發(fā)電廠制氫站電氣設(shè)計(jì)探討

陸建鶯，牛 麗

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094)

氫氣具有密度小，熱傳導(dǎo)率高的特點(diǎn)，發(fā)電機(jī)采用氫冷卻可提高發(fā)電機(jī)效率。當(dāng)發(fā)電廠發(fā)電機(jī)冷卻方式為“水氫氫”或全氫冷時(shí)，需為其設(shè)置供氫系統(tǒng)。寧東矸石電廠2×330MW機(jī)組采用自備氫氣站的供氫方式，該制氫站主要建筑有氫氣貯存罐間、電解間、輔助間、化驗(yàn)間、電氣控制間等，其中電解間、氫氣貯存罐間存在爆炸危險(xiǎn)，火災(zāi)危險(xiǎn)性類別為甲級(jí)，爆炸危險(xiǎn)類別為Q-2。發(fā)電廠一旦發(fā)生火災(zāi)或者爆炸事故，輕則毀壞電廠設(shè)備及建筑物，重則中斷電力供應(yīng)，且恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，將對(duì)人們的生產(chǎn)、生活造成巨大影響，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，制氫站的安全設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)電廠的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1 制氫站照明設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 照明箱

按照規(guī)程規(guī)定，在有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所，不應(yīng)裝設(shè)照明配電箱，應(yīng)將其裝設(shè)在附近正常環(huán)境的場(chǎng)所。本工程將照明箱裝于電氣控制間，既保證照明箱安全性，又滿足了就近控制的要求，照明箱安裝高度以箱底距地面1.5m為宜。該照明配電箱的防爆出線回路，應(yīng)裝設(shè)雙極開關(guān)。

選擇照明箱型號(hào)時(shí)，應(yīng)考慮留有適量的備用回路(約占照明箱回路數(shù)的1/4至1/3)。應(yīng)急照明充電檢測(cè)回路可加裝單相開關(guān)，工作時(shí)閉合，檢修時(shí)打開，接線方式見圖1。

圖1 應(yīng)急照明回路接線方式

1.2 防爆燈具

有爆炸危險(xiǎn)的房間，其光源應(yīng)使用防爆熒光燈等高效光源，燈具宜裝在較低處，并不得裝在氫氣釋放源的正上方。

安裝于制氫站圍墻以內(nèi)、制氫站房間外的工廠燈、吸頂燈、開關(guān)等均需選用防爆型，以避免或減輕發(fā)生事故時(shí)遭到破壞。如果建筑物房間內(nèi)有吊頂，應(yīng)避免燈具安裝的位置與吊頂柵格沖突(該工程電氣控制間裝有吊頂)。燈具不宜裝在電氣、儀控等盤柜正上方。

1.3 燈具開關(guān)

在有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所，不宜裝設(shè)開關(guān)及插座，當(dāng)需要裝設(shè)時(shí)，應(yīng)選用防爆型開關(guān)及插座。防爆燈配置雙極開關(guān)，且開關(guān)裝于室外進(jìn)行控制。

1.4 照明線路

發(fā)電廠和變電站照明設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定：在有爆炸危險(xiǎn)或有可能受到機(jī)械損傷的場(chǎng)所，照明線路應(yīng)采用銅芯絕緣導(dǎo)線穿鋼管明敷。管內(nèi)敷設(shè)多組照明導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線的總數(shù)不應(yīng)超過6根。在有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所，管內(nèi)敷設(shè)的導(dǎo)線根數(shù)不應(yīng)超過4根。

對(duì)于防爆應(yīng)急照明回路，照明箱出線共4根線，其中防爆照明3根(一根為專用接零線)，應(yīng)急照明充電線1根。裝有防爆燈具的回路與非防爆回路分開布置。不同類型回路的照明箱接線見圖2。

圖2 不同類型回路接線方式

由于防爆回路中裝有防爆應(yīng)急照明燈具，因此，需要在防爆設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加裝單相開關(guān)，如圖2中防爆回路所示。由照明箱引至氫氣罐間的照明回路，也需進(jìn)行防爆安全保護(hù)，可穿水煤氣管引至氫氣罐間門口。

2 制氫站電纜敷設(shè)

電纜設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定：有防爆、防火要求的明敷電纜，應(yīng)采用埋砂敷設(shè)的電纜溝。因此，寧東矸石電廠制氫站采用電纜溝敷設(shè)電纜。

寧東制氫站電氣控制間設(shè)置一臺(tái)壁掛式氫氣檢漏報(bào)警儀，電解間風(fēng)機(jī)、貯氫罐間風(fēng)機(jī)均與氫氣檢漏報(bào)警儀連鎖，當(dāng)空氣中氫氣濃度超過0.4%時(shí)，連鎖裝置啟動(dòng)。

有火災(zāi)及爆炸危險(xiǎn)的房間內(nèi)不宜設(shè)計(jì)電纜溝與廠區(qū)電纜溝接口，應(yīng)使電纜溝出口端閉合，以避免發(fā)生火災(zāi)與爆炸危險(xiǎn)時(shí)造成事故蔓延。

3 防雷設(shè)計(jì)

發(fā)電廠和變電所有爆炸危險(xiǎn)且爆炸后可能波及發(fā)電廠和變電所內(nèi)主設(shè)備或嚴(yán)重影響發(fā)供電的建筑物，應(yīng)用獨(dú)立避雷針保護(hù)，并應(yīng)采取防止雷電感應(yīng)的措施。

首先應(yīng)根據(jù)避雷針高度和建筑物高度計(jì)算保護(hù)范圍半徑，當(dāng)采用單根避雷針時(shí)，地面上保護(hù)范圍計(jì)算公式如下：

r = 1.5hp

式中：r為保護(hù)半徑/m；h為避雷針的高度/m；P為高度影響系數(shù)。

按照規(guī)程規(guī)定，h≤30m時(shí)，P=1；30m＜h≤120m時(shí)，P=5.5/；h＞120m時(shí)，取其等于120m，本工程中獨(dú)立避雷針的高度為30m。

制氫站內(nèi)被保護(hù)建筑物高度hx水平面上的保護(hù)半徑按以下公式計(jì)算：

⑴ hx≥0.5h時(shí)，

rx= (h-hx) p = hαP

式中：rx為避雷針在hx平面上的保護(hù)半徑/m；hx為被保護(hù)建筑物的高度/m；ha為避雷針的有效高度/m。

⑵ hx＜0.5h時(shí)，

rx= (1.5h-2hx) p

按照《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》、《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)定，避雷針安裝位置的確定需遵循以下原則：

①獨(dú)立避雷針及集中接地裝置與道路的距離或建筑物的出入口等不宜小于3m，否則采取均壓措施，或鋪設(shè)礫石或?yàn)r青地面，也可鋪設(shè)混凝土地面。

②獨(dú)立避雷針接地裝置(埋深1.5m)與接地網(wǎng)及地下管道的地中距離不小于3m。

③避雷針與罐體呼吸閥的水平距離不應(yīng)小于3m。

④避雷針的保護(hù)范圍邊緣高出呼吸閥頂部不應(yīng)小于2m。

⑤避雷針與自然通風(fēng)口的水平距離，不應(yīng)少于1.5m，與強(qiáng)迫通風(fēng)口的距離不應(yīng)少于3m，與放空管口的距離不應(yīng)少于5m，避雷針的保護(hù)范圍應(yīng)高出管口1m以上。

本工程中，制氫站圍墻外側(cè)置有兩個(gè)點(diǎn)火油罐，安裝了兩支等高避雷針對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。為了達(dá)到聯(lián)合保護(hù)、擴(kuò)大保護(hù)范圍的目的，在滿足制氫站建筑保護(hù)范圍的條件下，制氫站區(qū)域的避雷針盡量靠近油罐方向，以配合油罐區(qū)域避雷針進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)。計(jì)算表明，聯(lián)合保護(hù)取得了良好的防雷效果。

制氫站區(qū)域大門旁需安裝一套觸摸式靜電消除器，用于消除進(jìn)入制氫站人員身體攜帶的靜電，減少人體靜電對(duì)制氫站設(shè)備造成的危險(xiǎn)。

4 接地設(shè)計(jì)

接地按用途可分為工作接地、保護(hù)接地、雷電保護(hù)接地、防靜電接地4種，為了保護(hù)建筑物和電氣設(shè)備的安全，需通過接地裝置將雷電流、靜電等導(dǎo)入大地。寧東矸石電廠土壤電阻率為85～95Ω·m。

⑴ 設(shè)計(jì)時(shí)需遵照以下原則：

①水平接地體與建筑物外墻的距離不宜小于1.5m。

②室內(nèi)接地線沿建筑物墻壁水平敷設(shè)時(shí)，離地面宜保持 200～250mm的距離，不沿墻時(shí)埋入地面，接地線與建筑物墻壁間應(yīng)有10～15mm的間隙。

③室內(nèi)接地體至少兩點(diǎn)與室外接地體牢固焊接。

④垂直接地極的間距不應(yīng)小于其長(zhǎng)度的兩倍，水平接地極的間距不宜小于5m。

⑤獨(dú)立避雷針宜設(shè)獨(dú)立的接地裝置。當(dāng)其接地電阻超過10Ω或者其接地裝置與主接地網(wǎng)之間距離不能滿足《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》DL/T620-1997中7.1.11b)要求時(shí)，其接地裝置可與主接地網(wǎng)連接，見圖3，避雷針通過集中接地裝置與接地網(wǎng)相連。

圖3 獨(dú)立避雷針接地布置圖

⑥貯氫罐的四周應(yīng)設(shè)閉合環(huán)形接地體(接地電阻不應(yīng)超過30Ω)，罐體的接地點(diǎn)不應(yīng)少于兩處，接地點(diǎn)間距不應(yīng)大于30m。

⑦人工接地網(wǎng)外緣應(yīng)閉合，外緣各角應(yīng)做成圓弧形，圓弧的半徑不宜小于均壓帶間距的一半。

⑧為便于施工，設(shè)計(jì)時(shí)垂直接地體的位置盡量避免與水平接地體的交接處重合。

⑵ 對(duì)接地裝置進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

①接地扁鋼埋深1.5m。

②在接地線引進(jìn)建筑物的入口處，應(yīng)設(shè)標(biāo)志。明敷的接地線表面應(yīng)涂15～100mm寬度相等的綠色和黃色相間的條紋。

③不能保持良好電氣接觸的閥門、法蘭、彎頭等管道連接處也應(yīng)跨接，跨接線采用直徑不小于8mm的圓鋼；

④金屬罐罐體鋼板的接縫、罐頂與罐體之間以及所有管、閥與罐體之間應(yīng)保證可靠的電氣連接。

⑤接地裝置邊緣處的道路或入口處應(yīng)設(shè)帽檐式均壓帶，需鋪設(shè)礫石或?yàn)r青路面。

⑥為了防止接地線遭受機(jī)械損傷，在接地線與電纜管道或鐵道交叉處及其他有可能使接地線遭受機(jī)械損傷之處，均應(yīng)用管子或角鋼加以保護(hù)。

⑦管道及金屬橋臺(tái)應(yīng)在其始端、末端、分支處以及每隔50m處設(shè)防靜電接地，鶴管應(yīng)在兩端接地；

⑧凈距小于100mm的平行或交叉管道，應(yīng)每隔20m用金屬線跨接。

5 制氫站防火封堵措施

由于氫氣密度比空氣小，且擴(kuò)散速度快，一旦發(fā)生泄露易積聚在設(shè)備、容器、建筑物的頂部。純氫在空氣中遇到明火會(huì)燃燒，進(jìn)而引起火災(zāi)甚至爆炸；氫氣與空氣(或氧氣)達(dá)到一定的混合比，遇明火也會(huì)發(fā)生爆炸[1]。

發(fā)電廠火災(zāi)多發(fā)生在電纜溝和電纜隧道內(nèi)，電纜通過電纜溝道分布到機(jī)房、主控室和室外設(shè)備，一旦發(fā)生險(xiǎn)情，將造成起火迅速，火勢(shì)兇猛，極易蔓延擴(kuò)大，且煙氣有毒，撲救困難，直接對(duì)人員生命構(gòu)成威脅。因此，除執(zhí)行安全操作外，發(fā)電廠做好有效的防火措施至關(guān)重要。

需要對(duì)電纜通道進(jìn)行防火封堵的部位如下：

⑴ 各類表盤與配電屏的電纜孔洞及各層樓板的電纜留孔；

⑵ 輔助車間內(nèi)部電纜通道通向廠區(qū)的所有接口；

⑶ 各輔助車間的電纜進(jìn)入表盤的洞孔；

⑷ 廠區(qū)電纜溝道和隧道直線段不大于100m為一個(gè)防火分隔點(diǎn)；

⑸ 廠區(qū)大型排管的人孔井的管口；

⑹ 廠區(qū)電纜構(gòu)筑物中的高壓電纜中間接頭和終端頭等。

按照以上規(guī)定，制氫站區(qū)域需要進(jìn)行封堵的部位有：電纜溝穿建筑物墻的洞口、盤柜底部電纜出入口。

由于阻火包價(jià)格相對(duì)較低，在施工時(shí)常用于室外電纜溝的封堵。但阻火包存在煙密性差，浸水后防火性能失效的缺點(diǎn)，因此，從安全性與經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，可使用阻火包、防火灰泥、礦棉共同進(jìn)行封堵。

盤柜底部電纜留口宜使用防火涂層板系統(tǒng)進(jìn)行封堵，其表面涂刷一定厚度的防火涂料，縫隙處以防火密封膠填充。為保證防火涂層板系統(tǒng)的牢固性，其下方使用圓鋼進(jìn)行支撐與固定。

6 結(jié)論

本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與工程施工標(biāo)準(zhǔn)，以神華寧煤寧東矸石電廠一期2×330MW機(jī)組工程制氫站為例，全面概述了發(fā)電廠自備制氫站的電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

由于制氫站的安全直接關(guān)系到整個(gè)發(fā)電廠的安全運(yùn)行，本文重點(diǎn)針對(duì)設(shè)計(jì)過程中的防火防爆設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)照明燈具與照明線路的防爆設(shè)計(jì)、電纜防爆設(shè)計(jì)、制氫站區(qū)域的防雷與接地設(shè)計(jì)、防火封堵設(shè)計(jì)等作了詳細(xì)介紹，以確保電氣部分設(shè)計(jì)的合理性，從而提高電廠運(yùn)行的安全性。

[1]王立國(guó).發(fā)電廠氫系統(tǒng)著火爆炸的防止對(duì)策[J].電力安全技術(shù)，2001，3(5).

[2]穆冬梅.氫冷發(fā)電機(jī)供氫系統(tǒng)方案選擇[J].中國(guó)電力，2001，34(6).

[3]余浩.火電廠供氫系統(tǒng)方案選擇[J]，電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2008，12(6).