爆炸性环境中电气设计的要点分析

裘 爱 淑

(宁波天大工程设计有限公司, 浙江 宁波 315040)

0 引 言

爆炸及其引起的火灾事故严重威胁化工企业的生产安全。一旦发生爆炸事故,就会产生巨大的破坏作用,导致企业无法正常运转,甚至对社会造成不良影响。如8.12天津滨海新区爆炸事故是一个典型的案例,此次事故造成非常严重的后果,足见爆炸的危害程度。在化工企业中,许多生产装置的物料介质具有易燃、易爆的特性。根据多年的设计经验,在一些精细化工、医药化工及石油化工等企业中均存在大面积的爆炸危险区域。这种爆炸危险环境中,电气设备的火花、生产或操作过程中产生的静电通常是引起爆炸事故的主要原因。因此,严格、细致地划分爆炸危险场所的等级和危险介质的级别,经济、合理地选用防爆电气设备,做好静电接地设计工作,并辅以建筑物的防爆设计、加强通风等措施,以防止爆炸条件的形成和减轻爆炸危险的严重程度,是电气设计人员的职责。

1 爆炸性环境

现行的GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》[1]替换GB 50058—1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》,该规范对爆炸性环境作术语解释:在大气条件下,气体、蒸气、粉尘、薄雾、纤维或飞絮的形式与空气形成的混合物引燃后,能够保持燃烧自行传播的环境为爆炸性环境。电气设计人员对概念必须要有透彻的理解,包括对爆炸危险区域、释放源等概念。

在爆炸性气体环境中发生爆炸应同时存在3个条件:易燃气体、易燃液体的蒸气或薄雾;上述物质与空气混合,其浓度在爆炸极限以内;足以点燃爆炸性混合物的火花、电弧或高温。在电气设计中,应使产生爆炸危险的3个条件同时出现的可能性降到最低,这需要工艺、设备、电气等相关专业人员的严密配合。另外,还应考虑如果爆炸事故发生,怎样才能使损失降到最低。

2 爆炸危险区域等级和范围的划分

爆炸危险场所的划分首先要查找和确定释放源,根据释放源的等级,划分爆炸危险区域,并结合释放源所在处的通风条件调整区域划分。释放源通常为一些释放可燃物质的泵、压缩机、阀门、法兰、、取样点、连接处或管道接头处等。释放源的定位在设计中是由化工工艺专业完成的,工艺专业确定释放源后给电气专业提供释放源的位置及释放源介质情况的条件图,接着由电气专业根据相关规范来确定爆炸危险区域的划分。

根据爆炸性气体混合物出现的频繁程度和持续时间,可将爆炸危险区域划分为0区、1区、2区。根据工艺等相关专业提供的爆炸危险区域划分条件图和释放源的级别,对爆炸性气体环境进行爆炸危险区域划分:存在连续级释放源的区域,可划为0区;存在第一级释放源的区域,可划为1区;存在第二级释放源的区域,可划为2区。对于爆炸性粉尘环境,根据爆炸性粉尘环境出现的频繁程度和持续时间分为20区、21区、22区。

应注意的是,上述划分方式不是绝对的,其他方面的因素也可影响区域的划分,如还应根据通风条件调整区域划分:

(1) 当通风良好时,可降低爆炸危险区域等级;当通风不良时,应提高爆炸危险区域等级。

(2) 局部机械通风在降低爆炸性气体混合物浓度方面比自然通风和一般机械通风更有效时,可采用局部机械通风降低爆炸危险区域等级。

(3) 在障碍物、凹坑和死角,应局部提高爆炸危险区域等级。

(4) 利用堤或墙等障碍物,限制比空气重的爆炸性气体混合物的扩散,或缩小爆炸危险区域的范围。

一般,化工厂区中0区是不多见的,大多数爆炸区域为2区,在设计中应采取合理措施减少1区的出现,尽量降低爆炸危险性。

GB 50058—2014对爆炸性气体环境危险区域划分进行较详细的分析,并且在附录里有一些典型示例图。其他规范也对一些环境的爆炸区域范围进行分析和规定,如GB 50074—2014《石油库设计规范》对石油库内爆炸危险区域范围的划分,GB 50156—2015《汽车加油加气站设计与施工规范》对加油加气站的爆炸危险区域范围进行划分。事实上,爆炸危险区域的划分较复杂,影响爆炸危险区的等级域范围的因素很多,除按规范条文的规定,还应根据可燃物质的释放量、释放速度、沸点、湿度、闪点、相对密度、爆炸下限、障碍等条件,并且结合经验来确定。

国外咨询机构对某规模较大的化工企业厂区中的部分厂房做爆炸危险区域的分析报告,爆炸区域图明显比国内的爆炸危险区域范围要小,这与划分区域时分析情况的细致程度有关。有些设计人员直接按可燃物质比空气重,爆炸危险区域按15 m半径画;可燃物质比空气轻,爆炸危险区域按4.5 m半径画。实际上因多方面因素,爆炸区域范围也是不尽相同的。实际生产装置的工艺流程、设备布置、通风条件等情况各不相同,在具体设计中均需结合实际情况进行详细分析,才能确定更合理的爆炸危险区域范围,确保后续设计的可靠性、合理性。

特别要注意的是,爆炸区域划分时要尽量避免变配电所布置于爆炸危险区域范围内,尤其是厂区的总变配电所,如果位于爆炸区域内,不仅可靠性极差且成本也会提高,显然不合理。对于可燃物质比空气重的爆炸性气体环境,如果变配电所已避开爆炸危险区域2区,但还是位于爆炸危险区域场所附加2区内,则应该给土建专业提好条件,以确保其室内电气和仪表的设备层地面应高出室外地面0.6 m。设计中经常遇到的一种情况:化工厂区里时常会出现一个车间有大量的生产设备,用电量极大情况,需要在车间内设置附属的配电间。对于这种情况,GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第3.3.8条有明确规定:供甲、乙类厂房专用的10 kV以下的变、配电站,当采用无门、窗、洞口的防火墙分隔时,可一面贴邻,并应符合现行国家标准GB 50058—2014等标准的规定。实际情况中,当贴邻的一面用防火墙隔开后,配电间还是有可能会被划入到爆炸区域内,则可以根据实际经验作一些处理:如将车间内与配电间相近的窗作固定窗,尽可能避免把配电间划入到爆炸危险区域内。如果不可避免,可对配电间作正压通风处理或采取其他合理的措施。

对爆炸危险区域范围进行详细的分析后,就能准确画出爆炸危险区域划分图,这在电气设计中必不可少,作为在该区域范围内电气设备选型的重要依据。

3 爆炸危险区域范围内电气设备的选择

确定爆炸危险区域范围后,电气设备的选型是一项重要工作。爆炸性气体环境与爆炸性粉尘环境对电气设备的的防爆结构要求不一样。通常的防爆设备大多指在爆炸性气体环境中使用的设备,防爆等级可标注为ExdⅡBT4Ga、ExdⅡCT6 Gb等。而用于爆炸性粉尘环境的电气设备,可标注为ExiaⅢCT 120℃Da等。关于防爆等级标志,需要注意:应用于爆炸性粉尘环境的电气设备,将直接标出设备的最高表面温度,不再划分温度组别,因现行的规范中删除爆炸性粉尘环境电气设备的温度组别。

GB 50058—2014中增加设备保护级别概念,是指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而对设备规定的保护级别。爆炸性环境内电气设备保护级别的选择应符合国家规范规定,如表1所示。

表1 爆炸性环境内电气设备保护级别的选择

规范GB 50058—2014中对电气设备保护级别与电气设备防爆结构的关系作了描述,详细的情况可参见规范第5章节。

电气设备分为三类:Ⅰ类为用于煤矿瓦斯气体环境的电气设备;Ⅱ类为用于除煤矿甲烷气体之外的其他爆炸性气体环境的电气设备;Ⅲ类为除煤矿以外的爆炸性粉尘环境用的电气设备。

在设计中涉及到的主要为Ⅱ类、Ⅲ类电气设备。根据爆炸性环境的特性还可以分为ⅡA、ⅡB、ⅡC,ⅢA、ⅢB、ⅢC,ⅡA类的代表性气体是丙烷,ⅡB的代表性气体是乙烯,ⅡC的代表性气体是氢气。这是根据最大试验安全间隙值或最小点燃电流比来进行分类的。从ⅡA到ⅡC随着防爆电气设备的最大试验安全间隙和最小点燃电流比的逐级减小,其防爆要求逐级提高。

爆炸性气体环境中,爆炸性气体混合物的引燃温度是指可燃气体或蒸汽与空气形成的混合物在规定条件下被热表面引燃的最低温度。根据形成混合物的引燃温度,可以为电气设备选择相应的温度组别,从组别T1到T6随着引燃温度的降低,其电气设备的防爆要求逐级提高。

爆炸危险区域内电气设备的选择除考虑上述因素外,同时应考虑到周围不同环境(化学、机械、热、霉菌)的影响。

4 爆炸危险区域内防雷防静电接地措施

在有爆炸危险环境的化工厂区内,雷击、电火花及生产操作过程中产生的一些静电都是潜在的危险源,一旦发生以上情况都有可能会对生产造成很大的影响,甚至发生爆炸事故。因此在设计过程中必须考虑这些因素,并且采用有效措施。GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[2]第3.0.2、3.0.3条中对于存在爆炸危险区域0区、1区、2区和20区、21区、22区建筑物的防雷等级有明确规定。在对爆炸危险区图进行分析后,很容易对建筑物的防雷等级进行划分,并且进行相应的防雷设计。通常以爆炸危险区域2区的存在居多,则按照规定,具有2区爆炸危险场所的建筑物按应第二类防雷建筑物进行防雷设计。

关于爆炸性环境电力系统的接地设计,在规范中有一条为强制性条文。对于1 kV交流/1.5 kV直流以下的电源系统的接地应符合下列规定:TN系统应采用TN-S型;TT型电源系统应采用剩余电流动作保护器;IT型电源系统应设置绝缘监测装置。爆炸危险环境中,中性线与保护线不应连在一起或合并成一根导线,因此设计中为确保供电的可靠性,通常选用TN-S系统。

一般环境下的接地主要考虑保护人身安全,但在爆炸危险环境中,接地除保护人身安全外,还应能有效地防止爆炸事故的发生。爆炸性环境中静电放电可形成火源而酿成火灾爆炸,有时虽能量小不致酿成火灾爆炸,但也可能会引起电击,造成人员坠落摔倒等二次灾害。设计过程中工艺专业应考虑防静电的措施,电气专业应考虑静电接地。在爆炸危险区域内,设备的外露可导电部分应可靠接地;爆炸危险区域不同方向的接地干线应不少于两处与接地体连接。做接地设计时通常会采用联合接地,将厂区内建筑物的防雷接地和设备接地做成一个联合接地网,取最小的接地电阻作为要求达到的接地电阻值[3-4]。

防雷接地设计过程中有如下方面要特别注意。

(1) 为防止雷击电流流过独立避雷针时产生的高电位对设备发生反击,设备的接地装置与防止直接雷击的独立避雷针的接地装置应分开设置,并且保持一定的距离。

(2) 安装在已接地金属结构上的设备仍应进行接地。根据现行规范GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》,安装在已接地金属结构上的设备不需要再作设备接地,但在爆炸性环境中装在已接地的金属结构上的设备仍应进行接地。在很多化工厂房中都会有钢平台,钢平台上会放置一些金属材质的反应釜、泵等设备,很多企业里的电气人员甚至有少数设计人员会认为钢平台已经接地,钢平台上的设备就不需要再另外接地。这是错误的认识,按规范要求,这些设备还是必须要做防静电接地措施。

5 结 语

爆炸危险环境内电气设计涉及到的内容多,也有较多特殊的要求。电气设计人员必须要严格按照国家规范和相关设计手册的要求,结合现场实际情况进行合理的电气设计,避免因设计缺陷而引起爆炸事故。

[1]爆炸危险环境电力装置设计规范:GB50058—2014[S].

[2]建筑物防雷设计规范:GB50057—2010[S].

[3]爆炸危险环境电气线路和电气设备安装:12D401-3[G].

[4]汪寿建.化工厂公用设施设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000.