的保护方式,介绍了本安电源的主要放电形式和设计要点,指出在设计本安电源时,需考虑最大输出电压、最大输出电流、最大外部电容、最大外部电感4个本质安全输出参数之间的关系,为了达到最大输出功率,可以尽量选择较低的最大输出电压。另外,根据本安电源的输出功率与输出电压和输出电流的关系,可以更合理地设计本安电源的输出电压和输出电流。
参考文献
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