铝板带加工厂防爆电气设计

李 骥(洛阳有色金属加工设计研究院, 河南 洛阳 471039)

铝板带加工厂防爆电气设计

李 骥
(洛阳有色金属加工设计研究院, 河南 洛阳 471039)

国家标准设计规范在电气防爆具体应用方面不够详细,尤其是防爆区域的划分存在很多争议。结合铝板带项目,从防爆区域划分、防爆电气设备选择、防爆电气施工与安装方面分析防爆电气设计,探讨设计和施工实践中存在的疑难争议问题及解决办法,以供工业建筑电气设计参考。

防爆区域; 爆炸性气体环境; 防爆电气设计; 防爆电气设备

0 引 言

在铝板带加工厂的工程设计中,火灾和爆炸危险场所虽没有石化行业多,但由于其生产工艺复杂,使用介质种类较多,工程中也常会涉及到重要设备冷轧机油润滑冷却系统和站房液化石油气站、天然气站、油库、加油站、氯气站等的防爆设计。然而,电气防爆部分的设计规范条文不够详细,设计人员认识和做法不尽相同。

本文结合铝板带项目工程实例,探讨设计和施工中存在的疑难争议问题及解决办法,以供电气设计、施工人员参考。

1 防爆区域划分

防爆区域划分是一项复杂的系统工程。正常情况下,应以安全和工艺专业为主体,集中设备、热工、储运、建筑、暖通、总图、电气、仪表等专业人员的意见,按规范GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》和GB 50630—2010《有色金属工程设计防火规范》要求,确定是否为爆炸性危险区域,再根据爆炸危险气体种类,区分释放源级别和通风条件,划分出危险区域(0、1、2区)等级及范围。

电气设计人员应依据规范的要求,首先选择符合相应防爆级别的产品,一般1区可用隔爆型,2区可用增安型。例如,设计要求明确了防爆2区ⅡC T3,就是指在正常运行时不可能出现爆炸性气体环境,如果出现,也是偶尔发生且仅是短时间存在的场所,防爆电气设备采用Ⅱ类(除煤矿外的其他爆炸性气体环境用电气设备),最大试验安全间隙(MESG)或最小点燃电流比(MICR)ⅡC类,其最高表面温度为T3组(200 ℃)。然后依据规范做好电缆敷设、防雷接地等防爆设计。最大试验安全间隙或最小点燃电流比分级如表1所示,分级的级别应符合GB 3836.12—2008《爆炸性环境 气体或蒸气混合物按照其最大试验安全间隙和最小点燃电流的分级》的有关规定,最小点燃电流比为各种可燃物质的最小点燃电流值与实验室甲烷的最小点燃电流值之比。

表1 最大试验安全间隙或最小点燃电流比分级

电气设备的温度组别、最高表面温度和引燃温度之间的关系如表2所示。

表2 电气设备的温度组别、最高表面温度和引燃温度之间的关系

有时防爆区域的划分或区域范围的大小有争议,在此情况下电气设计人员需要理解爆炸性气体环境三要素:可燃物质、爆炸极限、引燃温度,对于其他行业中存在的防爆相关争议问题(燃气锅炉房锅炉间是否为防爆区,燃气发电机房是否采用防爆电气设备)具有借鉴意义。如果按GB 50058—2014距释放源距离划分,天然气比空气轻,防爆区跨度为4.5 m,则整个锅炉房包括水泵电机等就应按防爆的要求设计。与燃气锅炉房相关的设计规范还有GB 50116—2014《建筑防火设计规范》,其中强制性条文要求锅炉间事故风机应采用防爆风机。因此,将锅炉电气设备全选为防爆型,但根据GB 50058—2014第3.2.2条第2、3项,符合下列条件之一时,可划为非爆炸危险区域:① 可燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限10%;② 生产过程中使用明火的设备附近;③ 炽热部件的表面温度超过区域内可燃物质引燃温度的设备附近。由于锅炉房天然气存积区域为屋顶,出现可燃物质的最高浓度不可能满足要求②,因此事故风机和照明设备应选防爆型;从要求③来看,锅炉电气设备(鼓、引风机配套电机等)应选非防爆型,按普通方式配电。

有些人认为甲类、乙类火灾危险场所需要防爆,而丙类不需要。这是一个认识误区,防爆分区与火灾危险性分类不是一个概念,甲类并不等同于防爆。甲类厂房是按火灾危险性来分类的,电气设备的防爆要求是根据设备安装区域的防爆级别来定的,例如使用黄磷的厂房就是甲类,但黄磷不会形成气体混合物,不满足爆炸条件。因此该厂房仅属于火灾危险区,电气设备无需防爆。

对于车间内已确定能形成气体混合物的介质,爆炸危险区域根据其性质和释放部位定出。一般工艺设备和管线内介质为可燃可爆液体或气体,这些设备的可能泄漏点(法兰、阀门、排放口等)向外15(4.5) m以内为防爆区。15 m区针对的是比空气重的可燃气体或可燃液体的挥发性气体,4.5 m区针对的是比空气轻的气体,比如液态氢、液态甲烷。

以阿塞拜疆铝板带项目为例,液化石油气站属于甲类火灾危险场所,氯气站属乙类,冷轧机含油地下室、过滤间、轧机区属丙类。从介质的性质、释放部位来看,液化石油气站是爆炸危险场所;氯气站是爆炸危险场所;冷轧机的轧机区有气体混合物且操作温度高于闪点,故尽管电气线路或设备不可能处在高的温度环境中,仍需按防爆要求设计。同样,铝板带工程中的含油污水处理站属于防爆场所;一般化验室不属于防爆场所,在线化验设备要视周围环境而定,若其本身无可燃可爆气体泄漏,则不属于防爆场所。

本文认为爆炸危险场所一定是火灾危险场所,但不一定是甲类、乙类场所,而甲类、乙类场所也不一定是爆炸危险场所;做防爆设计的厂房是分区设计,不是全厂房所有区域都要按防爆要求设计。如果整个厂房被划分为一个防爆分区,则所有开放式安装在该厂房内的电气仪表设备都要按防爆要求设计;如果整个厂房被划分为几个防爆分区和非防爆区,则开放式安装在该厂房非防爆区的电气仪表设备无需选用防爆型设备。即使划为防爆区域,也有隔爆、本质安全等防爆等级的划分。

已经划定的防爆区域,如果能与其他专业沟通采取某些措施,就能变为无需防爆的区域。在实际中应采取通风措施,尽量减少1区、0区是极个别情况。某些情况下,只要做良好的机械通风,同时结合电气控制,设置可燃气体浓度检测报警系统,气体浓度达不到爆炸限定值,就可以不按防爆要求设计。有时也可在建筑形式上采取措施,例如防爆区域内的值班室,可以用防爆墙隔开,值班室和防爆区域不直接连通,观测窗上装双层隔爆玻璃(不能打开的),室内保持正压,就相当于隔爆室。这样值班室内安装可燃气体探测器控制装置,显示元件与按钮无需防爆,室内配电装置也无需装在隔爆箱内。

3 防爆电气设备选择

防爆电气设备的防爆结构型式大致可分为无火花型(n)、增安型(e)、隔爆型(d)、正压型(p)、充砂型(q)、油浸型(o)、本质安全型(i)、浇封型(m)。如电气设备为ⅡB类隔爆型温度组别为T4组,标志为ExdⅡBT4;ⅡA类本质安全型ia等级T5组,标志为ExiaⅡAT5。若电气设备采用复合类型,则先标出主体防爆型式,后标出其他防爆型式。根据设备成为引燃源的可能性和爆炸性气体环境及爆炸性粉尘环境所具有的不同特征,规定设备保护级别,从高到低分别为Ga、Gb、Gc和Da、Db、Dc三个保护等级。危险区域划分与电气设备保护级别的关系如表3所示。

表3 危险区域划分与电气设备保护级别的关系

爆炸性气体环境设备保护级别Ga对应的电气设备防爆结构为本质安全型(ia)、浇封型(ma)、光辐射式设备和传输系统的保护,或由两种独立的防爆类型组成的设备,每一种类型达到保护等级别Gb的要求,具有很高的保护等级。Gb对应增安型(e)、隔爆型(d)、本质安全型(ib)、浇封型(mb)、正压型(px,py)等防爆结构,具有较高的保护等级。Gc对应本质安全型(ic)、浇封型(mc)、正压型(pz)等防爆结构,具有加强的保护等级。

设备的防爆性能与外壳防护等级无关,绝大多数防爆电气设备均不能阻止气体或水进入其内部,因此不能将这些防爆电气设备直接安装在户外露天场所,也不能用水冲洗其外壳(防水性能完全由其外壳防护等级决定)。通常用于户外的气体防爆电气设备外壳的防护等级不应低于IP54,粉尘防爆电气设备不应低于IP65,若在腐蚀气体环境中,需另外要求防腐等级。

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。当存在两种以上可燃性物质的爆炸性气体混合物时,应按混合物的级别、组别选用防爆电气设备,无据可查又不可能进行试验时,可按危险程度较高的级别和组别选用防爆电气设备。

铝板带加工厂常用的防爆电气设备是防爆按钮箱、防爆检修电源箱、防爆按动开关、防爆接线盒、防爆灯具和开关等。由于没有实用的防爆断路器等配电设备,大部分防爆配电设备都是通过外壳设计防止可燃气体进入箱体内的正压型或降低气体浓度、冷却气体温度的隔爆型。隔爆型控制柜是使用最广泛的电气设备,但电缆进出口必须采用专门配套的进出口。

本质安全型原理是通过限制设备内的电流大小使能量不足以点燃爆炸危险性介质。电气设备、浇封型设备不适合用在变配电设备上,即0区根本不能有配电设备存在。因此,变电所、配电所(包括配电室)和控制室应布置在爆炸危险区域范围以外,当为正压室时可布置在1区、2区内。

在阿塞拜疆项目中,液化石油气站、氯气站、氮气站、冷轧机均属于2区爆炸危险场所,故低压配电柜(箱)均安装在爆炸区域外,区域内控制箱、插座箱、按动开关、插座和灯具开关等都采用隔爆型。

4 防爆电气施工与安装

对于防爆区域的电缆敷设方式,应符合94D401-3《爆炸和火灾危险环境下电气线路和电气设备安装》的要求。施工规范的要求较为明确,只在具体做法上略有区别。

以阿塞拜疆项目为例,电力和照明、控制用电缆选用铜芯,最小截面积不低于1.5 mm2,防爆区域内电缆无中间接头;防爆区域内各区之间及与相邻正常环境之间钢管配线处进行隔离密封,接线盒采用隔爆型,SC25镀锌焊接钢管螺纹旋合不少于5扣,螺纹上涂以电力复合脂或导电性防锈脂;钢管出口和电气设备之间的电缆采用增安型金属软管;敷设电气线路的沟道、电缆或钢管在穿过不同区域之间的墙或楼板孔洞时用非燃性材料严密堵塞。

防爆区域内,除照明灯具外的其他电气设备都有专门的接地线;接地干线在不同方向有不少于两处与接地体连接。液化石油气站属第二类防雷建筑物,防雷接地、防静电接地符合防爆规范要求。

接入防爆电机的电缆是否需要防爆挠性连接管仍存在很大争议。本文认为防爆挠性管没有任何防爆作用,只是机械保护电缆。防爆验收标准GB 50257—1996《电气装置安装工程爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范》第3.2.4条规定,需要挠性连接时可采用挠性连接管,应根据具体防爆电机电缆接口而定。如果电机是电缆进出口型(喇叭口型),对应的应该是铠装电缆,电缆裸露长度在0.5 m以内,直接接进电机,电机接线口防爆密封圈要密封好;如果电机是螺纹接口型,电缆无需铠装,则应采用挠性连接管。

5 结 语

随着国内海外总承包业务的飞速发展,有色金属工业工程设计行业与欧美逐渐接轨。铝板带加工厂工程的防爆电气设计者应遵循经济合理、安全适用的设计原则,并结合具体情况综合考虑,实现电气设计最优化。

[1] GB 50058—2014 爆炸危险环境电力装置设计规范[S].

[2] GB 50016—2014 建筑设计防火规范[S].

[3] GB 50630—2010 有色金属工程设计防火规范[S].

[4] 94D401-3 爆炸和火灾危险环境下电气线路和电气设备安装[G].

Discussion on Explosion-proof Electrical Design in Aluminum Plate/Strip Processing Plant

LI Ji

(Luoyang Nonferrous Metals Processing Design and Research Institute, Luoyang 471039, China)

The applications of explosion-proof electrical design are not specified detailed enough in the national design standards.Many disputes still exist in the division of explosion-proof zone and the designers always do engineering work based on their own understanding of standards.Combining by aluminum plate,sheet and strip project as example,this paper analyzed the related explosion-proof design in aspects of the division of explosion-proof zone,selection of explosion-proof electrical equipment and the explosion-proof electrical construction and installation,and also discussed the existing disputed problems and solutions in the practice of design and construction.It could provide

for industry building electrical design.

explosion-proof zone; explosive gas environment; explosion-proof electrical design; explosion-proof electrical equipment

李 骥(1983—),男,工程师,从事工业建筑电气设计工作。

TU 894

B

1674-8417(2015)05-0041-04

2014-12-28