爆炸气体环境电气设计

黄 俊

(江西省化工设计院)

引言

随着国家经济的发展，石油化工企业在给国家经济发展做贡献的同时，由于化工厂爆炸事故造成的经济损失大，伤亡率高，使得国家高度重视化工企业的安全形势。2013年6·3吉林宝源丰特大事故，共造成121人死亡、76人受伤，17234平方米主厂房及主厂房内生产设备被损毁，直接经济损失1.82亿元。根据国家安监局事故调查报告，主生产车间一处电气线路短路，引燃周围可燃物，当火势蔓延到氨设备和氨管道区域，燃烧产生的高温导致氨设备和氨管道发生物理爆炸，大量氨气泄漏，介入了燃烧，火势蔓延至主厂房的其余区域，从而造成了无法挽回的后果。据有关数据统计，在化工厂爆炸事故中，有一半以上爆炸事故是由电气设备引起，每每看到化工厂爆炸，让作为石化行业电气设计的人员都深感肩上的责任之重。下面就化工厂爆炸性气体车间电气设计浅谈几点看法。

1 爆炸发生的前提条件

在爆炸性气体环境中产生爆炸必须同时存在下列条件：

(1)存在易燃气体、易燃液体的蒸气、薄雾；

(2)爆炸性气体混合物浓度在爆炸极限以内；

(3)存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温。

从以上看出爆炸性气体环境中发生爆炸必须满足以上条件，缺少其中任何一个条件时，均够不成爆炸，因此，电气设计中的安全措施应当从以下几个方面来考虑。

2 防止爆炸发生的电气措施

2.1 爆炸性车间总配电设计

当车间用电量较大时，变、配电所不应设置在甲、乙类厂房内或贴邻建造，且不应设置在爆炸性气体、粉尘环境的危险区域内，当为正压室时，可布置在1区、2区内。供甲、乙类厂房专用的10kV及以下的变、配电所，当采用无门窗洞口的防火墙隔开时，可一面贴邻建造，并应符合现行国家标准《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058等规范的有关规定。乙类厂房的配电所必须在防火墙上开窗时，应设置密封固定的甲级防火窗。需要强调的是“专用”，是指其他厂房不依靠这个变电所、配电所供电，并且对于易燃物质比空气重的爆炸性气体环境，位于1区、2区附近的变电所、配电所室内地面，应高出室外地面0.6m。

当车间用电量不大时，在车间内设置少量防爆配电柜或者由附近配电所向车间用电设备直接供电。

2.2 电气设备选型

(1)根据爆炸危险区域的分区、电气设备的种类和防爆结构的要求，应选择相应的电气设备。

(2)选用的防爆电气设备的级别和组别，不应低于该爆炸性气体环境内爆炸性气体混合物的级别和组别。当存在有两种以上易燃性物质形成的爆炸性气体混合物时，应按危险程度较高的级别和组别选用防爆电气设备。

(3)爆炸危险区域内的电气设备，应符合周围环境内化学的、机械的、热的、霉菌以及风沙等不同环境条件对电气设备的要求。

电气设备结构应满足电气设备在规定的运行条件下不降低防爆性能的要求。

爆炸性气体环境电气线路应根据易燃物质对空气的相对密度，来确定安装方式。当比空气重时，电气线路应在较高处敷设或直接埋地；架空敷设时宜采用电缆桥架；当比空气轻时，电气线路宜在较低处敷设或电缆沟敷设。电气线路在敷设时应该尽量避开可能受到机械损伤、振动、腐蚀以及可能受热的地方，不能避开时，应采取预防措施。在爆炸性气体环境内，低压电力、照明线路用的绝缘导线和电缆的额定电压，必须不低于工作电压，且不应低于500V。(比空气重的物质：以空气密度为1，与空气相对密度在0.75以上的气体或蒸气视为比空气重的物质)

2.3 电气线路设计

爆炸性气体环境电气线路的设计和安装应注意的几点：

(1)电气线路应在爆炸危险性较小的环境或远离释放源的地方敷设。

①当易燃物质比空气重时，电气线路应在较高处敷设或直接埋地；架空敷设时尽量采用电缆桥架；电缆沟敷设时沟内应充砂，并设置排水措施。

②当易燃物质比空气轻时，电气线路宜在较低处敷设或电缆沟敷设。

③电气线路宜在有爆炸危险的建、构筑物的墙外敷设。

(2)敷设电气线路的沟道、电缆或钢管，所穿过的不同区域之间墙或楼板处的孔洞，必须采用非可燃性材料严密堵塞。

(3)敷设电气线路时尽量避开可能受到机械损伤、振动、腐蚀以及可能受热的地方，不能避开时，应采取预防措施。

(4)在爆炸性气体环境内，低压电力、照明线路用的绝缘导线和电缆的额定电压，必须不低于工作电压，且不应低于500V。工作中性线的绝缘的额定电压应与相线电压相等，并应在同一护套或管子内敷设。

(5)在1区内单相网络中的相线及中性线均应装设短路保护，必须使用双极开关同时切断相线及中性线。

(6)在1区、2区内都应采用铜芯电缆。

2.4 防雷接地设计

爆炸性气体车间大部分是第二类防雷建筑物，其防雷设计甚为重要，应用装设在建筑物上的避雷网(带)或避雷针或由其混合组成的接闪器防直击雷。当车间屋顶有排放爆炸危险气体的放散管、呼吸阀、排风管等时应根据气体比重、装置内压力与周围空气压力差、有无管帽来确定防雷接闪器措施。第二类防雷建筑物避雷网网格尺寸不大于10m×10m或12m×8m。屋顶上所有凸起的金属构筑物或管道等，均应与避雷带焊连接。当车间为金属屋面时并满足《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010中的规定(罩棚铝材厚度须大于7mm，钢板厚度须大于4mm)，可利用其金属屋面作防雷接闪器。

引下线宜采用建筑物四周结构柱内四对角主筋(不小于φ10)或者钢柱作为避雷引下线。引下线的平均间距不应大于18m。引下线上与避雷带焊接，下与接地装置连通。

接地装置可利用闭合条形混凝土基础内的钢筋，当条形基础内无钢筋时，应当敷设人工接地体。人工接地体规格应根据条形闭合基础的周长选择。

每根引下线在距室外地坪下1.0m处出外墙由结构柱钢筋焊出一接地连接板(热镀锌扁钢100×100×8)并引出3m预留与人工接地极连通体；在若干引下线的室外地坪上0.5m处焊出一接地测试板(热镀锌扁钢100×100×8)，并在车间电源引入处设置总等电位箱进行总等电位连接。

利用结构独立基础内主钢筋(深度不小于-0.6m)做接地极并与防雷引下线、环形接地联接体作可靠焊接。

2.5 防静电设计

在厂房内距地+0.3m墙上明敷-40×4热镀锌扁钢，作为防静电接地干线，在地面暗敷-25×4热镀锌扁钢，作为室内防静电支线。在每层结构柱上预留接地钢板100×100×8，并与室内接地干线连接。而接地钢板通过防静电引上线(采用结构柱内钢筋)与基础接地装置相连。

所有金属设备，管道及钢平台扶手均应与防静电接地干线作可靠焊接，具体参见<<接地装置安装>>03D501-4。为防静电室内外一切工艺设备管道及电器设备外壳及防直击雷，防雷防静电及电气保护接地均连均应可靠接地，平行敷设的长金属管道其净距小于100mm的应每隔20～30m用金属线连接，交叉净距小于100mm时交叉处也应跨接。弯头阀门；法兰盘等应在连接处用金属线跨接并与接地网连成闭合回路。

防雷，防静电及保护接地连为一体，接地网电阻不大于1欧姆，如实测未达到要求应增打接地极，接地极间距5M。

2.6 气体报警设计

爆炸性气体车间大部分均存在可燃气体或者有毒气体，并且在化工厂车间中存在的爆炸性气体的同时，也常存在有毒气体，应根据在日常生产中更容易出现的危险状态，相应的进行设置防爆可燃气体探测器或者防爆有毒气体探测器。具体设置应遵循如下条件：

(1)可燃气体或其中含有毒气体，一旦泄漏，可燃气体可能达到25%LEL，但有毒气体不能达到最高容许浓度时，应设置可燃气体检测报警仪；

(2)有毒气体或其中含有可燃气体，一旦泄漏，有毒气体可能达到最高容许浓度，但可燃气体不能达到25%LEL时，应设置有毒气体检测报警仪；

(3)既属可燃气体又属有毒气体，只设有毒气体检测报警仪；

(4)可燃气体与有毒气体同时存在的场所，应同时设置可燃气体和有毒气体检测报警仪。

LEL可燃气体爆炸下限浓度(V%)值。

TLV车间空气中有害物质的最高允许浓度值。

检测可燃气体的测量范围：0～100%LEL；有毒气体的测量范围宜为0～3TLV。

可燃气体检测器的有效覆盖水平平面半径，室内宜为7.5m；室外宜为15m。在有效覆盖面积内，可设一台检测器。

有毒气体检测器与释放源的距离，室外不宜大于2m，室内不宜大于1m。

可燃气体检测器、有毒气体检测器的型式，应根据被检测的气体的具体特性选择。

在车间控制室或者厂区监控中心设置报警控制器，与气体探测器组成报警系统。当有情况时报警器应能发出声光报警信号并精确定位发生情况的地点。

3 提高电气防爆安全水平的几条措施

3.1 做好电气设备选型，使其不成为点燃源

为了防止电弧和电火花的外泄，降低电气设备表面温度，化工企业防爆厂房常选用充油型、隔爆型、无火花型、充气型、增安型电气设备。如使用气体绝缘的六氟化硫开关装置等。这些设备虽然费用较高，但能有效地防止电火花外泄。在化工企业防爆厂房内要尽量不用携带式或移动式设备，一但有铁壳之间的碰撞、摩擦，以及落在水泥地面时均可能产生火花，使其成为点燃源。由于锌会引起电弧，因而在导线与设备的连结处，不得采用镀锌方式。此外在设备选型时要注意配套，在一些化工厂中常发现电机是隔爆型而控制按钮是增安型，这种做法十分危险，极易产生火花。

3.2 加强通风降低燃烧爆炸危险的物质浓度

配合建筑专业、暖通专业在自然通风无法满足的情况下，使用风机进行人工通风，并接入厂区DCS系统，一旦有可燃气体泄漏，立刻可以启动风机。

3.3 注重配线质量

防爆区域的电气配线是最重要的一环，由于不易检查，往往是最薄弱的一个环节。与设备相连的长导管要隔一定距离密封一次，而且在防爆区域内，所有电线电缆保护管应采用低压流体输送用镀锌焊接钢管。当采用螺纹旋合时，对直径25mm及以下的钢管，螺纹旋合不应少于5扣，对直径32mm及以上的钢管，不应少于6扣，钢管与电气设备的链接处宜采用挠性连结管。

4 结束语

化工厂爆炸性气体环境的电气设计，有其特殊要求，应严格按照国家相关规范设计，并以相应规范中要求最高的规范条文为准。电气设计中要针对构成爆炸的基本条件，采取完整的设计措施，与其它专业特别是工艺专业进行配合，做到既安全又经济。

[1]张修正.化工厂电气手册.

[2]任元会.工业与民用配电设计手册.

[3]建筑物防雷设计规范GB50057-2010.

[4]爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058-92.

[5]石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范SH3063—2009.