城市综合管廊中爆炸危险区域划分的分析和建议

褚 震 杰

[上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司, 上海　200125]

0　引　言

城市综合管廊又叫共同沟,是实施统一规定、设计、施工和维护,建于城市地下用于敷设所有的给排水、热力、燃气、电力、通信及广电等基础市政管线的市政公共设施,有着避免道路重复开挖、延长各类管线使用寿命、减少资源损耗等优势。随着国家大力推行城市综合管廊的建设,全国各地新建项目此起彼伏,但针对城市地下综合管廊设计的规范方面还有所欠缺,尤其是燃气舱中敷设的燃气管道,其存在威胁人身安全的可能性。

本文结合国家防爆安全的相关标准,对城市综合管廊中燃气舱的电气设计进行探讨和研究。

1　设计依据

城市综合管廊电气设计的国家规范依据是GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》[1],关于防爆设计的描述在第7.3.4条第4项“天然气管道舱内的电气设备应符合现行国家标准《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB 50058有关爆炸性气体环境 2区的防爆规定”。

2　电气专业在划分爆炸危险区域时责任

在设计阶段严格按照规范要求,避免设计上的隐患。电气设计在整个项目的爆炸危险区域划分中起到承上启下的枢纽作用。首先是接收、分析工艺专业提供的有关可燃气体性能、设备及环境条件等专业性的技术参数;然后严格按照国家标准进行防爆区域图的绘制,在得到工艺专业的确认后将此防爆区域图提供给其他相关专业,给其他设备防爆选型提供依据;最后在会签阶段,确认其他专业防爆设备选型的准确性。

3　爆炸危险区域划分电气设计的一般步骤

(1) 城市综合管廊设计中爆炸危险区域划分的必要性。爆炸危险区域划分是为了保障人身和财产的安全,应因地制宜地采取防范措施。城市综合管廊燃气舱作为地下密封结构,一旦发生爆炸事故,将会产生大量的能量;其作为一个贯通城市的市政建筑,发生事故时容易对人身和财产造成巨大的危害。基于防爆设计的初衷,贯彻预防为主的方针,对城市综合管廊燃气舱进行爆炸危险区域划分设计有利于保障人身和财产的安全。

(2) 释放源。可释放出能形成爆炸性混合物的物质所在的部位或地点称为释放源。城市综合管廊燃气舱中敷设的燃气管道存储、输送大量可燃气体,其管道连接的法兰、接口等连接和转弯处容易不密封或损坏,可认为其为释放源;出于安全考虑,结合城市综合管廊燃气舱通长密封的特性,将整个燃气管定义为释放源更安全、可靠。

(3) 防爆危险区域的划分。根据GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》[2]中第1.0.4条“爆炸危险区域的划分应由负责生产工艺加工介质性能、设备和工艺性能的专业人员和安全、电气专业的工程技术人员共同商议完成”。而GB 3836.14—2014《爆炸性环境 第14部分:场所分类 爆炸性气体环境》[3]中提到“场所分类应由懂得可燃性物料性能的相关性和重要性、熟悉设备和工艺性能的专业人员进行”。

因此,电气专业进行爆炸危险区域的设计时需由工艺专业提供可燃性物料性能和环境等资料(GB 3836.14—2014中危险场所分类数据表C.1、表C.2)作为设计依据

根据GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》中第3.2.3条释放源分级规定,燃气管道符合第3项“二级释放源应为在正常运行时,预计不可能释放,当出现释放时,仅是偶尔和短期释放的释放源。”

燃气管道中可燃性物质通常为天然气,其主要成分为甲烷,还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等,根据GB 50058—2014续表C,甲烷可燃性气体分级级别为IIA,引燃温度组别为T1;少量混合气体中,硫化氢级别最高,为IIB,引燃温度组别为T3,出于安全考量,可按照混合气体考虑燃气级别为IIB,引燃温度组别为T3。

通风等级的评定应由暖通专业进行界定,通风的有效性影响到危险区域等级的划分。燃气舱为地下建筑,其自然通风忽略不计,故燃气舱的通风有效性取决于其人工通风的可靠性和有效性。一般在设计上考虑有效台数的备用风机;在电气设计上考虑采用就地双切箱进行供电;在故障情况下风机能继续正常工作,且设计时满足规范要求的每平方米地板每分钟至少提供0.3 m3的空气或至少1 h换气6次(假定燃气舱的通风有效性良好)。

危险场所的区域范围一般根据GB 50058—2014附录B的典型示意图进行划分,或由工艺专业直接提供。燃气舱释放源为燃气管道,可燃性介质为比空气轻的天然气,在假定其通风良好的情况下,危险场所的区域范围可参考典型示意图中第13及15项进行划分。其他舱室为无释放源的生产装置区与燃气舱间,采用非燃烧体的实体墙隔开,结合典型示意图的前置条件以及划分规定,综合燃气舱的实际环境条件及特性。以某两舱管廊项目为例,综合管廊标准段爆炸危险区域划分如图1所示。

图1　综合管廊标准段爆炸危险区域划分

综合管廊标准断面爆炸危险区域划分如图2所示。

综合管廊的标准段有实体墙隔开,仅燃气舱整舱划为2区,其他舱室按照非爆炸危险区域考虑。对于联通燃气舱的进排风口,除了燃气舱划为2区,上部的通风井同样划为2区考虑;而地面以上为露天部分,自然通风良好;进风口处地表以上类似于正压空间,可燃气体不易溢出[4-5];排风口处其内部的机械通风持续运行,可燃气体排出后在地表以上被吹散,不易聚集,所以爆炸危险区域划分图中将地表以上划为非爆炸危险区域。标准段内部分节点会考虑设置排水泵,泵坑根据GB 50058—2014中“在障碍物、凹坑和死角处,应局部提高爆炸危险区域等级”条款,将其局部提高为1区,其余区域均按照2区考虑。

图2　综合管廊标准断面爆炸危险区域划分

爆炸危险区域划分图由电气专业绘制完成后,由提资的工艺专业进行确认可燃气体的相关参数运用的正确性,确认无误后,爆炸危险区域划分图将作为整个项目防爆区域划分以及防爆设备选择的依据。

(4) 对爆炸危险区域划分图的后续设计运用。爆炸危险区域划分图完成后,由电气专业以提资的形式给到各个设计专业,各个专业以此为基础进行后续相关设计。

电气专业在综合管廊设计中,整个电气系统包含变压器、配电箱、就地双切箱、检修插座箱、照明灯具和各种开关、操作按钮等设备。根据GB 50058—2014中第5.1.1条“爆炸性环境的电力装置设计宜将设备和线路,特别是正常运行时能发生火花的设备布置在爆炸性环境以外。当需设在爆炸性环境内时,应布置在爆炸危险性较小的地点”,设备布置时将变压器、配电箱、就地双切箱等变配电设备设置在爆炸危险区域划分图的非爆炸危险区域。

在设计照明系统的灯具和开关以及必要的检修插座箱等时,在爆炸危险区域内应选用防爆设备。防爆设备的选用应确定保护级别(EPL)、设备类别及温度组别等要求: ① EPL根据GB 50058—2014中表5.2.2-1,按照危险区域等级进行选择;确定EPL后,再根据GB 50058—2014表5.2.2-2对产品的防爆形式进行确认,确保电气设备防爆结构能满足项目的实际需求;② 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,利用爆炸危险区域划分图中可燃性气体分级级别等参数,根据GB 50058—2014表5.2.2-3-1、表5.2.2-3-2来确定电气设备的类别和温度组别。

设计电气线路时,应参考爆炸危险区域划分图中的爆炸危险区域与非爆炸危险区域的边界划分,对穿越不同区域的线路应进行保护、封堵和特殊处理;针对爆炸危险区域内的线路敷设,设计应满足GB 50058—2014中5.4章节的条款要求。

4　实际设计中遇到的困难

在城市综合管廊设计中,燃气管道属于燃气公司负责,工艺专业无法得到、提供相关参数;管廊项目由土建专业主导,无工艺系统上的设计需求,因而危险场所分类表制作比较困难;由于规范的不完善以及现场案例的不足,爆炸危险区域的划分只能按照化工装置的典型案例进行类比参考。综合管廊属于地下空间设施,类比地上的建筑进行设计无疑很多数据、状况无法吻合,影响电气设计的准确性;通风的有效性在规范GB 3836.14—2014中附录B有相关的计算公式进行计算,目前实际设计中仅按照至少1 h换气6次来确定通风状况良好。

5　结　语

城市综合管廊电气系统比较简单,在爆炸危险区域设计时仅需考虑燃气舱,各项目的释放源、可燃气体也基本类同,认为可以在制定防爆规范时新增燃气舱的典型划分图或在国家标准GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》中增加燃气舱的防爆具体针对性条款。

随着城市、社会的不断发展,城市综合管廊将会大量地建设、服务于更多的城市和地区,而最近提倡的智慧城市、人工智能的理念和技术将运用到综合管廊中,而对爆炸区域的划分这些新技术将会提供更多的检测、预防和防范措施和条件,让电气设计时有更多的手段规避危险。