Lắp đặt thiết bị tự động trong môi trường cháy nổ

Khá nhiều người không làm việc trong ngành Dầu khí nên chưa quen và không hiểu việc lắp đặt vận hành thiết bị điện trong môi trường có nguy cơ cháy nổ như thế nào. Với 5 năm kinh nghiệm làm việc trong ngành Dầu khí, 2 năm làm về mảng an toàn nổ bụi cho ngành thực phẩm, mình muốn chia sẻ một chút kinh nghiệm về mảng này

1. Phân loại các môi trường cháy nổ

Nếu bạn làm việc trong môi trường có các chất dễ cháy và có thể lơ lửng trong không khí, như vậy bạn đang làm việc trong môi trường có nguy cơ cháy nổ cao.

Ví dụ các ngành thường có môi trường cháy nổ

• Dầu khí và lọc hóa dầu
• Xăng dầu
• Khai khoáng và khai mỏ.
• Hóa chất công nghiệp
• Sơn và các ngành có dùng sơn phun
• Lò hơi đốt dùng gas/xăng
• Dược phẩm có sử dụng dung môi bay hơi
• Thực phẩm, đặc biệt thực phẩm có sử dụng sản phẩm dạng khô/bột ( đường, tinh bột, bột sữa, bột cafe, bột mì, bột ngũ cốc, bột trà)

Dựa theo việc môi trường có chất nguy cơ hay không, thì người ta phân ra làm các khu vực (Zone) tùy theo mức độ nguy cơ. Zone là theo tiêu chuẩn IECEx của châu Âu, còn nếu bạn đọc Div thì là theo tiêu chuẩn Mỹ.
Zone 0: Môi trường LUÔN LUÔN tồn tại KHÍ có nguy cơ gây nổ. > 1000h/năm
Zone 1: Môi trường THƯỜNG XUYÊN tồn tại KHÍ có nguy cơ gây nổ. <1000h/năm & >10h/năm.
Zone 2: Môi trường HIẾM KHI tồn tại KHÍ có nguy cơ gây nổ, <10h/năm.

Zone 20: Môi trường LUÔN LUÔN tồn tại BỤI có nguy cơ gây nổ. > 1000h / năm
Zone 21: Môi trường THƯỜNG XUYÊN tồn tại BỤI có nguy cơ gây nổ. <1000h/năm & >10h/năm
Zone 22: Môi trường HIẾM KHI tồn tại BỤI có nguy cơ gây nổ, <10h/năm

Để đánh giá phân loại được Zone, bạn phải đọc về hazardous layout/explosion zoning layout của nhà máy để biết chi tiết. Theo kinh nghiệm mình có như sau: Trong các nhà máy thuộc môi trường có nguy cơ cháy nổ sẽ có yêu cầu bắt buộc phải có bản vẽ về phân loại môi trường có nguy cơ an toàn (hazardous layout/explosion zoning layout). Nếu nhà máy không có, thì quy tắc đơn giản nhất để áp dụng sẽ là:

Trong bồn bể, đường ống chứa luôn là Zone 0/Zone 20

Quanh các miệng đường ống hở bán kính 0-5m có kết nối vào là Zone 0/Zone 20 (vent, cửa nắp, miệng tiếp liệu)

Quanh các miệng đường ống hở bán kính 5-10m có kết nối vào là Zone 0/Zone 20 (vent, cửa nắp, miệng tiếp liệu).

Bán kính phụ thuộc vào loại nguyên liệu trong môi trường là gì. Không gian kín thì coi toàn bộ không gian là cùng 1 Zone.
Tiêu chuẩn chính thức để các bạn có thể tham khảo về khoảng cách của các Zone là theo IEC 60079-10 hoặc API RP-505.

2. Các quy cách bảo vệ của thiết bị điện trong môi trường Ex

Trên mỗi thiết bị được quyền lắp trong môi trường Ex đều có mark chữ Ex trong hình lục giác tô vàng và 1 mớ kí tự ở đằng sau. Ý nghĩa của từng ký tự thì bạn có thể tra bảng để biết rõ hơn.

Thực tế, với vai trò kỹ sư, các bạn sẽ quan tâm nhất:

• Safety catergory 1,2,3: Cat 1 cho Zone 0/20, Cat 2 cho Zone 1/21, Cat 3 cho Zone 2/22. Bạn dùng Cat nhỏ hơn thay cho Cat lớn hơn được.

• Kiểu bảo vệ (Protection): các kiểu bảo vệ thường thấy và sự phù hợp cho các Zone

Về nguyên tắc bảo vệ, thực ra chỉ có 3 nguyên lý chính:

• Thiết kế chịu nổ, để khi có tia lửa điện xảy ra, năng lượng khi cháy nổ không thể thoát ra ngoài. Đại diện là Ex D (Explosion proof). Nhìn thiết bị thiết kế theo chuẩn Ex D thường rất hầm hố, to nặng. Thường trong lắp đặt thiết bị Ex D sẽ yêu cầu Cable Glands theo chuẩn Ex D bằng kim loại luôn. Phương pháp này phù hợp cho các thiết bị nhỏ gọn, khi lên kích thước lớn sẽ cần rất nhiều vật liệu, và thiết kế nhiều khi không thể thực hiện.
• Thiết kế cô lập: bản chất là nếu khí hoặc bụi không thể tới được vùng có điện thì không có chuyện gì xảy ra. Thường thấy áp dụng lý thuyết của Ex P (pressurization), bơm khí sạch để đẩy khí ga ra ngoài cho các E-House hoặc MCC
• Thiết kế an toàn tự thân (intrinsic safe): các mạch an toàn tự thân khi xảy ra sự cố cũng không thể phát ra tia lửa. Các mạch này dùng cho các thiết bị field instrument sử dụng ít năng lượng, và cần được để ý khi thiết kế hệ thống điều khiển để kèm theo barrier điều tiết năng lượng. Kiểu này được gọi là Ex i (có 3 loại nhỏ của Ex i là ia, ib, ic cho 3 loại khí khác nhau)3. Góc nhìn tổng thể về lắp đặt hệ thống
  Để bảo vệ hệ thống điều khiển trong môi trường ATEX, việc lựa chọn tiêu chuẩn lắp đặt phù hợp là việc đầu tiên và quan trọng nhất.
• Phía đầu trên của control system: MCC và E-House thường sẽ có thể tích lớn vì phải chứa nhiều thiết bị mang năng lượng cao, vì thế hai kiểu bảo vệ chịu nổ và an toàn tự thân không phù hợp, vì thế chỉ có thể bảo vệ cách ly. Cách mình thường thấy nhất là đóng kính toàn bộ, sau đó dùng máy lạnh hoặc AHU để tạo áp dương và giải nhiệt cho thiết bị bên trong, cùng với lắp detector để đảm bảo không có khí/bụi bị cuốn vào trong MCC/E-House. Cách làm này mô phỏng hệ thống bảo vệ Ex P. Đối với một số nhà máy có diện tích lớn, thay vì thiết kế cách ly với môi trường có khí, họ cách ly toàn bộ hệ thống ra xa khỏi vùng có khí cỡ vài trăm m. Cách làm này đảm bảo an toàn, nhưng mà chi phí dự án sẽ bị đội lên rất lớn. Ví dụ dự án tầm 2000 cọng dây, mỗi cọng dài thêm 100m do di dời E-House, tổng quãng đường đi dây sẽ tăng lên 200000m. Bình thường mình tính rẻ 100k/m dây (bao gồm tiền dây, công, máng, structure phụ trợ), thì với 200000m dây, phương án di dời e-house 100m sẽ tốn thêm 20 tỷ.
• Phía đầu cuối của control system là các thiết bị field devices. Field device như mình nói ở trên sẽ thường lắp đặt với 2 kiểu thiết kế chính: Ex d (chống nổ) và Ex i (An toàn tự thân).Ex d nhìn thì tưởng phức tạp, nhưng thực ra lại là cách lắp đặt dễ hiểu nhất, với toàn bộ các thiết bị rất dày, cho nổ cũng không sao. Chi phí lắp đặt trên từng instrument sẽ cao hơn, do thiết kế của Ex d cần chịu lực cơ học lớn hơn nhiều, cũng như tuyến cáp, hộp nối hay tất cả các điểm kết nối đều phải được lắp đặt phù hợp với Ex d – to dày. Ex D phù hợp với các thiết bị cần nhiều năng lượng (motor chẳng hạn) và với các khí cụ điện cần yêu cầu bảo vệ cơ học đi kèm. Tuy nhiên, chí phí của Ex d là cao nhất.Ex i thì ngược lại, trong quá trình thiết kế lại phức tạp hơn 1 chút, nhưng lại có chi phí thấp hơn Ex d do thiết bị không phải thiết kế chịu lực. Trong thiết kế Ex i, chỉ cần ghi nhớ là thiết bị trước khi được kết nối với I/O của control system thì phải kết nối qua IS Barrier, và nếu bạn định đi dây dài trên 1km thì phải chọn dây IS cũng như tính toán năng lượng xả của đường dây (dây dài sẽ có capacity đáng kể, và khi chập thì có thể mang 1 lượng năng lượng đủ phát lửa). Tuy nhiên, Ex i mang lại việc tiết giảm chi phí khoảng 20-30% cho toàn bộ hệ thống khí cụ điện nếu so với Ex d. Nghe thì tưởng ít, nhưng mà trong 1 dư án ở môi trường cháy nổ, tiền instrument thường vào khoảng 1-2 triệu USD. 20% tiết kiệm được là 200-300 ngàn USD.

  Với thiết kế cổ điển, dây sẽ được kéo trực tiếp từ thiết bị ngoại vi về thẳng MCC/E-House. Nhưng mà như ví dụ ở trên của mình, 2000 cọng dây mà kéo trực tiếp về E-house thì sẽ tạo thành 1 khối lượng dây khổng lồ. Với ước tính khoảng cách trung bình 200m, 2000 dây sẽ tạo thành 400,000m dây, hay 40 tỷ tiền dây rợ. Con số này thật kinh khủng.

  Các kỹ sư vắt tay lên trán suy nghĩ, và đặt mỗi 50 dây vào 1 hộp Junction Box (JB), và hộp junction box được đặt ngay bên ngoài môi trường gần các thiết bị. 50 dây này sẽ được gom lại vào các dây nhiều lõi (multicore) và kéo về MCC/E-house. Với thiết kế như vậy, vẫn với thiết kế 200m, 2000 dây, nhưng hộp JB đặt cách khí cụ điện 30m, thì tổng khối lượng dây phải thi công sẽ là:

• Dây từ thiết bị tới JB : 2000 x 30m = 60000m
• Dây từ JB về MCC: 20 JB x 170m = 3400m
• Tổng cộng: 63400m. Con số giảm từ 400,000m xuống 63,400m dây không hề nhỏ.

Tuy nhiên, với việc sử dụng dây nhiều lõi, bạn tiết kiệm được chi phí thi công và một phần vật tư phụ, nhưng không hề giảm lượng cáp đồng thực tế sử dụng trong dây nhiều lõi. Giá dây 20 lõi tuy rẻ hơn 20 dây 1 lõi, nhưng không rẻ hơn 20 lần, do lượng vật tư chính là lõi đồng không thay đổi.

Cùng lúc đó, để lắp đặt được các hộp JB thì cần có loại JB phù hợp với môi trường cháy nổ, tuỳ vào Zone được lắp đặt. Bạn để ý, mình lấy con số 30m, vì đó là khoảng cách có thể nằmngoài khu vực có nguy cơ cháy nổ (Zone 2). Nếu bạn muốn giảm xuống thì có thể tìm mua các hộp JB Ex d với giá không hề mềm.

​

Việc phải kéo dây multicore về E-House/MCC là vì trong hệ thống control, các module IO và hệ thống tiếp nhận dây tín hiệu (Marshalling) đều được đặt trong MCC với diện tích lớn. Các kỹ sư lại suy nghĩ: nếu giờ thay vì kéo từng tín hiệu IO theo cọng dây riêng lẻ về E-House, ta đem IO ra đặt ngay tại tủ Junction Box thì sao? Khi đó, thay vì chạy dây multicore to đùng về E-house/ MCC, ta chỉ cần chạy 1-2 cọng dây tín hiệu truyền thông về là được. Và các kỹ sư đã làm như vậy, khái niệm Remote IO ra đời.

Về mặt chi phí, tổng quảng đường dây cần kéo sẽ không thay đổi so với phương án sử dựng JB. Tuy nhiên, thay vì kéo 3400m dây đa lõi với chi phí cao, chỉ cần kéo 3400m dây truyền thông giá rẻ, tương đương dây đơn lõi.

Chi phí dây, giảm khoảng 6 – 8 lần (từ tương đương 400,000m xuống tương đương 60,000m).

Tuy nhiên, việc lắp đặt thiết bị Remote IO gặp trở ngại lớn: Remote IO là thiết bị có điện năng tương đương các IO bình thường, và khi lắp đặt ở môi trường Ex, sẽ có nguy cơ gây nổ.

Quay lại nguyên tắc phòng nổ, để lắp được Remote IO gần lại thì có 2 lựa chọn:

• lắp đặt trong tủ chịu nổ và không bao giờ mở ra
• lắp đặt trong tủ kín khí và không phát nổ

Phương án tủ chịu nổ và không bao giờ mở ra là không khả thi, vì tủ Remote IO thường có kích thước lớn hơn nhiều so với tủ JB bình thường, cũng như cần phải tác động thường xuyên khi có sự cố xảy ra.

Vậy quay lại chỉ còn phương án Remote IO theo tiêu chuẩn Ex I.

Giới thiệu, 2 dòng remote IO của Rockwell với 1718/1719.​

​Khi lắp đặt 1719, bạn có thể lắp remote thay vì khoảng cách 30m để không vào vùng Zone 2, bạn có thể lắp ở khoảng cách 10m ở vùng Zone 2.

Lượng dây sẽ chỉ còn 10x2000m + 190×20 = 23800m, giảm 60% chi phí dây so với sử dụng Junction Box

Khi lắp đặt 1718, bạn có thể lắp remote thay vì khoảng cách 10m mà có thể lắp ở khoảng cách 5m. Lượng dây sẽ chỉ còn 5 x 2000 + 195×20 = 14000m. Giảm 80% chi phí dây so với sử dụng Junction box. Ngoài ra, với môi trường hẹp, đặc biệt tại giàn khoan offshore, tấc đất tấc vàng, lựa chọn là giữa lắp remote I/O tại zone 1 hoặc kéo trực tiếp về E-House/MCC. Theo mình biết, hiện tại chỉ mình Rockwell có Remote IO phù hợp cho Zone 1.

Câu hỏi thường thấy khi sử dụng remote IO trong atex là có thể mở tủ ra sửa khi đang vận hành được không? Với thiết kế Ex D, việc mở ra kiểm tra sửa chữa chỉ được làm khi đã cắt nguồn hoàn toàn, tương đương với thực hiện công việc có phát sinh nguồn tia lửa. Với thiết kế Ex i, và các chân kết nối Ex d/ Ex e, việc mở ra kiểm tra và thay thế các module remote IO 1718 là có thể.

Hoàng Kim Hùng – Sales Account Manager
Rockwell Automation Việt Nam