垃圾焚烧发电工程的电气防爆设计研究

汤森垲 张 科

（中国联合工程有限公司）

0 引言

垃圾焚烧发电过程非常复杂， 其中包含较多的工序， 而且涉及较多的风险点， 因此突出了垃圾焚烧发电厂电气防爆设计工作的重要性， 通过完善电气防爆设计工作， 有利于顺利开展相关生产， 并且保障生产过程的安全性， 避免发生安全事故。

1 电气防爆设计简介

开展电气防爆设计工作， 主要是针对爆炸危险性区域的电气系统和设备。爆炸主要包括物理性爆炸和化学性爆炸【1】， 物理爆炸和化学爆炸的区别主要有三个方面： 定义不同； 爆炸的能量来源不同， 爆炸的发生过程不同。物理爆炸是指物理变化引起的能量来自于相变能运动能等繁荣爆炸； 化学爆炸是指有化学变化引起的能量来源是化学反应能的爆炸。本文主要是分析垃圾焚烧发电厂化学性爆炸的电气设计工作。

1.1 防爆区域

防爆区是电力系统在进行防爆设计时， 首先要确定的一个要素， 它是一种有爆炸危险的场所。在大气环境中， 易燃性物质以气体、 蒸汽、 粉尘、 薄雾、 纤维或飞絮的形式， 与空气构成的混合物， 在被点燃之后， 还可以维持其自身传播的状态。根据相关规范可以将防爆区域分为下列6个类别【2】：

爆炸性气体环境应根据爆炸性气体混合物出现的频繁程度和持续时间分为0 区、 1 区、 2 区， 分区应符合下列规定：

0 区应为连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境；

1 区应为在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境；

2 区应为在正常运行时不太可能出现爆炸性气体混合物的环境， 或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境。

爆炸危险区域应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， 分区应符合下列规定：

20 区应为空气中的可燃性粉尘云持续地或长期地或频繁地出现于爆炸性环境中的区域；

21区应为在正常运行时， 空气中的可燃性粉尘云很可能偶尔出现于爆炸性环境中的区域；

22区应为在正常运行时， 空气中的可燃粉尘云一般不可能出现于爆炸性粉尘环境中的区域， 即使出现， 持续时间也是短暂的。

爆炸区不能实施明火作业， 但是由于垃圾焚烧电站是一个自动化程度很高、 结构很复杂的系统， 不可避免得会有很多电气设备在易燃易爆的环境中工作。在运转的时候， 电气设备会有发热甚至是电火花的现象， 在特定的情况下， 就会引发爆炸的环境， 给人和设备带来了很大的安全隐患。所以， 采用防爆电气设备是很有必要的。

1.2 防爆电气设备

防爆电气设备是在特定的防爆条件下， 可以进行安全操作的设备。为了保证设备的安全、 可靠， 在进行防爆电气设备的设计时应充分考虑其工作环境中的危险因素。本文介绍了防爆电气设备的几个特征： ①防爆构造： 为了使电气设备在有爆炸危险的情况下能使用特定的防爆构造。防爆结构由外壳， 防爆元件，防爆配线等组成.②防爆水平： 防爆电气设备必须根据其防爆水平来进行相应的防爆水平， 保证其在各种防爆条件下均能正常工作。防爆级别有 IC、 IIC、 IIIC等。②抗爆能力： 抗爆电气设备必须具有较强的抗爆能力， 也就是在某一特定的爆破力作用下， 可以平稳地工作， 而且不会出现爆炸物等事故【3】。其抗爆能力与设备的设计， 材料和制造工艺密切相关。③防爆标志： 对有爆炸危险的电气设备， 应在醒目的地方标明其爆炸危险程度及爆炸危险区域， 供使用者选用。④耐爆试验： 耐爆电气设备必须经耐爆试验， 确认其满足耐爆性能， 并能在耐爆的工作条件下正常工作。防爆试验主要有防爆性能试验、 防爆泄漏试验、 防爆破坏试验等。因此， 为了保证在有爆炸危险的情况下，在设计、 制造及使用时， 必须要将爆炸危险因素纳入到设计、 制造及使用中， 才能保证设备在爆炸危险条件下的安全工作。

防爆电气设备通常可以被划分成本质安全型、 隔爆型和增安型等类型。本质安全型 “i” 是指在电气设备及连接线路中， 将接触到易爆气体的电子能量控制在不会因火星或高温而被引燃的范围之内。防爆电气设备 “d” 是指带有防爆式外罩的电气设备， 该外罩能够经受住易燃物质的内爆而不被破坏， 而且不会因外罩上的任何连接表面或构造孔洞而引起一种或几种以上的气体或蒸汽的自燃而引起的外界易爆的电气设备 “e” 是对一般工作状态下无电弧和火花的电气设备。以工程运行条件为基础， 合理划分防爆区域， 并且在不同的区域利用不同的防爆电气设备， 有利于保障电气防爆设计效果【4】。

2 垃圾焚烧发电厂防爆设计原则

与火电厂相比， 垃圾焚烧发电厂因其所用的燃料特性， 在其工作条件上也有一定的特殊性。现在， 随着垃圾焚化炉的日产量越来越大， 堆场中的废物储量也越来越大。目前， 国内垃圾分类系统尚不健全， 垃圾组分较为复杂， 且在运输和储存时易产生甲烷、 氨气、 H2S等易燃易爆气体， 使得垃圾运输、 储存及处置的地区极易形成易燃易爆环境。设计人员要明确工程的防爆范围， 做好相应的电气防爆设计工作。

2.1 垃圾焚烧发电厂爆炸性环境危险源识别

垃圾焚烧发电厂爆炸性环境主要包括以下三个方面： 一是垃圾自身产生的可燃气体， 二是常规烟气净化处理阶段使用的氨水， 三是利用的燃油等。因此上述区域应该被划分为防爆区域【5】。

2.2 项目实例

某生活垃圾焚烧发电厂设计方案中设计的防爆区域主要包括垃圾卸料平台和垃圾储存平台以及渗沥液收集池、 处理站等。

3 现存问题

3.1 设计划分不明确

在施工图设计中， 涉及到防爆区域的专业可能包括电气、 水工、 消防、 暖通和机务等， 但是在具体的设计过程中， 往往会出现各个专业的设计方案中， 对防爆区域的理解存在着差异， 这就导致了在工程设计中并没有一个清晰的、 统一的防爆区域。这将给后续设备采购， 现场施工， 甚至投入运营带来诸多不便。所以， 要进行好的计划编制工作， 就必须对爆炸分区进行清楚的认识。此外， 与燃煤热电厂相比， 垃圾焚烧发电厂的发展历史还比较短暂， 有关的技术和标准也没有很好的完善， 各个设计公司都是根据自己过去所累积的经验来进行设计， 这就很可能会因为对危险源的认识不清而引起的设计失误【6】。

3.2 防爆区域评定不具体

在确定了需要进行防爆设计的地区之后， 还要对每一个危险区作 “0 区” 、 “1 区” 、 “2 区” 等评价。在实际施工过程中， 许多设计单位都没有注意到这一点， 他们以为把危险区划分出来， 在这一范围内进行正常的防爆设计就可以。但是， 这样的 “通用” 设计通常并不适用。如果只因为生产车间内局部存在正常生产过程中长期出现爆炸性介质的环境而将整个生产车间内设备均按0 区 （20 区） 选型将导致电气设备的防爆选型及相应的土建设计提高标准， 从而造成不必要的浪费； 当时将整个生产车间设备均按2 区（22区） 或非防爆区选型又存在安全风险。以一个城市生活垃圾焚烧发电项目为例， 在进行活性炭车间的设计时， 活性炭舱体内部长时间存在活性炭粉尘， 爆炸危险性较高， 但由于活性炭舱体壁厚等均满足本质安全型设备的要求， 因此活性炭舱体外正常情况下不存在爆炸危险性， 但是存在上料和退料的过程， 此过程中存在较低的爆炸危险性， 结合上述， 活性炭舱体内部及相关设备按20区进行选型， 活性炭车间内其余部分电气设备按22区防爆区域选型。因此， 实际项目中要结合实际的生产运营状况进行详细的分析， 对危害范围进行准确的评估， 并选择相应的防爆级别和型号的电气设备。

3.3 设计方案与科技发展不同步

垃圾焚烧发电厂的设计， 是从火力发电厂继承下来的， 在过去的数十年中， 它的发展， 让它有了一种固定的想法， 但是， 在技术飞速发展的今天， 它的一些设计， 甚至是一些标准， 都不适合现在的市场。比如， 在生活垃圾焚烧炉中， 通常会设置一个蓄电池组， 在发生突然停电的情况下， 充当不间断电源的供电。普通的铅酸蓄电池存在氢气泄露， 因此蓄电池室需要按防爆区考虑， 但现如今随着技术的发展， 普通铅酸蓄电池以逐步退出市场， 取而代之的是安全的阀控式铅酸蓄电池， 不存在氢气泄露问题， 因此蓄电池室不需要按防爆区进行设计， 出于相关规范的约束，室内电气设备仍然考虑防爆设计， 且不设置插座， 但土建可按常规考虑， 节省土建成本。在设计中， 不仅要有 “安全底线” 的观念， 还要结合科技发展， 保证设计方案符合工程实际情况【7】。

4 垃圾焚烧发电厂的电气防爆设计途径

4.1 对电气设备的规定

第一， 电力设计者要根据实际的工程条件， 进行科学的防雷设计， 尽量将那些在使用过程中会发生雷击或电火花的电气设备置于危险区域以外， 从而减少其发生爆炸的概率， 从而保证电力设计的安全性和合理性。第二是根据垃圾焚烧发电厂的生产安全需求，尽量减少在具有爆炸气体的环境中设置电气设备。第三， 在爆炸危险区域内， 电气设备的防爆设计要符合各项法规的规定， 并且， 在设计中采用的新技术， 必须确保电气设备的防爆能力达到标准。同时， 还要保证设计和安装人员自身具有一定的技术和技术， 但要尽可能不使用便携式电器， 以免出现危险。

4.2 正确选用电气设备

在进行电气设备选型时， 要综合考虑电气设备的爆炸危险区域划分、 电气设备的类型及防火构造等。

在这些措施中， 防爆电气设备的等级和组别都不能低于爆炸气体环境中的气体混合物的等级和组别，从而可以更好地保障电气设计的安全。同时， 在易燃易爆地区， 电力设施的使用也必须符合易爆易爆的要求。如在选用正压型电气设备和通风装置时， 应当按照特定的需要来进行， 必须采用非燃性电气设备连接通风系统， 并在设备运转之前进行通风， 仅在通风量大于电气设备与通风系统容量5 倍的情况下， 才能与电气设备的主电源相连， 最重要的是， 在电气设备运转时， 流入的空气中必须不含有可燃性的东西， 并且必须在电气设备上设有多个排气口， 并与通风系统相连【8】。

4.3 电力线缆的布线

第一， 电力线缆要尽量铺设在远离放电源头的位置， 并且要用不燃的物质来封闭所铺设的导线和线缆以及挖掘出来的水沟， 避免出现事故。其中， 当电力线缆铺设路径与可燃性燃气管线不可避免的重合时，应确保电力线缆的敷设与可燃性其他管道的间距满足规范要求， 除此之外若可燃性物质比气体重量大， 应将电力线缆铺设在可燃性燃气管线之上； 反之则应将电力线缆铺设在可燃性燃气管线之下， 尤其是在电力线缆的中间接头处尤为重要， 需着重关注， 并采取必要的防爆措施。第二， 对于垃圾焚烧发电厂内有爆炸风险的情况下， 要确保所用的低压电源和照明线路的绝缘线缆的标称电压必须高于工作电压， 且不能小于500 Ⅴ， 必要是采用阻燃或耐火线缆从而降低爆炸的概率。第三， 在有爆炸气体的情况下， 应按需要选取绝缘电线及电缆断面。例如， 导线的容许负载必须大于保险丝容量的1.25倍。

5 结束语

在垃圾焚烧发电工程的电气设计中， 防爆电气设计只占很少的一部分， 但由于防爆电气设备常与工作人员及设备的操作安全密切相关， 不可被忽略。在进行设计工作的过程中， 各个相关专业的设计人员应该相互协作， 实现对危险源的精准识别， 对防爆区进行精准的划分， 对装备进行科学的选择， 这样才可以在确保安全的同时， 还可以对社会和经济效益进行有效的提升。