ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ ИНСТИТУТ ТЯЖПРОМЭЛЕКТРОПРОЕКТ

ПОСОБИЕ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЗАРЯДНЫХ СТАНЦИЙ ТЯГОВЫХ ЩЕЛОЧНЫХ И КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ (с изменениями 2001 г.)

М788-1068

Главный инженер института

отдела Зав. лабораторией

Главный инженер проекта

Москва 1993 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1.    Вводная часть........................................................................... 4

2.    Определение количества выделяющегося

водорода и аэрозоли щелочи при заряде тяговых щелочных аккумуляторов и аккумуляторных батарей............................................................... 5

3.    Определение количества выделяющегося

водорода и аэрозоли кислоты при заряде тяговых кислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей............................................................... 8

4.    Расчеты по определению категории зарядного помещения по взрывопожарной опасности для тяговых аккумуляторных

батарей.................................................................................. 11

4.3.    Щелочные аккумуляторные батареи............................................. 11

4.4.    Кислотные аккумуляторные батареи............................................. 15

5.    Определение свободного объема зарядного помещения, гарантирующего его

отнесение к категории Д............................................................ 20

Справочные приложения:

№ 1 -    Номенклатура МНБЭТ............................................................... 23

№2-    Тяговые щелочные аккумуляторы и

аккумуляторные батареи для МНБЭТ (выписки из номенклатурных каталогов, инструкций, стандартов)....................................................... 25

№ 3 -    Тяговые кислотные аккумуляторы и

аккумуляторные батареи для МНБЭТ (выписки из номенклатурных каталогов, стандартов)....................................................................... 33

№ 4 -    Номенклатура зарядных выпрямитель

ных устройств для тяговых аккумуляторных батарей........................................................................ 35

3

М/08-11)08

4.3.1. При расчете количества выделяющегося водорода и аэрозоли щелочи принято, что все аккумуляторные батареи станции технического обслуживания заряжаются одновременно.

4.3.2. Приточно-вытяжная вентиляция зарядного помещения должна обеспечить требования взрывопожарной безопасности согласно СНиГО.04.05-91 (приложение 16, п.З) и требования санитарно-гигиенических норм согласно СНиП2.04.05-91 (приложение 16, п.2) и ГОСТ 12.1.005-88.

Расход воздуха по условию обеспечения взрывопожарной безопасности

12

M788-1068

_ 9,6С„н-10~^б -10⁶

0,1НПВ_н 0,1-4,5-10³

Расход воздуха по условию обеспечения санитарно-гигиенических норм

_т, М    0,025С_нп    з,

L =-= ——= 0,05С_ип, м /ч,

Ящ 0,5

где НПВ_н - нижний концентрационный предел взрываемости водорода, равный

4.5- 10³ мг/м³;

М_щ - количество аэрозоли щелочи, поступившей в воздух помещения при заряде батареи, мг/ч;

•з

ц_щ - предельно допускаемая концентрация (ПДК) щелочи, равная 0,5 мг/м . Требования по обеспечению санитарно-гигиенических норм согласно ГОСТ

12.1.005- 88 более чем в два раза жестче требований по обеспечению взрывопожарной безопасности, следовательно, при работе приточно-вытяжной вентиляции, обеспечивающей соблюдение санитарно-гигиенических норм, взрывоопасная среда не должна иметь место в зарядном помещении.

4.3.3. Количество водорода, обращающегося в помещении при работе приточновытяжной вентиляции, определяется по формуле

т_н =^V_ce =    ⁶    V_ce    =    0,192 • 1 (Г³V , кг.

и_щ    0,05    С_ип

Расчетным принимается момент, когда в конце заряда аварийно отключается приточно-вытяжная вентиляция и отключаются сблокированные с ней зарядные устройства, но продолжается выделение водорода с остаточными газами. Количество водорода, содержащееся в этом случае в зарядном помещении, указано в табл. 4.3.3.

13

M788-1068

4.3.4. Расчет избыточного давления взрыва обычно должен выполняться технологами. Так как технологами аккумуляторных установок являются электрики, ниже приведен полностью расчет избыточного давления взрыва в зарядном помещении, выполняемый согласно нормам НПБ105-95.

Расчетное избыточное давление взрыва

где Р_Макс - максимальное давление взрыва газовоздушной смеси в замкнутом объеме. При отсутствии данных допускается принимать Р_макс = 900 кПа;

Ро - начальное давление. Допускается принимать Ро= 101 кПа;

М    - масса находящегося в помещении водорода, кг; М = М_н (см. табл.    4.3.3);

Z    - коэффициент участия водорода во взрыве. Для водорода Z = 1,0;

V_ce - свободный объем помещения, м³;

о

р - плотность горючего вещества; р = 0,08987 кг/м - для водорода;

С_ст ~ стехиометрическая концентрация горючего газа, %,

100 _ 100 ^ст~ 1 + 4,84/? “1 + 4,84-0,5

/? - стехиометрический коэффициент водорода в реакции сгорания

_{/! =} „_{c +} !!₁Zi_b ₌ o ₊ b£^ ₌ o,5;

^{и с} 4    2    4    2

п_с, п_н, п₀, п_х - число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего;

К_н - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения. Допускается принимать К_н= 3.

Согласно НПБ105-95 при устройстве аварийной вентиляции масса горючего М должна быть разделена на величину АТ + 1, где А - кратность воздухообмена аварийной вентиляции; Т - продолжительность поступления горючего газа. В случае отсутствия

14

M788-1068

аварийной вентиляции, но обязательного устройства естественной вентиляции с однократным обменом воздуха, значение величины АТ + 1 принимается равным 2. Результаты расчета сведены в табл. 4.3.4.

4.3.5.    Следовательно, при наличии надежно работающей блокировки, отключающей зарядные устройства при прекращении действия механической приточно-вытяжной вентиляции, обеспечивающей санитарно-гигиенические нормы, расчетное избыточное давление взрыва, с учетом однократной естественной вентиляции, меньше 5 кПа. Принятое при расчете допущение, что все аккумуляторы заряжаются одновременно, гарантирует достоверность этого вывода.

4.3.6.    Выполненные расчеты подтверждают, что зарядные помещения зарядных станций электропогрузчиков с щелочными аккумуляторами на 5, 10, 15, 25 и 40 мест, сооружаемые по типовым проектам Гипропромтрансстроя, должны быть отнесены к категории Д. В верхней части помещения будет иметь место ограниченная взрывная зона класса В-16 согласно главе 7.3 ПУЭ 6-го изд. или класса 2 согласно ГОСТ Р 51330.9-99.

4.4. Расчет категории зарядного помещения при заряде тяговых кислотных аккумуляторных батарей типов 2х20хЗПАСЗЮ и 2х20х5ПАС310 (производство Болгарии')

Количество батарей и свободный объем помещения указаны в табл. 4.4.1.

15

M788-1068

4.4.1. При расчете количества выделяющегося водорода и аэрозоли кислоты принято, что все аккумуляторные батареи станции технического обслуживания заряжаются одновременно.

4.2.2. Приточно-вытяжная вентиляция зарядного помещения обеспечивает требования взрывопожарной безопасности согласно СНиП2.04.05-91 (приложение 16, п.З) и требования санитарно-гигиенических норм согласно СНиП2.04.05-91 (приложение 16, п.2) и ГОСТ 12.1.005-88.

Расход воздуха по условию обеспечения взрывопожарной безопасности

16

m..

" 0,\НПВ_и    ОД-4,5-10³

Расход воздуха по условию обеспечения санитарно-гигиенических норм

_L'_{k =} K₌ °’^015С"” = 0,015С_мя , м³/ч,

Я_к 1

где НПВ_н - нижний концентрационный предел взрываемости водорода, равный

4,5-10³ мг/м³;

М_к - количество аэрозоли кислоты, поступившей в воздух помещения при заряде батареи;

q_K -ПДК кислоты, равная 1 мг/м .

В отличие от помещений с щелочными аккумуляторами требования по обеспечению санитарно-гигиенических норм согласно ГОСТ 12.1.005-88 практически идентичны требованиям по обеспечению взрывопожарной безопасности.

4.4.3. Количество водорода, обращающегося в помещении при работе приточновытяжной вентиляции.

т_н =^V_ce = ¹-^МС^-^1Q -= 0,45 • 10"³ V_cs, кг/ч. " Ь'_н ^св 0,017С_нп

Расчетным принимается момент, когда в конце заряда аварийно отключается приточно-вытяжная вентиляция и отключаются сблокированные с ней зарядные устройства, но продолжается выделение водорода с остаточными газами и по причине саморазряда. Количество водорода, содержащегося в этом случае в зарядном помещении, указано в табл. 4.4.3.

17

M788-1068

4.4.5.    Следовательно, при наличии надежно работающей блокировки, отключающей зарядные устройства при прекращении действия механической приточно-вытяжной вентиляции, расчетное давление взрыва, с учетом однократной естественной вентиляции, меньше 5 кПа. Принятое при расчете допущение, что все аккумуляторы заряжаются одновременно, гарантирует достоверность этого вывода.

4.4.6.    Выполненные расчеты подтверждают, что зарядные помещения зарядных станций электропогрузчиков с кислотными аккумуляторами на 5, 10, 15, 25 и 40 мест, сооружаемые по типовым проектам Гипропромтрансстроя, должны быть отнесены к категории Д. В верхней части помещения будет иметь место ограниченная взрывоопасная зона класса В-16 согласно главе 7.3 ПУЭ 6-го изд. или класса 2 согласно ГОСТ Р 51330.9-99.

19

M788-1068

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОБОДНОЕО ОБЪЕМА ЗАРЯДНОГО ПОМЕЩЕНИЯ, ГАРАНТИРУЮЩЕГО ЕГО ОТНЕСЕНИЕ К КАТЕГОРИИ Д

5Л. При проектировании новых и реконструкции действующих зарядных станций приходится решать задачу по определению свободного объема зарядного помещения для определенного набора аккумуляторных батарей, при котором гарантируется расчетное избыточное давление взрыва в помещении равное или менее 5 кПа.

5.2. При расчетном избыточном давлении взрыва в зарядном помещении АР < 5 кПа

M_HZ 100 1 2АРр С_ст К_н^;

(900-101)М_н.1,0-100^₁₀₁ 2-5-0,08987-29,24-3

С другой стороны, для щелочных аккумуляторных батарей согласно пп. 4.3.3 и 2.2 М=т+ т^пн = 0,192 ■ 10“³ V_ca + 0,99 С п • 10'⁶.

Н    п    п    '    Со    ^J    л

Подставляя значение М_н в выражение V_ce > 1012М_н, определяем для щелочных аккумуляторных батарей

У_св> 1,02С_нл-10‘³, м³.

С учетом коэффициента запаса 1,1 и того, что V_ce принимается равным 0,8 от объема помещения, минимальный объем помещения, отнесенного к категории Д,

У мин ⁼ 1,4С_н/7-10’³, м³.

Для кислотных аккумуляторных батарей согласно пп. 4.4.3 и 3.2

М_И =т_н +т"_н =0,45-10“³ У_св +1,03С_нл-Ю’⁶ и V_ce > 1,28С„л-10'³, м³;

Умин ⁼ 1,76С„н-10'³, м³.

Приведенные зависимости выведены исходя из следующих условий:

заряд всех аккумуляторных батарей, установленных в зарядном помещении, осуществляется одновременно;

отказ принудительной вентиляции в режиме заряда имеет место в конце заряда;

концентрация водорода в помещении в момент, предшествующий отказу вентиляции, определена по условию обеспечения санитарно-гигиенических норм согласно ГОСТ 12.1.005-88;

при отключении механической приточно-вытяжной вентиляции отключаются сблокированные с ней зарядные преобразовательные агрегаты;

20

M788-1068

в зарядном помещении действует естественная вентиляция с однократным воздухообменом.

5.3. При отсутствии в зарядном помещении естественной вентиляции (что противоречит действующим нормам)

Для щелочных аккумуляторных батарей

V_ce > 2,48С„я-10’³, м³.

Для кислотных аккумуляторных батарей

F_ce> 3,82010'³, м³.

Этот вариант может рассматриваться лишь при вынужденном размещении зарядного помещения в существующем здании и при заряде в нем ограниченного числа аккумуляторных батарей, при этом требуется согласование с органами Госэнергонадзора.

5.4. В табл. 5.1 (для щелочных батарей) и 5.2 (для кислотных батарей) представлены результаты расчетов по определению свободного объема зарядного помещения, при котором расчетное избыточное давление взрыва в помещении будет меньше или равно 5 кПа. Типы и количество батарей аналогичны принятым в типовых проектах.

21

M788-1068

1. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В 70-е годы институт Тяжпромэлектропроект разработал «Указания по проектированию зарядных станций тяговых аккумуляторных батарей», которые были согласованы с ТУПО МВД СССР и опубликованы в издаваемых институтом «Инструктивных указаниях по проектированию электротехнических промышленных установок» № 7 за 1974 г. и № 11 за 1976 г. Разработка, хотя и не была согласована с Госстроем СССР, получила широкое распространение, так как при значительном количестве строящихся зарядных станций для машин напольного безрельсового электротранспорта (МНБЭТ) была единственным нормативным документом, относящимся к зарядным станциям.

По согласованию с ГТУ Минэнерго СССР в 1985 г. было решено включить в состав ПУЭ 7-го издания новую главу «Зарядные станции тяговых аккумуляторных батарей», в основу которой должна быть положена разработка 70-х годов, но с непременным учетом действующих в настоящее время нормативных документов. Проект новой главы был разработан институтами Тяжпромэлектропроект и Гипропромтрансстрой в 1989 г., до настоящего времени не утвержден и, как справочный материал, был опубликован в сборнике института «Инструктивные и информационные материалы по проектированию электроустановок» № 10 за 1992 г., с. 3 - 11.

Переписка института со сторонними проектными организациями в последние годы свидетельствует, что при проектировании зарядных станций возникают трудности, связанные, прежде всего, с расчетами по определению категории зарядного помещения по взрывопожарной опасности и с количественным определением вредных выбросов из аккумуляторов. Эти вопросы детально рассмотрены в настоящем пособии. Кроме того, в пособии приведены справочные данные по номенклатуре тяговых аккумуляторных батарей, выпускаемых заводами электропромышленности. Также приведены краткие технические характеристики зарядных выпрямительных агрегатов, выпускаемых Гайским заводом «Преобразователь».

4,

M788-1068

5.5. Учитывая значительное влияние устройства естественной вентиляции зарядного помещения на минимальные объемы помещений, обеспечивающих значение расчетного давления взрыва менее 5 кПа, требуется обязательное выполнение естественной вентиляции, обеспечивающей не менее однократного воздухообмена в 1 ч.

Также требуется надежная работа блокировки зарядных устройств с работой приточно-вытяжной вентиляции. Помимо выполнения электромеханической блокировки и устройства сигнализации об отключении вентиляционной установки в зарядном помещении, отнесенном к категории Д, должны быть установлены газоанализаторы, действующие на отключение зарядных устройств, а также подъемно-транспортных механизмов при появлении концентрации водорода в воздухе, превышающей 20% НПВ.

22

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ВЫДЕЛЯЮЩЕГОСЯ ВОДОРОДА

И АЭРОЗОЛИ ЩЕЛОЧИ ПРИ ЗАРЯДЕ ТЯГОВЫХ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

2.1. Максимальное выделение водорода, имеющее место в течение последнего часа заряда аккумуляторной батареи, может быть количественно оценено по методике, приведенной в книге Н. С. Хрюкина «Вентиляция и отопление аккумуляторных батарей» (М.: Энергия, 1979),

= —Irj_anK_t , Ри

где q_H = 0,037 г/А-ч - электрохимический эквивалент водорода;

р_н - 0,08987 г/дм³ - плотность водорода при температуре 0°С, давлении 760 мм.рт.ст. и относительной влажности 0%;

т]_г - коэффициент расхода зарядного тока на газовыделение. В конце заряда принимают т]_г = 0,95;

/ - зарядный ток, А. Для тяговых щелочных аккумуляторов емкостью С_н максимальное значение зарядного тока при нормальном режиме заряда согласно ГОСТ 26500-85 составляет / = 0,25С_Н;

п - количество аккумуляторов в батарее;

K_tp - коэффициент, учитывающий отклонения температуры и атмосферного давления от 0°С и 760 мм.рт.ст., соответственно,

„    760(Г,+Г)

Влиянием изменения атмосферного давления можно пренебречь ввиду его незначительности. При температуре окружающей среды t = 25°С

273 + 25

K_t =-

'    273

Подставляя приведенные значения, имеем

’    •    0,25С_Н    •    0,95«    •    1,09    =    0,101С п • 10“³, м³/ч.

0,08987

Масса выделяющегося водорода т'_н =9,6С_нп-Ю ⁶, кг/ч.

2.2. Количество водорода, выделяющегося из щелочного аккумулятора с остаточными газами в течение 1 ч после прекращения заряда определяется по формуле

5

M788-1068

<= PC _ипК_1р,

где ft - объем водорода, выделяющегося после прекращения заряда в течение 1 ч из аккумулятора емкостью 1 А-ч, дм³:

Р~ 0,01 - для аккумуляторов НЖ;

Р = 0,0033 - для аккумуляторов НК.

В целях упрощения расчетов принимаем р = 0,01 для щелочных аккумуляторов любого типа. Тогда

v" = 0,011С_нл-10'³, м³/ч; т"_н = 0,99С_нп • 10“⁶, кг/ч.

2.3. Количество выделяющегося водорода из щелочных аккумуляторов (п = 1) различной емкости представлено в табл. 2.1.

2.4. Количество выделяющегося водорода из щелочных аккумуляторных батарей некоторых типов представлено в табл. 2.2.

6

M788-1068

2.5. Количество аэрозоли щелочи, выделяемое из аккумуляторной батареи с газами, определяется по формуле

М_щ =0,025С_нп, мг/ч.

Значения М_щ для аккумуляторных батарей указанных выше типов даны в табл. 2.2.

7

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ВЫДЕЛЯЮЩЕЕОСЯ ВОДОРОДА

И АЭРОЗОЛИ КИСЛОТЫ ПРИ ЗАРЯДЕ ТЯГОВЫХ КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

ЗЛ. Максимальное газовыделение, имеющее место в течение последнего часа заряда кислотных аккумуляторов, может быть количественно оценено по методике, приведенной в книге Н. С. Хрюкина «Вентиляция и отопление аккумуляторных батарей» (М.: Энергия, 1979),

где q_H = 0,037 г/А-ч - электрохимический эквивалент водорода;

р_н = 0,08987 г/дм³ - плотность водорода при температуре 0°С, давлении 760 мм.рт.ст. и относительной влажности 0%;

т)_г - коэффициент расхода зарядного тока на газовыделение. В конце заряда принимают rj_z = 0,95;

/ - зарядный ток, А. Для тяговых кислотных аккумуляторов емкостью С_н максимальное значение зарядного тока при нормальном режиме заряда согласно ГОСТ 28133-89 составляет / = 0,2С_н;

п - количество аккумуляторов в батарее;

K_tp - коэффициент, учитывающий отклонения температуры и атмосферного давления от 0°С и 760 мм.рт.ст., соответственно,

_к _ 760(1Г₀₊0

^,р РТ₀

Влиянием изменения атмосферного давления можно пренебречь ввиду его незначительности. При температуре окружающей среды t = 25°С

273 + 25 273

Подставляя приведенные значения, имеем

v' =    ’    -0,2С, -0,95и-1,09 = 0,085С «-10“³,м³/ч.

"    0,08987

Масса выделяющегося водорода т'_н = 7,64С_нп-10’⁶, кг/ч.

3.2. Количество водорода, выделяющегося из кислотного аккумулятора с остаточными газами и в результате саморазряда в течение 1 ч после прекращения заряда

8

M788-1068

vⁿH =0,0115С„л-1(Г³, м³/ч; т"_н = 1,03С_нп • 10“⁶, кг/ч.

Первая формула отражает экспериментальные данные, содержащиеся в книге Н. С. Хрюкина, а именно, что количество водорода, выделяющегося из аккумулятора емкостью 100 А-ч в течение первого часа после прекращения заряда с остаточными газами и в результате саморазряда, равно 1150 см³.

3.3. Количество водорода, выделяющегося из кислотных аккумуляторов различной емкости, представлено в табл. 3.1.

3.4. Количество выделяющегося водорода из кислотных аккумуляторных батарей некоторых типов представлено в табл. 3.2.

9

M788-1068

3.5. Количество аэрозоли кислоты, выделяемое из тяговой аккумуляторной батареи с газами, определяется по формуле

М_к =0,015С_нл, мг/ч.

Значение М_к для аккумуляторных батарей указанных выше типов дано в табл. 3.2.

10

M788-1068

4. РАСЧЕТЫ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КАТЕГОРИИ ЗАРЯДНОГО ПОМЕЩЕНИЯ ПО ВЗРЫВОПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ ТЯГОВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ

БАТАРЕЙ

4.1.    Согласно действующим в настоящее время требованиям зарядное помещение относится по взрывопожарной и пожарной опасности к категории А, а взрывоопасная зона класса В-16 занимает верхнюю часть зарядного помещения (п. 7.3.42 ПУЭ 6-го изд.). Изложенное противоречит требованиям гл. 7.3 ПУЭ, согласно которой при установленной категории А взрывоопасная зона класса В-Ia должна занимать весь объем помещения, а зона класса В-16 не должна иметь место в этом случае. В 1995 г. были введены в действие разработанные ГУГПС МВД РФ общероссийские нормы НПБ105-95, согласно которым и должно осуществляться категорирование помещений по взрывопожарной и пожарной опасности. Категория помещения определяется в зависимости от значения расчетного избыточного давления взрыва в помещении. При значении последнего, равном или меньшим 5 кПа, зарядное помещение следует относить к категории Д, при давлении более 5 кПа помещение относится к категории А. Согласно ГОСТ Р 51330.9-99 в случае отнесения зарядного помещения к категории А весь объем помещения занимает взрывоопасная зона класса 2 (или В-Ia согласно ПУЭ 6-го изд.), а при отнесении зарядного помещения к категории Д зона 2 (или В-16) занимает лишь верхнюю часть помещения. Таким образом, задача по определению категории зарядного помещения сводится к расчету значения расчетного избыточного давления взрыва, производимому согласно нормам НПБ105-95.

4.2.    Расчеты выполнены для станций технического обслуживания на 5, 10, 15, 25 и 40 электропогрузчиков, для которых институтом Гипропромтрансстрой разработаны типовые проекты при использовании щелочных или кислотных тяговых аккумуляторных батарей. Исходные для расчетов данные приняты из указанных типовых проектов.

Пользуясь приведенными примерами расчетов, проектировщику-электрику не составит труда выполнить подобные расчеты для конкретной станции технического обслуживания с любым набором тяговых щелочных или кислотных аккумуляторных батарей.

4.3.    Расчет категории зарядного помещения при заряде тяговых щелочных аккумуляторных батарей типов 34ТЖН-300 и 34ТЖН-600

Количество батарей и свободный объем зарядного помещения указаны в табл. 4.3.1.

И