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R290安全性评估报告CN

报告30/01/2009

DRA-09-96666-01473A

关于使用丙烷的制冷机组用压缩机的安全性研究，用于其根据指令ATEX94/9/CE的认证

关于使用丙烷的制冷机组用压缩机的安全性研究，用于其根据指令ATEX94/9/CE的认证

TREVOUX工地（01）

客户：

参加本研究的丹佛斯商用压缩机公司人员：

J.CHAINEAUX,S.LEMAIRE

前言

本报告根据提供给INERIS（法国国家工业环境与风险研究所）的信息、可用（科学或技术）数据以及目标和相关规定编写。

如果交流的信息不完整或有错误，INERIS不承担责任。

INERIS在其委托的服务框架内所持有的观点、建议等可能有助于决策。

在撰写命令落在INERIS身上的情况下，INERIS不干涉决策本身。

因此，INERIS的责任不能替代决策者的职责。

收件人将完全使用本报告中所包括的结果，或者如果不是完全使用，将以客观的方式使用报告中的结果。

这些成果的使用将以摘要或综合说明的形式进行，责任由收件人独立和完全承担。

对其中可能所作的任何修改也一样。

除了服务目的外，INERIS对每次使用本报告不承担任何责任。

编写

校对

批准

姓名

J.CHAINEAUX

S.LEMAIRE

M.DEMISSY

质量

高级技术顾问，事故风险部

工程师，认证部

物质和工艺安全组组长，事故风险部

签证

目录

1.引言5

2.丹佛斯压缩机简述5

3.研究目的5

4.研究过程5

4.1本研究中所考查的压缩机5

4.2压缩机的运行工况6

4.3ATEX风险分析6

4.3.1因压缩机运行引起的ATEX形成6

4.3.1.1外壳内形成的ATEX6

4.3.1.2外壳外面形成的ATEX6

4.3.1.2.1端子腔处出现的泄漏7

4.3.1.2.2外壳自身存在的泄漏7

4.3.2所形成的ATEX点火7

4.3.2.1电火花7

4.3.2.2高的表面温度7

4.3.2.3静电火花7

4.3.3认证所考虑的ATEX区域7

4.3.4建议的保护模式8

4.3.4.1设计的初步备注8

4.3.4.2需遵守的规范性要求9

5.结论9

1.引言

丹佛斯商用压缩机公司制造各种制冷用压缩机。

在潜在的制冷剂当中，丙烷已经历了一个显著的发展。

但是，丙烷是一种易燃气体，可导致易爆气体环境的形成（ATEX）。

因此，丹佛斯建造和销售的压缩机必须满足ATEX规定的要求并更精确地满足96-1010指令，它由欧洲指令94/9/CE转换成法国的法律。

丹佛斯已经要求INERIS承担一个可行性研究，作为认证的一个初步步骤。

本研究相继给出了以下成果：

●INERIS在2008年3月20日提供的DRA.COM-08-06666-04045A报价书

●丹佛斯于2008年4月8日签发的n°ASIBCF52321号订单

●2008年7月8日在丹佛斯工地举行的一个会议，会上进行了风险分析。

2.丹佛斯压缩机简述

为了装备其制冷机组，丹佛斯建造两种类型的压缩机：

●活塞式压缩机

●涡旋式压缩机

对这两种类型，丹佛斯已经选择将压缩机及其电机放入一个焊接的压力密封外壳内。

电机由一个三相460VAC电源供电。

电流通过三个电极通过外壳壁传递到电机上；通过外壳壁的3个电极的机械组件必须同时保证：

●足够的电气绝缘；

●在外壳内压下足够的机械抗力。

此外，外壳配有一个温度传感器用第4个电极通道以便连续监视压缩机的运行温度。

在外壳的外侧，4个电极进入到一个容积为几十立方厘米的方形端子腔，并用盖子盖住。

3.研究目的

目前，丹佛斯建造的制冷机组中使用的制冷工质仍为非易燃液化气体。

从现在开始，丹佛斯希望能够建造并销售使用丙烷作为工质的制冷机组。

这意味着要按照欧洲ATEX指令94/9/CE和该指令转换成的法国法律进行压缩机认证。

在申请认证之前，有必要进行与易爆气体环境相关的详尽的风险分析，其目的是多重的：

●确定压缩机所处的易爆气体环境源头；

●规定压缩机拟使用的ATEX区域的不同类型；

●为所考虑的每一类型的ATEX区域提出合适的保护模式，进而认证压缩机。

丹佛斯已经要求INERIS进行该项研究，其结果将使我们能够界定出ATEX认证程序中审查所需的各种要素。

4.研究过程

4.1本研究中检查的压缩机

丹佛斯希望获得以下类型压缩机的认证：

●所有7种HS型压缩机（使用R410a的涡旋式压缩机）；它们是全部将用于“商用”场合（SH090、SH120、SH161、SH180、SH240、SH300、SH380），但其电力由不同方式提供。

●所有5种MPZ型压缩机（MPZ038、MPZ048、MPZ054、MPZ061、MPZ06）。

有必要说明，这些不同类型的压缩机具有以下的特点：

●不同压缩比；

●在构造上相同的端子腔（即，4个电极，包括3个用于三相电机供电的电极和一个用于温度传感器的电极）。

4.2压缩机的运行工况

每台压缩机包括：

●连接到制冷回路的蒸发器和其中气态制冷剂（丙烷）被吸入的低压侧（LP）；

●连接到制冷回路的冷凝器上并排出气态丙烷的高压侧（HP）。

电机和压缩机的各种机械部件（轴承、连杆总成等）与丙烷气体以及储存在背压（BP）侧的压缩机底座的油润滑相接触。

有一点非常重要：

与运动部件接触的流体为气态丙烷，这是因为若进入压缩机的为液体丙烷可能会损坏电机（这可能是由于润滑不良或液体压缩效应引起）。

4.3ATEX风险分析

4.3.1因压缩机运行引起的ATEX形成

我们必须识别出在外壳内外上的由压缩机运行引起ATEX形成的不同位置。

4.3.1.1外壳内形成的ATEX

ATEX仅当丙烷和空气同时存在时才在外壳内形成。

当压缩机运行时，背压侧的外壳处于环境温度对应的丙烷蒸气压力下，也就是说，有几bar压力；在高压侧，该压力甚至更高。

因此，在背压和高压两侧，空气都无法穿透外壳。

当压缩机启动时，提出了另一有关将空气引入外壳内的可能性问题。

可以根据丹佛斯提供的关于在压缩机启动时进行的一系列操作信息解决这一问题：

●压缩机在0.2bar的氮气压力下保压运输；

●现场充油；

●用户取掉两个塞子并将压缩机连接到处于充注1bar氮气的制冷回路上；

●然后使回路处于真空状态；

●最后启动压缩机，在一个内部腔体充填丙烷的状态下运行。

这样空气几乎不能渗入壳体。

4.3.1.2外壳外面形成的ATEX

一种来自制冷机组的丙烷与空气混合后在外壳外面形成的ATEX只可能是由于该机组的某元件存在泄漏引起的。

在本研究中，我们考虑了外壳泄漏的可能性；这些泄漏可能出现的位置是：

●端子腔的一个电极和外壳之间的密封处（一种可能的密封方法是使用可以预期承受若干bar内压的玻璃金属连接件）；

●由配有密封件的螺纹连接塞子封闭的各种开口（取压孔、排油口、油箱的互连接口等）。

4.3.1.2.1端子腔处出现的泄漏

端子腔是一个具有以下特点的封闭体积（几十立方厘米）：

●它被连接到电缆上，并有电缆入口点；

●它有一个非密封的盖子，因此可以假设它里面存在空气

当一个电极密封处泄漏时，可以假定在端子腔的整个体积内存在一个ATEX氛围。

4.3.1.2.2外壳自身存在的泄漏

当由于带压外壳泄漏，某一易燃气体（例如丙烷）泄漏被排放到环境空气中时，可以对一种ATEX空气-丙烷描述如下：

●丙烷作为一个湍流射流排出，并与射流湍流中的环境空气混合；

●通过空气和丙烷混合形成一种ATEX；

●该ATEX包括泄漏孔，并具有一个沿着射流轴被拉长的形状，射流轴垂直于泄漏孔的平面；

●ATEX由其到LFLxLFL的距离规定，LFLXLFL是轴上丙烷浓度等于丙烷易燃下限（LFL），即2.2%体积浓度的点；

●ATEX（VATEX）的体积取决于泄漏孔的横截面积和丙烷的压力；

●举一个例子，若假定外壳内的丙烷压力等于10bar，并且泄漏孔为圆形，且具有1mm直径，则可计算以下参数，xLIE=45cm和VATEX=750cm3。

4.3.2ATEX形成的点火

对于ATEX，接近外壳处存在许多可能的点火源，它们可能形成于端子腔内部和外部。

4.3.2.1电火花

在端子腔内部或外面的带电电极（电机电源）之间可能发生电火花。

4.3.2.2高的表面温度

当外壳表面发热异常时（例如在机械元件发热后），温度可能达到一个高的值，甚至高于丙烷自燃温度（TAI），即450℃。

与高温表面接触的任何ATEX可能点燃。

4.3.2.3静电火花

假定端子腔由一种聚合物绝缘材料制成，并且其形成的表面充分，则可以考虑：

●该表面聚集一定量的静电荷，例如在摩擦作用下；

●发生静电放电，并释放足以点燃端子腔中存在的ATEX的能量。

4.3.3认证所考虑的ATEX区域

在开始认证程序之前，必须决定：

●压缩机是否打算安装在一个ATEX区域，和哪种区域类型；

●或者，是否压缩机仅打算用在因压缩机自身泄漏形成的一个ATEX中。

本报告中被研究的压缩机将被安装的地点由丹佛斯规定如下：

●只能由压缩机中容纳的丙烷形成一个ATEX的地点，

●此外，假定压缩机不打算用在因制冷回路自身以外的装置上发生的泄漏而形成的一个ATEX中。

不过，这种泄漏对应于一个暗指区域2的故障。

因此，在设计和建造压缩机时，至少必须满足压缩机能够在区域2中运行。

下面，我们还要验证压缩机能够在区域1中认证运行的建造要求是什么，区域1是其中一个ATEX可能在正常运行期间偶然形成的一个区域。

4.3.4建议的保护模式

考虑压缩机结构及其端子腔，我们建议丹佛斯使用保护模式“增强安全“E””。

该保护模式具有以下特点：

●它将允许压缩机不仅安装在区域2，而且运行安装在区域1中，它要求标准中描述的非常精确的设计和建造规则：

●EN60079-0气体爆炸性环境用电气设备—第0部分：

总则

●EN60079-7气态爆炸性环境用电气设备—第7部分：

增强安全“E”型。

●这要求不高，因此比“防爆”保护模式（“d”）更优越。

保护模式“增强安全“e””的安全基于在设备外壳内部不允许点火源的事实。

因此，该设计基于：

●裸露带电零件之间足够的距离，从而避免电火花的发生。

必须要求在空气中和沿着漏电路径上的保持合适距离。

●带电零件之间良好的电气绝缘。

●当在外壳内有裸露的带电零件时至少为IP54的保护等级，从而避免因绝缘子上积尘激发火花。

●内部温度和外壳表面低于温度等级T3（200℃）从而避免丙烷点燃。

我们要补充的是，设计和建造压缩机使得它们仅可安装在区域2中是可能的；其次，它们应符合以下标准中所述的设计和建造规则：

●EN60079-0气态爆炸性环境用电气设备—第0部分：

总则

●EN60079-15气态爆炸性环境用电气设备—第15部分：

符合模式“n”的被保护电气材料的结构和标记。

但是，对应于第二个标准的约束严格性仅比模式“e”的那些约束稍低些，因此，我们建议丹佛斯首选后一种保护模式。

4.3.4.1设计的初步备注

我们建议考虑：

●使用金属端子腔，而不是由聚合体材料制成的端子腔，因为后者可能有必要控制端子腔的静电特性。

●在压缩机外壳上所有玻璃金属接头的焊接特定控制程序（对于温度传感器，还有一个带有2个电极的玻璃金属接头，但电流强度很低）。

●增强安全“e”型所保护的电缆入口。

●端子腔上所有可能的开孔以便通过全部预设的电缆（因为添加一个电缆入口开孔可能需要新的认证）。

●对所有类型的压缩机，端子腔相同。

●不带任何电子卡的端子腔（如果电子卡满足标准EN60079-0和60079-11（本质安全“i”）的要求，在端子腔内安装电子卡是可能的）。

●压缩机开孔的设计，这些开孔由一个螺塞堵上，不允许丙烷泄漏到环境空气。

为此，有必要尽量减少开孔的数量，并保证螺塞如果不用工具就不能被拧下。

●压缩机外壳的内部体积被丙烷永久加压，因此不会被标识为一个ATEX区域，并且对该外壳内的电气部件（电机）不需要特殊的保护。

端子腔是要保护的唯一电气部件。

4.3.4.2要遵守的规范性要求

丹佛斯必须根据标准EN60079-0（2006）和EN60079-7（2003）改装压缩机及其端子腔，标准的主要要求说明在附件1和2中给出的表格中汇总。

5.结论

丹佛斯已要求INERIS在开始正式的ATEX认证程序之前对其使用丙烷运行的制冷机组用压缩机进行初步研究。

我们建议压缩机配备由增强安全“e”型保护的端子腔。

这意味着丹佛斯的机组满足标准EN60079-0（2006）和EN60079-7（2003）的规范。

附录1

设备：

丙烷压缩机

制造商：

丹佛斯

EN60079-0:

2006（考虑EN60079-7）

条款

要求

结果/备注

5

温度

确定环境温度范围，因为压缩机的温度等级依赖它。

温度等级

必须进行一个发热试验以便（当然通过接触端子腔内部的外壳）确定ATEX可能达到的压缩机最高温度。

6

一般要求

必须对压缩机和端子腔进行抗冲击试验。

循环电流

如果存在循环电流，必须采取措施防止点火源（通过接地和电连接）

垫片保持

端子腔必须具有IP54保护等级（参见EN60079-7）。

如果该指标由一只橡胶垫片实现，则该垫片必须固定到一个配合面上。

7

非金属外壳

如果保护指标由一只橡胶垫片保证，该垫片必须提交耐热试验。

如果外壳的一部分是非金属（塑料材料、橡胶等），则必须考虑发生静电火花的风险。

8

含轻金属的外壳

对于区域2：

对区域1没有要求：

镁质量含量不超过7.5%的金属。

9

紧固件

端子腔的紧固件装置必须仅借助工具（非手工）才能松开。

如果使用螺钉，参见被认可的设计标准。

10

联锁装置

不考虑。

11

衬套

必须进行衬套的扭矩试验。

12

胶接用材料

若安全性依靠胶接，则必须进行耐热性试验。

13

Ex部件

不考虑。

14

连接装置和端子腔

端子腔内部的连接直接遵守EN60079-7，参见EN60079-7。

15

接地或连接导体用连接装置

端子腔的内外侧将配有接地连接装置，其横截面积将取决于表5中给出的相导线的横截面积。

16

外壳上的入口

必须使用由认证的类型“e”保护的、对应于发热试验期间测量的温度值（参见§5）和电缆直径。

补充要求

17

对于旋转电动机

不考虑，因为没有风扇

18

对于开关装置

不考虑。

19

对于熔断器

不考虑。

20

对于插头和插座

不考虑。

21

对于帽灯

不考虑。

22

对于照明装置

不考虑。

23

对于安装了电池盒和电池的装置

不考虑。

24

文件

制造商必须提供证明符合性和与爆炸风险有关的设备安全文件。

25

样机

制造商必须向进行试验和样机评价的认证机构提供对应于第24条中引用文件的一台样机。

26

型式试验

热力试验（发热）、压缩机外壳抗冲击能力、端子腔抗冲击能力、耐热性、保护等级、衬套的扭矩试验

27

例行验证和试验

参见EN60079-7

28

制造商的责任

文件、证书、标记和例行验证和试验

29

标记

型号标记

丹佛斯

地址

压缩机类型

系列号

年份

CE（若有关，且后面追加已经进行质量审核的认证机构编号）

Ex标识

II2G

ExeIIT3（温度等级必须经试验确认）

警告：

有电，严禁打开

30

说明书

说明书必须包含与投入使用、使用和维护时爆炸安全有关的信息，必须给出标识信息（§29）

附录2

设备：

丙烷压缩机

制造商：

丹佛斯

EN60079-7:

2003

条款

要求

结果/备注

4.2

外部连接用端子

端子腔内的连接端子不得自松，导线不得从其位置上滑脱。

端子绝缘材料必须经过测试

4.3

内部连接

端子绝缘材料必须经过测试

4.4,4.5

间隙和爬电距离

作为工作电压和绝缘材料的质量的函数，间隙和爬电距离必须与表1中给出的值对应。

绝缘材料如果不同于玻璃或陶瓷，必须进行鉴定试验

4.6

整体电绝缘材料

材料的限制温度必须比额定使用中所达到的最大温度高20K

4.7

绕组

不考虑，因为绕组在ATEX区域外面

4.8

温度限制

参见EN60079-0

4.9

装置内部接线

带电电线不得与裸露的导电带电部件接触

4.10

壳体提供的保护等级

端子腔必须具有IP54保护等级，因为它含有裸露的导电性带电部件

4.11

紧固件

参见EN60079-0

5

特定电气装置的补充要求

5.1

一般

不考虑。

5.2

旋转电动机

不考虑，因为电机在ATEX区域外面

5.3

照明装置

不考虑。

5.4

便携式灯具

不考虑。

5.5

测量仪器

不考虑。

5.6

变压器

不考虑。

5.7

电池

不考虑。

5.8

通用接头和接线箱

不考虑。

5.9

电阻加热器

不考虑。

5.10

其他电气装置

仅符合第4段

6

型号验证和型号试验

5.1.1

6.1

介电强度

在所有带电部件之间和在每个带电部件和地之间必须进行介电强度检测

6.2

旋转电动机试验

不考虑。

6.3

照明装置试验

不考虑。

6.4

测量仪器试验

不考虑。

6.5

变压器试验

不考虑。

6.6

电池试验

不考虑。

6.7

通用接头和接线箱的控制

不考虑。

6.8

电阻加热装置试验

不考虑。

6.9

端子绝缘材料试验

必须对连接到其电线上的端子进行拔出试验

7

例行验证和例行试验

在发货前必须由丹佛斯对每一设备在所有带电部件之间和在每个带电部件和地之间进行介电强度试验

8

标记

型号标记

丹佛斯

地址

压缩机类型

系列号

年份

CE标识（若有关，且后面追加已经进行质量审核的认证机构编号）

Ex标识

II2G

ExeIIT3（温度等级必须经试验确认）

警告：

有电，严禁打开