引言

如今動力電池的市場越來越大,對于制作電芯核心工藝的涂布機的效率要求也隨之越來越高,而涂布機提速的最大瓶頸還是在烘箱干燥,理論上烘箱的長度已經(jīng)決定涂布機所能生產(chǎn)的最高速度,而由于廠房空間和能耗的限制,烘箱的長度不能無限加長,烘箱加熱源(導熱油、蒸汽、電加熱)等熱交換效率低,加上陰極烘箱屬于防爆環(huán)境等多種因素影響,這個問題一直沒有得到很好的解決。

經(jīng)過多方面的研究及驗證,紅外加熱穿透性強,干燥效率高,用來輔助干燥將能很好地解決這個問題。但烘箱區(qū)域有爆炸性氣體產(chǎn)生,為了能在防爆環(huán)境中安全使用紅外加熱,根據(jù)相關標準設計了一套防爆高效紅外加熱裝置,能將紅外加熱安全地應用于正極的涂布干燥,并能有效避免極片干燥過程中產(chǎn)生的NMP氣體發(fā)生爆炸。該裝置通過了南德TUV的防爆評估認證,且使涂布機的工作效率有較大提高,涂膜速度最高達120m/min。裝置內最復雜的是電氣相關的設計,下面就此進行詳細分析。

1防爆分區(qū)及電氣硬件設計要求

    裝置整體結構圖如圖1所示。

1.1危險區(qū)域的劃分

參照國標《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第14部分:危險場所分類》(GB3836.14—2000),根據(jù)爆炸性氣體連續(xù)出現(xiàn)的頻率和持續(xù)的時間把危險場所分為以下區(qū)域:

0區(qū):爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長時間存在的場所。

1一烘箱主體:2一防爆板:3一真空系:4一冷風過濾器:

5一新風過濾器:6一排風風機:7一三代PTCsV-西伏CP-220V-400A:

8一循環(huán)風過濾器:9一雙向隔爆閥:10一循環(huán)風機:

11一負壓腔自動門簾氣缸:12一主傳動棍組件:13一紅外燈管。

圖1裝置整體結構圖

1區(qū):在正常運行時,可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場所。

2區(qū):在正常運行時,不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境,如果出現(xiàn)也是偶爾發(fā)生并且僅短時間存在的場所。

根據(jù)以上防爆標準,結合我司實際情況,防爆紅外烘箱內部和抽風管道定義為1區(qū),裝置外部環(huán)境1m范圍內定義為2區(qū)。

1.21區(qū)、2區(qū)用電氣設備的選型要求

參照國標《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第15部分:危險場所電氣安裝(煤礦除外)》(GB3836.15—2000)[1],危險場所用電氣設備應滿足:

(1)如電氣設備符合用于0區(qū)要求或下列防爆型式的一種或多種要求,該電氣設備可用于1區(qū):隔爆外殼、正壓型、沖沙型、油浸型、增安型。

(2)0區(qū)或1區(qū)用電氣設備或符合IEC60079-15的"n"型電氣設備可以用在2區(qū)。

1.3布線要求

參照國標《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第15部分:危險場所電氣安裝(煤礦除外)》(GB3836.15—2000)[1]9.3項相關規(guī)定,爆炸性環(huán)境電纜配線技術要求(電纜需使用阻燃電纜)如下:

爆炸1區(qū):(1)電力:銅芯2.5mm2及以上:(2)照明:銅芯2.5mm2及以上:(3)控制:銅芯1.0mm2及以上。

爆炸2區(qū):(1)電力:銅芯1.5mm2及以上,鋁芯16mm2及以上:(2)照明:銅芯1.5mm2及以上:(3)控制:銅芯1.0mm2及以上。

2防爆紅外烘箱設備(元器件)選型

參照危險區(qū)域的劃分標準與電氣設備的選型及布線要求,我司防爆紅外烘箱區(qū)域設備(元器件)情況如下:風機電機、主傳動電機、熱電偶、風速儀、數(shù)顯壓差表、濃度傳感器、接線箱均為隔爆型,極片紅外檢測探頭、主傳動檢測開關為本安型。

3烘箱區(qū)域布線及設備安裝示意圖

參照國標《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第15部分:危險場所電氣安裝(煤礦除外)》(GB3836.15—2000)要求進行烘箱區(qū)域布線及設備安裝,如圖2所示,整體說明如下:烘箱區(qū)域內電纜都是通過線槽、電纜管、波紋管(極少數(shù)設備于電纜管交接處使用)進行敷設。線槽、金屬電纜管、波紋管只是對電纜起保護作用,防爆隔離是經(jīng)過進入設備的防爆密封接頭來完成的,強電電纜都是整根進入設備內部,烘箱區(qū)域沒有電纜接頭。部分信號電纜會進入防爆接線盒內,通過接線端子進行信號分配,防爆接線盒電纜進線、出線都是根據(jù)電纜線徑選擇合適的防爆密封接頭進行密封。

4防爆紅外烘箱的電氣功能及聯(lián)鎖設計

4.1防爆分區(qū)計算

根據(jù)EN1539:2015中關于A類干燥箱的相關要求[2],先進行爆炸分區(qū)計算。已知以下參數(shù):(1)烘箱內部最高溫度:150℃:(2)NMP爆炸下限濃度:43.813g/m3:(3)極片中NMP輸入含量:6720g/h。

根據(jù)以上客戶提供的相關工藝指標,結合防爆烘箱裝置各項機械設計指標及相關參數(shù)綜合計算,結果如下:根據(jù)坐標查詢,最終計算結果為RANGEI。

4.2防爆安全監(jiān)控措施

根據(jù)4.1計算結果,為保證設備失控狀態(tài)下不發(fā)生爆炸,相關安全監(jiān)控聯(lián)鎖措施設計如下。

4.2.1烘箱溫度雙通道監(jiān)控

控制邏輯:采用兩組溫度探頭對烘箱的實際溫度進行監(jiān)控,在各自對應的溫度控制器內設置最高、最低溫度范圍,當任意一組溫度探頭或兩組同時監(jiān)測到烘箱溫度異常,溫度控制器立即輸出信號到安全PLC,安全PLC輸出一路信號切斷紅外加熱,停止烘箱加熱:另外輸出一路信號給排風變頻器,使排風變頻器按最大設定頻率運行,加大通風量:第三路輸出給烘箱傳動,使烘箱傳動緊急停止,切斷可燃物質的輸入。

4.2.2烘箱NMP濃度單通道監(jiān)控

控制邏輯:NMP傳感器實時對烘箱NMP濃度進行監(jiān)控,當檢測到NMP濃度超過設定值時,傳感器立即輸出信號到安全PLC,安全PLC輸出一路信號切斷紅外加熱:另外輸出一路信號給排風變頻器,使排風變頻器按最大設定頻率運行,加大通風量:第三路輸出給烘箱傳動,使烘箱傳動緊急停止,切斷可燃物質的輸入。

4.2.3烘箱通風量雙通道監(jiān)控

控制邏輯:采用兩組風量探頭對烘箱的實時風量進行監(jiān)控,在各自對應的風量控制器內設置最低風量值,當任意一組風量探頭或兩組同時監(jiān)測到烘箱風量低,風量控制器立即輸出信號給安全PLC,安全PLC輸出一路信號切斷紅外加熱,停止烘箱加熱:另外輸出一路信號給排風變頻器,使排風變頻器按最大設定頻率運行,加大通風量:第三路輸出給烘箱傳動,使烘箱傳動緊急停止,切斷可燃物質的輸入。

4.3常規(guī)功能聯(lián)鎖

4.3.1循環(huán)風機控制聯(lián)鎖

(1)循環(huán)風機軸轉速監(jiān)控信號異常,紅外加熱停止。(2)風機變頻器異常,加熱停止,加熱接觸器切斷。(3)熱膨脹保護開關動作,高溫保護,接觸器切斷。(4)出風口熱電偶溫度監(jiān)控,高溫報警,加熱電源切斷。(5)排風機出口處風速監(jiān)控,風速過低,紅外加熱停止。

4.3.2消防系統(tǒng)聯(lián)鎖

(1)隔爆閥信號觸發(fā),消防系統(tǒng)自動啟動。(2)防爆板信號觸發(fā),消防系統(tǒng)自動啟動。(3)手動控制啟動。當發(fā)生意外時,手動開啟消防箱的滅火裝置。

4.3.3紅外燈管控制聯(lián)鎖

(1)烘箱門打開,紅外加熱停止,接觸器斷開,待關閉后可重新手動啟動。(2)燈管表面溫度監(jiān)控,超溫報警(低溫<100℃,高溫>580℃),加熱停止,加熱接觸器斷開。(3)極片表面溫度對比(紅外極片溫度檢測),超高報警,并關閉紅外燈管,接觸器斷開。(4)與烘箱風機啟停聯(lián)動,烘箱風機啟動后允許紅外燈管開啟,紅外燈管未關閉則風機無法停止。(5)每節(jié)烘箱紅外燈管供電設立獨立斷路器、接觸器、功率調節(jié)器。(6)紅外管增加冷卻風量監(jiān)測,冷卻風流量低,紅外加熱停止,接觸器斷開。(7)每節(jié)烘箱燈管回路增加獨立數(shù)顯電流感應器,達到設定值時輸出PLC報警停機,紅外加熱空開脫扣。

4.3.4停機控制

(1)排風量監(jiān)測:兩路風量監(jiān)測,風量低于設定值停NMP輸入(停止涂布),停止加熱,控制提高排風量。(2)NMP濃度監(jiān)控:兩路濃度監(jiān)測,濃度達到報警值停NMP輸入(停止涂布),停止加熱,控制提高排風量。(3)溫度監(jiān)控:烘箱內一處監(jiān)測,極片上兩處監(jiān)測,溫度達到限值(計算時用的150℃)停NMP輸入(停銀轉),停止加熱,控制提高排風量。(4)負壓監(jiān)控:箱體負壓,達到限值停NMP輸入(停止涂布),停止加熱,控制提高排風量。(5)紅外燈管冷卻風風量監(jiān)控:設定限值,監(jiān)控保證正壓,以防危險氣體進入。低于限值停NMP輸入(停止涂布),停止加熱,控制提高排風量,提高冷卻風風量。(6)紅外燈管溫度監(jiān)控:達到限值停NMP輸入(停銀轉),停止加熱,控制提高排風量,提高冷卻風風量。(7)開啟/關閉:以上全部停機都不能自動重啟。(8)啟動前需要先開啟排風和冷卻風一段時間后才能運行,停機后排風和冷卻風需要在一段時間后才能停止,時間根據(jù)換氣量規(guī)定。

4.3.5安全門聯(lián)鎖

(1)烘箱門打開,紅外加熱立即斷電。(2)烘箱內溫度小于等于60℃,允許開門。

5結語

以上就是防爆紅外烘箱裝置的電氣設計重點,第一臺帶該裝置的高速涂布機在C公司已經(jīng)成功試產(chǎn),并通過了南德TUV的防爆認證。烘箱在長度不變的情況下,加熱速度提高20%以上,并且極片質量有一定提升。