地埋式污水處理廠的電氣自控防爆設(shè)計(jì)

肖 亮，趙穎然（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051）

1 引言

深圳某污水處理及回用工程建設(shè)規(guī)模為9000立方米/天，本工程采用A2O與膜技術(shù)結(jié)合的MBR處理工藝。該處理廠位于宿舍區(qū)的中心地帶，為滿足園區(qū)的整體規(guī)劃要求，保證周圍居民免受污水廠臭氣的干擾，處理廠的相關(guān)建筑物均采用地埋式結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 地埋式結(jié)構(gòu)對(duì)照參數(shù)

2 地埋式污水廠特點(diǎn)

由于地埋式建筑物本身的特點(diǎn)導(dǎo)致了運(yùn)行人員不可能經(jīng)常到現(xiàn)場(chǎng)操作控制電氣設(shè)備，因此要求地下設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)必須采用自動(dòng)控制運(yùn)行。為此地埋式建筑物內(nèi)的所有電氣設(shè)備均采用PLC控制，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

在廢水處理過(guò)程中，有機(jī)物經(jīng)大量微生物的共同作用，最終轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳、硫化氫和氨氣等，根據(jù)可燃?xì)怏w特性（如表2所示）、有毒氣體特性（如表3所示）可知，甲烷、硫化氫的火災(zāi)類別均為甲級(jí)。由于該廠的格柵間、調(diào)節(jié)池及生化池均為地下封閉式建筑物，且在污水處理過(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn)生甲烷等易燃物質(zhì)，根據(jù)<爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范>GB50058-92的要求，此區(qū)域應(yīng)劃分為環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域1區(qū)，即該區(qū)域應(yīng)按爆炸性氣體環(huán)境進(jìn)行電氣自控設(shè)計(jì)。

表2 可燃?xì)怏w特性

表3 毒氣體特性

3 防爆區(qū)的電氣設(shè)計(jì)

防爆區(qū)電氣設(shè)計(jì)主要包括：電氣設(shè)備選型、安裝、電纜敷設(shè)、接地及等電位等設(shè)計(jì)。在爆炸性氣體環(huán)境中，電力設(shè)計(jì)應(yīng)符合的基本規(guī)定是：宜將正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生火花的電氣設(shè)備，布置在爆炸性危險(xiǎn)性較小的或者沒有爆炸性危險(xiǎn)的環(huán)境內(nèi)。因此設(shè)計(jì)在考慮防爆區(qū)的電氣設(shè)計(jì)時(shí)，將廠區(qū)配電室、中央控制室設(shè)置在位于非防爆區(qū)內(nèi)的膜池及綜合車間構(gòu)筑物二層，并將防爆區(qū)內(nèi)的用電設(shè)備如：攪拌器、潛污泵、回流泵的電氣控制元件斷路器、接觸器和熱繼電器等均放置在非防爆區(qū)的MCC柜內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)僅采用隔爆型按鈕箱。對(duì)于防爆區(qū)內(nèi)設(shè)備配套的格柵電控柜，設(shè)計(jì)將其安裝于毗鄰非防爆區(qū)的膜池綜合車間內(nèi)，避免了在爆炸性環(huán)境下放置電氣控制柜。

格柵及調(diào)節(jié)池為封閉式建筑物。依據(jù)規(guī)范，對(duì)該封閉式單體設(shè)置獨(dú)立的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)和地下維護(hù)檢修通道。依據(jù)計(jì)算，設(shè)計(jì)通風(fēng)次數(shù)為30次/小時(shí)，風(fēng)壓為95Pa，其空氣流量能使易燃物質(zhì)很快稀釋到爆炸下限值的25%以下，從而達(dá)到通風(fēng)良好的效果。另外，將軸流風(fēng)機(jī)的控制通過(guò)PLC與氣體檢測(cè)報(bào)警儀聯(lián)動(dòng)，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制排風(fēng)的要求。

電力電纜的設(shè)計(jì)中，防爆區(qū)的電纜均采用阻燃電纜，電纜線芯為銅芯。且防爆區(qū)電纜和非防爆區(qū)電纜均分層或分橋架敷設(shè)。防爆區(qū)內(nèi)的動(dòng)力電纜、按鈕箱信號(hào)電纜截面均不低于2.5平方米，中性線和相線的截面均一致。電纜線路的敷設(shè)過(guò)程中，電纜一般穿鋼管敷設(shè)，在危險(xiǎn)區(qū)域敷設(shè)的電纜嚴(yán)禁有中間接頭。當(dāng)施工不可避免時(shí)候，應(yīng)安裝隔爆型的接線盒或者接線箱。

防爆區(qū)中出現(xiàn)甲烷的概率較大，且甲烷比空氣輕。電氣線路敷設(shè)應(yīng)遠(yuǎn)離爆炸性氣體的釋放源，故將電氣線路敷設(shè)在電纜溝中。為防止電纜溝內(nèi)積水，應(yīng)在電纜溝底做0.5%的縱坡，將溝內(nèi)積水就近排放。電纜溝應(yīng)在電纜敷設(shè)完成后填充石英砂，且電纜溝在穿越不同危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)候，采用不燃性材料嚴(yán)密包封，如圖1所示。

圖1 電纜溝進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所穿墻密封結(jié)構(gòu)示意圖

因防爆區(qū)內(nèi)各單體均為地埋式構(gòu)筑物，其接地系統(tǒng)應(yīng)利用池壁及底板內(nèi)的鋼筋網(wǎng)作為接地體，利用側(cè)壁內(nèi)2根不小于集合16的鋼筋作為自然引下線，池壁及底板內(nèi)鋼筋與鋼筋之間可靠焊接，形成一個(gè)整體的網(wǎng)狀電氣通路，電氣接地、自控接地共用一組接地系統(tǒng)，接地電阻不大于1.0歐姆。構(gòu)筑物內(nèi)PE干線、電氣裝置接地極的接地干線、電氣設(shè)備的非帶電金屬外殼、電纜的金屬外皮、金屬欄桿、各種金屬工藝管線及電纜支架等所有金屬構(gòu)件做總等電位聯(lián)結(jié)。對(duì)于屏蔽電纜的屏蔽層和鎧裝電纜的鎧裝帶要求可靠接地，接地點(diǎn)設(shè)置在非危險(xiǎn)區(qū)域，如圖2所示。

圖2 屏蔽電纜屏蔽層多點(diǎn)接地示意圖

4 防爆區(qū)的自控設(shè)計(jì)

防爆區(qū)的自控設(shè)計(jì)主要包括現(xiàn)場(chǎng)儀表選型、安裝及纜線敷設(shè)。根據(jù)工藝要求，格柵間、調(diào)節(jié)池及生化池主要配置的儀表為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表和在線分析儀表，具體配置如表4所示。

表4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表配置

以上所列儀表均位于防爆區(qū)，其選型應(yīng)滿足GB3836.1 83《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求》和GB3836.2 83《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備隔爆型電氣設(shè)備“d”》國(guó)家通用的爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備技術(shù)要求的防爆型產(chǎn)品。其中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表選用本安防爆型儀表，二線制，4～20mA輸出；在線分析儀表選用美國(guó)哈希公司的防爆型儀表，防爆等級(jí)為ClassⅠ、DivissionⅡ，四線制，4～20mA輸出。

圖3 防爆區(qū)電氣系統(tǒng)示意圖

如圖3所示，至防爆區(qū)的電氣系統(tǒng)是由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、連接電纜及關(guān)聯(lián)設(shè)備組成。該電氣系統(tǒng)應(yīng)具有高度的安全可靠性。上面已對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行了介紹，下面就連接電纜和關(guān)聯(lián)設(shè)備具體說(shuō)明。

5 連接電纜

用于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備的連接電纜既要避免受到諸如外界電磁場(chǎng)的干擾及與其他回路混觸等因素的影響，又要在長(zhǎng)度及纜芯結(jié)構(gòu)上限制自身分布電容及電感所帶來(lái)的附加能量，因此電源電纜選用阻燃型銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜；控制電纜選用阻燃型銅芯聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅網(wǎng)編織屏蔽電纜；模擬信號(hào)電纜選用阻燃型銅芯、鍍錫銅芯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅絲編織總屏電子計(jì)算機(jī)電纜。另外，在電纜敷設(shè)中值得注意的問題是：至防爆區(qū)的纜線與非防爆區(qū)的纜線應(yīng)分層或分線槽敷設(shè)。

6 關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵）

所謂關(guān)聯(lián)設(shè)備即安全柵是介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限制能量的電氣設(shè)備，是用來(lái)限制控制室供給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電氣能量，使出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輸入端子上的能量不能產(chǎn)生足以產(chǎn)生引爆危險(xiǎn)氣體的火花。本設(shè)計(jì)將安全柵放置在非危險(xiǎn)場(chǎng)所的控制柜內(nèi)，柜內(nèi)所有至防爆區(qū)的纜線出口均配置安全柵。

為確保運(yùn)行人員及時(shí)了解地埋式格柵間可燃及有毒氣體的濃度情況，在格柵間內(nèi)安裝了氣體檢測(cè)報(bào)警儀。氣體檢測(cè)報(bào)警儀采用一拖三形式，即一臺(tái)報(bào)警儀帶三個(gè)探頭（甲烷、硫化氫、氨氣）。為提高報(bào)警系統(tǒng)的可靠性，采用不間斷電源為氣體檢測(cè)報(bào)警儀供電；氣體檢測(cè)報(bào)警儀的信號(hào)與構(gòu)筑物的通風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)并將報(bào)警信號(hào)發(fā)送至中央控制室。

氣體探頭的安裝位置應(yīng)根據(jù)氣體比重及場(chǎng)地情況確定。根據(jù)表5，甲烷、氨氣的比重小于空氣，故將其探頭安裝在距釋放源2.5米處，硫化氫氣體比重比空氣重，其探頭安裝在距釋放源0.5米處。探頭貼墻安裝，并與周圍管線、設(shè)備之間留有1米的凈空和出入通道。

表5 氣體比重表

7 結(jié)論

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，土地資源愈來(lái)愈寶貴，提高土地利用率已成必然。但污水處理廠占地面積較大且散發(fā)臭氣，若將其設(shè)置在居民區(qū)，不但影響市容市貌，而且給周邊居民帶來(lái)極大困擾，因此建設(shè)地埋式污水處理廠已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。若要保證地埋式污水廠安全可靠的運(yùn)行，特別是保證電氣設(shè)備在防爆區(qū)的安全運(yùn)行，提高地埋式污水處理廠的防爆電氣自控設(shè)計(jì)水平顯得尤為關(guān)鍵。

[1]張顯力. 防爆電器概論[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[2]馬勇, 彭永瑧. 城市污水處理系統(tǒng)運(yùn)行及過(guò)程控制[M]. 科學(xué)出版社, 2007.

[3]GB50058-92, 爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB50493-2009, 石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范[S].