发电厂制氢站电气设计探讨

陆建莺，牛 丽

(国核电力规划设计研究院，北京 100094)

氢气具有密度小，热传导率高的特点，发电机采用氢冷却可提高发电机效率。当发电厂发电机冷却方式为“水氢氢”或全氢冷时，需为其设置供氢系统。宁东矸石电厂2×330MW机组采用自备氢气站的供氢方式，该制氢站主要建筑有氢气贮存罐间、电解间、辅助间、化验间、电气控制间等，其中电解间、氢气贮存罐间存在爆炸危险，火灾危险性类别为甲级，爆炸危险类别为Q-2。发电厂一旦发生火灾或者爆炸事故，轻则毁坏电厂设备及建筑物，重则中断电力供应，且恢复时间长，将对人们的生产、生活造成巨大影响，并造成重大经济损失。因此，制氢站的安全设计对发电厂的安全运行至关重要。

1 制氢站照明设计要点

1.1 照明箱

按照规程规定，在有爆炸危险的场所，不应装设照明配电箱，应将其装设在附近正常环境的场所。本工程将照明箱装于电气控制间，既保证照明箱安全性，又满足了就近控制的要求，照明箱安装高度以箱底距地面1.5m为宜。该照明配电箱的防爆出线回路，应装设双极开关。

选择照明箱型号时，应考虑留有适量的备用回路(约占照明箱回路数的1/4至1/3)。应急照明充电检测回路可加装单相开关，工作时闭合，检修时打开，接线方式见图1。

图1 应急照明回路接线方式

1.2 防爆灯具

有爆炸危险的房间，其光源应使用防爆荧光灯等高效光源，灯具宜装在较低处，并不得装在氢气释放源的正上方。

安装于制氢站围墙以内、制氢站房间外的工厂灯、吸顶灯、开关等均需选用防爆型，以避免或减轻发生事故时遭到破坏。如果建筑物房间内有吊顶，应避免灯具安装的位置与吊顶栅格冲突(该工程电气控制间装有吊顶)。灯具不宜装在电气、仪控等盘柜正上方。

1.3 灯具开关

在有爆炸危险的场所，不宜装设开关及插座，当需要装设时，应选用防爆型开关及插座。防爆灯配置双极开关，且开关装于室外进行控制。

1.4 照明线路

发电厂和变电站照明设计规程规定：在有爆炸危险或有可能受到机械损伤的场所，照明线路应采用铜芯绝缘导线穿钢管明敷。管内敷设多组照明导线时，导线的总数不应超过6根。在有爆炸危险的场所，管内敷设的导线根数不应超过4根。

对于防爆应急照明回路，照明箱出线共4根线，其中防爆照明3根(一根为专用接零线)，应急照明充电线1根。装有防爆灯具的回路与非防爆回路分开布置。不同类型回路的照明箱接线见图2。

图2 不同类型回路接线方式

由于防爆回路中装有防爆应急照明灯具，因此，需要在防爆设计的基础上加装单相开关，如图2中防爆回路所示。由照明箱引至氢气罐间的照明回路，也需进行防爆安全保护，可穿水煤气管引至氢气罐间门口。

2 制氢站电缆敷设

电缆设计规范中规定：有防爆、防火要求的明敷电缆，应采用埋砂敷设的电缆沟。因此，宁东矸石电厂制氢站采用电缆沟敷设电缆。

宁东制氢站电气控制间设置一台壁挂式氢气检漏报警仪，电解间风机、贮氢罐间风机均与氢气检漏报警仪连锁，当空气中氢气浓度超过0.4%时，连锁装置启动。

有火灾及爆炸危险的房间内不宜设计电缆沟与厂区电缆沟接口，应使电缆沟出口端闭合，以避免发生火灾与爆炸危险时造成事故蔓延。

3 防雷设计

发电厂和变电所有爆炸危险且爆炸后可能波及发电厂和变电所内主设备或严重影响发供电的建筑物，应用独立避雷针保护，并应采取防止雷电感应的措施。

首先应根据避雷针高度和建筑物高度计算保护范围半径，当采用单根避雷针时，地面上保护范围计算公式如下：

r = 1.5hp

式中：r为保护半径/m；h为避雷针的高度/m；P为高度影响系数。

按照规程规定，h≤30m时，P=1；30m＜h≤120m时，P=5.5/；h＞120m时，取其等于120m，本工程中独立避雷针的高度为30m。

制氢站内被保护建筑物高度hx水平面上的保护半径按以下公式计算：

⑴ hx≥0.5h时，

rx= (h-hx) p = hαP

式中：rx为避雷针在hx平面上的保护半径/m；hx为被保护建筑物的高度/m；ha为避雷针的有效高度/m。

⑵ hx＜0.5h时，

rx= (1.5h-2hx) p

按照《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、《氢气站设计规范》等规定，避雷针安装位置的确定需遵循以下原则：

①独立避雷针及集中接地装置与道路的距离或建筑物的出入口等不宜小于3m，否则采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面，也可铺设混凝土地面。

②独立避雷针接地装置(埋深1.5m)与接地网及地下管道的地中距离不小于3m。

③避雷针与罐体呼吸阀的水平距离不应小于3m。

④避雷针的保护范围边缘高出呼吸阀顶部不应小于2m。

⑤避雷针与自然通风口的水平距离，不应少于1.5m，与强迫通风口的距离不应少于3m，与放空管口的距离不应少于5m，避雷针的保护范围应高出管口1m以上。

本工程中，制氢站围墙外侧置有两个点火油罐，安装了两支等高避雷针对其进行保护。为了达到联合保护、扩大保护范围的目的，在满足制氢站建筑保护范围的条件下，制氢站区域的避雷针尽量靠近油罐方向，以配合油罐区域避雷针进行联合保护。计算表明，联合保护取得了良好的防雷效果。

制氢站区域大门旁需安装一套触摸式静电消除器，用于消除进入制氢站人员身体携带的静电，减少人体静电对制氢站设备造成的危险。

4 接地设计

接地按用途可分为工作接地、保护接地、雷电保护接地、防静电接地4种，为了保护建筑物和电气设备的安全，需通过接地装置将雷电流、静电等导入大地。宁东矸石电厂土壤电阻率为85～95Ω·m。

⑴ 设计时需遵照以下原则：

①水平接地体与建筑物外墙的距离不宜小于1.5m。

②室内接地线沿建筑物墙壁水平敷设时，离地面宜保持 200～250mm的距离，不沿墙时埋入地面，接地线与建筑物墙壁间应有10～15mm的间隙。

③室内接地体至少两点与室外接地体牢固焊接。

④垂直接地极的间距不应小于其长度的两倍，水平接地极的间距不宜小于5m。

⑤独立避雷针宜设独立的接地装置。当其接地电阻超过10Ω或者其接地装置与主接地网之间距离不能满足《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620-1997中7.1.11b)要求时，其接地装置可与主接地网连接，见图3，避雷针通过集中接地装置与接地网相连。

图3 独立避雷针接地布置图

⑥贮氢罐的四周应设闭合环形接地体(接地电阻不应超过30Ω)，罐体的接地点不应少于两处，接地点间距不应大于30m。

⑦人工接地网外缘应闭合，外缘各角应做成圆弧形，圆弧的半径不宜小于均压带间距的一半。

⑧为便于施工，设计时垂直接地体的位置尽量避免与水平接地体的交接处重合。

⑵ 对接地装置进行施工时，应注意以下事项：

①接地扁钢埋深1.5m。

②在接地线引进建筑物的入口处，应设标志。明敷的接地线表面应涂15～100mm宽度相等的绿色和黄色相间的条纹。

③不能保持良好电气接触的阀门、法兰、弯头等管道连接处也应跨接，跨接线采用直径不小于8mm的圆钢；

④金属罐罐体钢板的接缝、罐顶与罐体之间以及所有管、阀与罐体之间应保证可靠的电气连接。

⑤接地装置边缘处的道路或入口处应设帽檐式均压带，需铺设砾石或沥青路面。

⑥为了防止接地线遭受机械损伤，在接地线与电缆管道或铁道交叉处及其他有可能使接地线遭受机械损伤之处，均应用管子或角钢加以保护。

⑦管道及金属桥台应在其始端、末端、分支处以及每隔50m处设防静电接地，鹤管应在两端接地；

⑧净距小于100mm的平行或交叉管道，应每隔20m用金属线跨接。

5 制氢站防火封堵措施

由于氢气密度比空气小，且扩散速度快，一旦发生泄露易积聚在设备、容器、建筑物的顶部。纯氢在空气中遇到明火会燃烧，进而引起火灾甚至爆炸；氢气与空气(或氧气)达到一定的混合比，遇明火也会发生爆炸[1]。

发电厂火灾多发生在电缆沟和电缆隧道内，电缆通过电缆沟道分布到机房、主控室和室外设备，一旦发生险情，将造成起火迅速，火势凶猛，极易蔓延扩大，且烟气有毒，扑救困难，直接对人员生命构成威胁。因此，除执行安全操作外，发电厂做好有效的防火措施至关重要。

需要对电缆通道进行防火封堵的部位如下：

⑴ 各类表盘与配电屏的电缆孔洞及各层楼板的电缆留孔；

⑵ 辅助车间内部电缆通道通向厂区的所有接口；

⑶ 各辅助车间的电缆进入表盘的洞孔；

⑷ 厂区电缆沟道和隧道直线段不大于100m为一个防火分隔点；

⑸ 厂区大型排管的人孔井的管口；

⑹ 厂区电缆构筑物中的高压电缆中间接头和终端头等。

按照以上规定，制氢站区域需要进行封堵的部位有：电缆沟穿建筑物墙的洞口、盘柜底部电缆出入口。

由于阻火包价格相对较低，在施工时常用于室外电缆沟的封堵。但阻火包存在烟密性差，浸水后防火性能失效的缺点，因此，从安全性与经济性综合考虑，可使用阻火包、防火灰泥、矿棉共同进行封堵。

盘柜底部电缆留口宜使用防火涂层板系统进行封堵，其表面涂刷一定厚度的防火涂料，缝隙处以防火密封胶填充。为保证防火涂层板系统的牢固性，其下方使用圆钢进行支撑与固定。

6 结论

本文结合工程设计标准与工程施工标准，以神华宁煤宁东矸石电厂一期2×330MW机组工程制氢站为例，全面概述了发电厂自备制氢站的电气设计要点。

由于制氢站的安全直接关系到整个发电厂的安全运行，本文重点针对设计过程中的防火防爆设计进行了总结，对照明灯具与照明线路的防爆设计、电缆防爆设计、制氢站区域的防雷与接地设计、防火封堵设计等作了详细介绍，以确保电气部分设计的合理性，从而提高电厂运行的安全性。

[1]王立国.发电厂氢系统着火爆炸的防止对策[J].电力安全技术，2001，3(5).

[2]穆冬梅.氢冷发电机供氢系统方案选择[J].中国电力，2001，34(6).

[3]余浩.火电厂供氢系统方案选择[J]，电力勘测设计，2008，12(6).