燃氣鍋爐房電氣設計探討

龐 月

(內蒙古城市規(guī)劃市政設計研究院有限公司, 內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引 言

隨著油氣資源的大力開發(fā),燃氣鍋爐的應用逐年上升,燃氣鍋爐房建設進入新的發(fā)展時期。根據(jù)“十二五”中長期節(jié)能減排清潔生產(chǎn)規(guī)劃要求,燃煤鍋爐要逐步改造成燃氣鍋爐,我國燃氣鍋爐的應用必將得到進一步發(fā)展。因此,燃氣鍋爐市場從設計、施工、安裝和驗收都需要在遵守相關規(guī)范的前提下,應用一些能體現(xiàn)節(jié)約能源的技術,并指導燃氣鍋爐房建設的研究成果。

本文探討新建和改建燃氣鍋爐房的電氣防爆設計相關問題,以期為電氣設計人員提供參考。

1 相關規(guī)范

標準GB 50016—2006《建筑設計防火規(guī)范》[1]條文說明第3.3.12條指出:在使用明火設備的一些危險區(qū)域,例如燃氣鍋爐房的燃燒室附近,可采用非防爆型電氣設備。但國家標準GB 50016—2006并未對“附近”一詞明確規(guī)定其適用范圍。然而GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》[2]已經(jīng)刪除原條文說明。

標準GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》[3]第3.2.2條保留“明火設備附近可劃為非爆炸危險區(qū)域”的概念,但也并未明確燃氣鍋爐房是否應該按照爆炸危險環(huán)境進行電氣設計,只在第3.2.5條提出:爆炸危險區(qū)域的劃分應按釋放源級別和通風條件確定,存在連續(xù)級釋放源的區(qū)域可劃為0區(qū),存在一級釋放源的區(qū)域可劃為1區(qū),存在二級釋放源的區(qū)域可劃為2區(qū),并應根據(jù)通風條件按下列規(guī)定調整區(qū)域劃分:

(1) 當通風良好時,可降低爆炸危險區(qū)域等級;當通風不良時,應提高爆炸危險區(qū)域等級。

(2) 局部機械通風在降低爆炸性氣體混合物濃度方面比自然通風和一般機械通風更有效時,可采用局部機械通風降低爆炸危險區(qū)域等級。

(3) 在障礙物、凹坑和死角處,應局部提高爆炸危險區(qū)域等級。

(4) 利用堤或墻等障礙物,限制比空氣重的爆炸性氣體混合物的擴散,可縮小爆炸危險區(qū)域的范圍[2]。

因此,燃氣鍋爐房是否按照爆炸危險環(huán)境進行電氣設計,應根據(jù)具體情況確定。

2 相關定義

燃氣鍋爐是指燃料為燃氣的鍋爐,如天然氣、液化石油氣、人工煤氣和沼氣等。天然氣的主要成分是甲烷,爆炸極限為5%～15%,比空氣輕,密度一般是空氣的0.55～0.85倍;液化石油氣的主要成分是丙烷和丁烷,爆炸極限為1.5%～9.5%,比空氣重,密度一般是空氣的1.69倍;人工煤氣的主要成分為烷烴、烯烴、芳烴、一氧化碳和氫氣,比空氣輕;沼氣的主要成分是甲烷,其特性與天然氣相似。

無論哪種燃氣鍋爐房,當燃氣含量達到一定濃度范圍時遇明火都會爆炸。針對不同燃料的燃氣鍋爐進行電氣設計時,按照燃氣與空氣相對密度的關系,大致分為兩種情況:一種是燃氣比空氣輕的燃氣鍋爐,如天然氣、人工煤氣、沼氣鍋爐等;另一種是燃氣比空氣重的燃氣鍋爐,如液化石油氣鍋爐等。

3 相關設備

通過對多個燃氣鍋爐廠家調研,目前生產(chǎn)的燃氣鍋爐爐膛大多為密閉式,有別于燃煤鍋爐。燃氣鍋爐的關鍵部件是鍋爐燃燒器,目前國內生產(chǎn)的燃氣鍋爐配用國內燃燒器的比例較小,大部分配用進口燃燒器。不論是進口還是國產(chǎn)燃燒器,成套供應的控制箱都不是防爆等級,多數(shù)采用IP54防護等級,說明燃氣鍋爐廠家默認鍋爐的安裝環(huán)境為通風良好區(qū)域。

4 爆炸危險區(qū)域劃分

燃氣鍋爐房鍋爐間內可燃氣體的釋放源可能出現(xiàn)在以下部位:鍋爐爐膛、煙道、燃氣管道的閥門密封處、燃氣管道的法蘭、連接件和管道接頭處等。根據(jù)工藝專業(yè)要求,以上釋放源按可燃物質的釋放頻繁程度和持續(xù)時間長短應劃為二級釋放源。鍋爐間的爆炸危險區(qū)域初步劃為2區(qū),然后根據(jù)通風條件調整區(qū)域劃分[4]。

氣體是可變形可流動的流體,相對空氣輕的氣體會向上流動,相反,相對空氣重的氣體會向下流動,直到遇到障礙物后停留。爆炸危險區(qū)域內通風的空氣流量能使可燃物質很快稀釋。當良好通風時,燃氣鍋爐間可由爆炸危險區(qū)域2區(qū)降低為非爆炸危險區(qū)域;當通風不良時,燃氣鍋爐間可由爆炸危險區(qū)域2區(qū)提高為爆炸危險區(qū)域1區(qū)。也可采用局部機械通風,將燃氣鍋爐間由爆炸危險區(qū)域2區(qū)降低為非爆炸危險區(qū)域。但在障礙物、凹坑和死角處,應將爆炸危險區(qū)域2區(qū)局部提高為爆炸危險區(qū)域1區(qū)。當采用比空氣重的可燃氣體時,可以利用堤或墻等縮小爆炸危險區(qū)域[5-8]。

當符合下列相應條件之一,也可劃為非爆炸危險區(qū)域:

(1) 采取措施,確保不形成爆炸危險性環(huán)境。

(2) 確保設備在出現(xiàn)爆炸性危險環(huán)境時斷電,應防止熱元件點燃。

(3) 采取措施,確保人和環(huán)境不受試驗燃燒或爆炸帶來的危害。

(4) 相關人員應書面寫出采取的措施[2]。

5 電氣設計分析

根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》中第3.1.3條規(guī)定:對區(qū)域內易形成和積聚爆炸性氣體混合物的地點應設置自動測量儀器裝置,當氣體接近爆炸下限值的50%時,應能可靠地發(fā)出信號或切斷電源;在區(qū)域內應采取消除或控制設備線路產(chǎn)生火花、電弧或高溫的措施[2]。

燃氣鍋爐房內的電氣設備應與通風系統(tǒng)聯(lián)鎖。設備運行前應先通風;電氣設備外殼及通風系統(tǒng)的門或蓋子應采取聯(lián)鎖裝置。

當燃氣鍋爐間被劃為爆炸危險區(qū)域,鍋爐間內的電力裝置設計宜將設備和線路,特別是正常運行時能發(fā)生火花的設備布置在爆炸性環(huán)境以外,或布置在爆炸危險性較小的地點[7]。

如鍋爐間內存在比空氣輕的可燃氣體時,應盡可能選用功率大的低溫照明燈具,以減少燈具數(shù)量,不應使用鹵鎢燈等高溫照明燈具;選擇燈具的溫度組別,應參考GB 50058—2014中表3.4.2、表5.2.3-2和附錄C中;可將燈具布置在側墻上,而不是頂部;電氣線路不宜采用電纜橋架敷設。

如鍋爐間內存在比空氣重的可燃氣體時,應盡可能減少插座的數(shù)量,或將插座布置在可燃氣體不易積聚的地點;電氣線路宜在較高處敷設或直接埋地。

當燃氣鍋爐間被劃為爆炸危險區(qū)域2區(qū),危險區(qū)域內電氣設備的保護級別(EPL)應選擇Ga、Gb或Gc。當燃氣鍋爐間被劃為爆炸危險區(qū)域1區(qū),危險區(qū)域內電氣設備的保護級別應選擇Ga、Gb。

在爆炸危險區(qū)域內,除在配電盤、接線箱或采用金屬導管配線系統(tǒng)內,無護套的電線不應作為供配電線路。在爆炸危險區(qū)域1區(qū)內應采用銅芯電纜,爆炸危險區(qū)域2區(qū)除一種情況可以采用鋁芯外,也應采用銅芯。爆炸危險環(huán)境配線的技術要求如表1所示。

表1 爆炸危險環(huán)境配線的技術要求

設計時還應注意敷設電氣線路的溝道、電纜橋架或導管,所穿過的不同區(qū)域之間墻或樓板處的孔洞應采用非燃性材料嚴密堵塞。在爆炸危險區(qū)域1區(qū)內嚴禁電纜線路有中間接頭,爆炸危險區(qū)域2區(qū)內不應有中間接頭。

如燃氣鍋爐房存在爆炸危險區(qū)域時,在電力系統(tǒng)接地設計時爆炸危險環(huán)境應采用TN-S型系統(tǒng)。而且爆炸性氣體環(huán)境中應設置等電位聯(lián)結,所有裸露的裝置外部可導電部件應接入等電位系統(tǒng)。

6 結 語

在燃氣鍋爐房的電氣設計時,應根據(jù)釋放源的級別和位置、可燃物質的性質、通風條件、障礙物及生產(chǎn)條件、運行經(jīng)驗,經(jīng)技術、經(jīng)濟比較確定爆炸危險區(qū)域的范圍和等級,根據(jù)爆炸危險區(qū)域的劃分結果和相關規(guī)范要求進行設計。在設計階段嚴格劃分爆炸危險區(qū)域,施工時才能協(xié)調一致,最大限度地消除事故隱患。另外,不同環(huán)境的建筑物和構筑物內所選用的電機和電氣設備均應與環(huán)境相適應。如果燃氣鍋爐間不需要劃定為爆炸危險區(qū)域,則按照非爆炸危險區(qū)域的要求進行電氣設計。

[1]建筑設計防火規(guī)范:GB50016—2006[S].

[2]建筑設計防火規(guī)范:GB50016—2014[S].

[3]爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范:GB50058—2014[S].

[4]鍋爐房設計規(guī)范:GB50041—2008[S].

[5]城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范:GB50028—2006[S].

[6]石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范:GB50493—2009[S].

[7]姜慶勝.天然氣鍋爐房的電氣防爆設計誤區(qū)[J].電氣防爆,2011(3):20-22.