爆炸性環(huán)境中電氣設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

裘 愛 淑

(寧波天大工程設(shè)計(jì)有限公司, 浙江 寧波 315040)

0 引 言

爆炸及其引起的火災(zāi)事故嚴(yán)重威脅化工企業(yè)的生產(chǎn)安全。一旦發(fā)生爆炸事故,就會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞作用,導(dǎo)致企業(yè)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn),甚至對(duì)社會(huì)造成不良影響。如8.12天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故是一個(gè)典型的案例,此次事故造成非常嚴(yán)重的后果,足見爆炸的危害程度。在化工企業(yè)中,許多生產(chǎn)裝置的物料介質(zhì)具有易燃、易爆的特性。根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在一些精細(xì)化工、醫(yī)藥化工及石油化工等企業(yè)中均存在大面積的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。這種爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中,電氣設(shè)備的火花、生產(chǎn)或操作過(guò)程中產(chǎn)生的靜電通常是引起爆炸事故的主要原因。因此,嚴(yán)格、細(xì)致地劃分爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的等級(jí)和危險(xiǎn)介質(zhì)的級(jí)別,經(jīng)濟(jì)、合理地選用防爆電氣設(shè)備,做好靜電接地設(shè)計(jì)工作,并輔以建筑物的防爆設(shè)計(jì)、加強(qiáng)通風(fēng)等措施,以防止爆炸條件的形成和減輕爆炸危險(xiǎn)的嚴(yán)重程度,是電氣設(shè)計(jì)人員的職責(zé)。

1 爆炸性環(huán)境

現(xiàn)行的GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]替換GB 50058—1992《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》,該規(guī)范對(duì)爆炸性環(huán)境作術(shù)語(yǔ)解釋:在大氣條件下,氣體、蒸氣、粉塵、薄霧、纖維或飛絮的形式與空氣形成的混合物引燃后,能夠保持燃燒自行傳播的環(huán)境為爆炸性環(huán)境。電氣設(shè)計(jì)人員對(duì)概念必須要有透徹的理解,包括對(duì)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域、釋放源等概念。

在爆炸性氣體環(huán)境中發(fā)生爆炸應(yīng)同時(shí)存在3個(gè)條件:易燃?xì)怏w、易燃液體的蒸氣或薄霧;上述物質(zhì)與空氣混合,其濃度在爆炸極限以內(nèi);足以點(diǎn)燃爆炸性混合物的火花、電弧或高溫。在電氣設(shè)計(jì)中,應(yīng)使產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)的3個(gè)條件同時(shí)出現(xiàn)的可能性降到最低,這需要工藝、設(shè)備、電氣等相關(guān)專業(yè)人員的嚴(yán)密配合。另外,還應(yīng)考慮如果爆炸事故發(fā)生,怎樣才能使損失降到最低。

2 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)和范圍的劃分

爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的劃分首先要查找和確定釋放源,根據(jù)釋放源的等級(jí),劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)域,并結(jié)合釋放源所在處的通風(fēng)條件調(diào)整區(qū)域劃分。釋放源通常為一些釋放可燃物質(zhì)的泵、壓縮機(jī)、閥門、法蘭、、取樣點(diǎn)、連接處或管道接頭處等。釋放源的定位在設(shè)計(jì)中是由化工工藝專業(yè)完成的,工藝專業(yè)確定釋放源后給電氣專業(yè)提供釋放源的位置及釋放源介質(zhì)情況的條件圖,接著由電氣專業(yè)根據(jù)相關(guān)規(guī)范來(lái)確定爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分。

根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間,可將爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。根據(jù)工藝等相關(guān)專業(yè)提供的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分條件圖和釋放源的級(jí)別,對(duì)爆炸性氣體環(huán)境進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分:存在連續(xù)級(jí)釋放源的區(qū)域,可劃為0區(qū);存在第一級(jí)釋放源的區(qū)域,可劃為1區(qū);存在第二級(jí)釋放源的區(qū)域,可劃為2區(qū)。對(duì)于爆炸性粉塵環(huán)境,根據(jù)爆炸性粉塵環(huán)境出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間分為20區(qū)、21區(qū)、22區(qū)。

應(yīng)注意的是,上述劃分方式不是絕對(duì)的,其他方面的因素也可影響區(qū)域的劃分,如還應(yīng)根據(jù)通風(fēng)條件調(diào)整區(qū)域劃分:

(1) 當(dāng)通風(fēng)良好時(shí),可降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí);當(dāng)通風(fēng)不良時(shí),應(yīng)提高爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)。

(2) 局部機(jī)械通風(fēng)在降低爆炸性氣體混合物濃度方面比自然通風(fēng)和一般機(jī)械通風(fēng)更有效時(shí),可采用局部機(jī)械通風(fēng)降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)。

(3) 在障礙物、凹坑和死角,應(yīng)局部提高爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)。

(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(kuò)散,或縮小爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的范圍。

一般,化工廠區(qū)中0區(qū)是不多見的,大多數(shù)爆炸區(qū)域?yàn)?區(qū),在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取合理措施減少1區(qū)的出現(xiàn),盡量降低爆炸危險(xiǎn)性。

GB 50058—2014對(duì)爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分進(jìn)行較詳細(xì)的分析,并且在附錄里有一些典型示例圖。其他規(guī)范也對(duì)一些環(huán)境的爆炸區(qū)域范圍進(jìn)行分析和規(guī)定,如GB 50074—2014《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)石油庫(kù)內(nèi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍的劃分,GB 50156—2015《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》對(duì)加油加氣站的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍進(jìn)行劃分。事實(shí)上,爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分較復(fù)雜,影響爆炸危險(xiǎn)區(qū)的等級(jí)域范圍的因素很多,除按規(guī)范條文的規(guī)定,還應(yīng)根據(jù)可燃物質(zhì)的釋放量、釋放速度、沸點(diǎn)、濕度、閃點(diǎn)、相對(duì)密度、爆炸下限、障礙等條件,并且結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

國(guó)外咨詢機(jī)構(gòu)對(duì)某規(guī)模較大的化工企業(yè)廠區(qū)中的部分廠房做爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的分析報(bào)告,爆炸區(qū)域圖明顯比國(guó)內(nèi)的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍要小,這與劃分區(qū)域時(shí)分析情況的細(xì)致程度有關(guān)。有些設(shè)計(jì)人員直接按可燃物質(zhì)比空氣重,爆炸危險(xiǎn)區(qū)域按15 m半徑畫;可燃物質(zhì)比空氣輕,爆炸危險(xiǎn)區(qū)域按4.5 m半徑畫。實(shí)際上因多方面因素,爆炸區(qū)域范圍也是不盡相同的。實(shí)際生產(chǎn)裝置的工藝流程、設(shè)備布置、通風(fēng)條件等情況各不相同,在具體設(shè)計(jì)中均需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)分析,才能確定更合理的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍,確保后續(xù)設(shè)計(jì)的可靠性、合理性。

特別要注意的是,爆炸區(qū)域劃分時(shí)要盡量避免變配電所布置于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍內(nèi),尤其是廠區(qū)的總變配電所,如果位于爆炸區(qū)域內(nèi),不僅可靠性極差且成本也會(huì)提高,顯然不合理。對(duì)于可燃物質(zhì)比空氣重的爆炸性氣體環(huán)境,如果變配電所已避開爆炸危險(xiǎn)區(qū)域2區(qū),但還是位于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域場(chǎng)所附加2區(qū)內(nèi),則應(yīng)該給土建專業(yè)提好條件,以確保其室內(nèi)電氣和儀表的設(shè)備層地面應(yīng)高出室外地面0.6 m。設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的一種情況:化工廠區(qū)里時(shí)常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)車間有大量的生產(chǎn)設(shè)備,用電量極大情況,需要在車間內(nèi)設(shè)置附屬的配電間。對(duì)于這種情況,GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.3.8條有明確規(guī)定:供甲、乙類廠房專用的10 kV以下的變、配電站,當(dāng)采用無(wú)門、窗、洞口的防火墻分隔時(shí),可一面貼鄰,并應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50058—2014等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。實(shí)際情況中,當(dāng)貼鄰的一面用防火墻隔開后,配電間還是有可能會(huì)被劃入到爆炸區(qū)域內(nèi),則可以根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)作一些處理:如將車間內(nèi)與配電間相近的窗作固定窗,盡可能避免把配電間劃入到爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)。如果不可避免,可對(duì)配電間作正壓通風(fēng)處理或采取其他合理的措施。

對(duì)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍進(jìn)行詳細(xì)的分析后,就能準(zhǔn)確畫出爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖,這在電氣設(shè)計(jì)中必不可少,作為在該區(qū)域范圍內(nèi)電氣設(shè)備選型的重要依據(jù)。

3 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍內(nèi)電氣設(shè)備的選擇

確定爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍后,電氣設(shè)備的選型是一項(xiàng)重要工作。爆炸性氣體環(huán)境與爆炸性粉塵環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備的的防爆結(jié)構(gòu)要求不一樣。通常的防爆設(shè)備大多指在爆炸性氣體環(huán)境中使用的設(shè)備,防爆等級(jí)可標(biāo)注為ExdⅡBT4Ga、ExdⅡCT6 Gb等。而用于爆炸性粉塵環(huán)境的電氣設(shè)備,可標(biāo)注為ExiaⅢCT 120℃Da等。關(guān)于防爆等級(jí)標(biāo)志,需要注意:應(yīng)用于爆炸性粉塵環(huán)境的電氣設(shè)備,將直接標(biāo)出設(shè)備的最高表面溫度,不再劃分溫度組別,因現(xiàn)行的規(guī)范中刪除爆炸性粉塵環(huán)境電氣設(shè)備的溫度組別。

GB 50058—2014中增加設(shè)備保護(hù)級(jí)別概念,是指根據(jù)設(shè)備成為引燃源的可能性和爆炸性氣體環(huán)境及爆炸性粉塵環(huán)境所具有的不同特征而對(duì)設(shè)備規(guī)定的保護(hù)級(jí)別。爆炸性環(huán)境內(nèi)電氣設(shè)備保護(hù)級(jí)別的選擇應(yīng)符合國(guó)家規(guī)范規(guī)定,如表1所示。

表1 爆炸性環(huán)境內(nèi)電氣設(shè)備保護(hù)級(jí)別的選擇

規(guī)范GB 50058—2014中對(duì)電氣設(shè)備保護(hù)級(jí)別與電氣設(shè)備防爆結(jié)構(gòu)的關(guān)系作了描述,詳細(xì)的情況可參見規(guī)范第5章節(jié)。

電氣設(shè)備分為三類:Ⅰ類為用于煤礦瓦斯氣體環(huán)境的電氣設(shè)備;Ⅱ類為用于除煤礦甲烷氣體之外的其他爆炸性氣體環(huán)境的電氣設(shè)備;Ⅲ類為除煤礦以外的爆炸性粉塵環(huán)境用的電氣設(shè)備。

在設(shè)計(jì)中涉及到的主要為Ⅱ類、Ⅲ類電氣設(shè)備。根據(jù)爆炸性環(huán)境的特性還可以分為ⅡA、ⅡB、ⅡC,ⅢA、ⅢB、ⅢC,ⅡA類的代表性氣體是丙烷,ⅡB的代表性氣體是乙烯,ⅡC的代表性氣體是氫氣。這是根據(jù)最大試驗(yàn)安全間隙值或最小點(diǎn)燃電流比來(lái)進(jìn)行分類的。從ⅡA到ⅡC隨著防爆電氣設(shè)備的最大試驗(yàn)安全間隙和最小點(diǎn)燃電流比的逐級(jí)減小,其防爆要求逐級(jí)提高。

爆炸性氣體環(huán)境中,爆炸性氣體混合物的引燃溫度是指可燃?xì)怏w或蒸汽與空氣形成的混合物在規(guī)定條件下被熱表面引燃的最低溫度。根據(jù)形成混合物的引燃溫度,可以為電氣設(shè)備選擇相應(yīng)的溫度組別,從組別T1到T6隨著引燃溫度的降低,其電氣設(shè)備的防爆要求逐級(jí)提高。

爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備的選擇除考慮上述因素外,同時(shí)應(yīng)考慮到周圍不同環(huán)境(化學(xué)、機(jī)械、熱、霉菌)的影響。

4 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)防雷防靜電接地措施

在有爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的化工廠區(qū)內(nèi),雷擊、電火花及生產(chǎn)操作過(guò)程中產(chǎn)生的一些靜電都是潛在的危險(xiǎn)源,一旦發(fā)生以上情況都有可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成很大的影響,甚至發(fā)生爆炸事故。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮這些因素,并且采用有效措施。GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第3.0.2、3.0.3條中對(duì)于存在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)和20區(qū)、21區(qū)、22區(qū)建筑物的防雷等級(jí)有明確規(guī)定。在對(duì)爆炸危險(xiǎn)區(qū)圖進(jìn)行分析后,很容易對(duì)建筑物的防雷等級(jí)進(jìn)行劃分,并且進(jìn)行相應(yīng)的防雷設(shè)計(jì)。通常以爆炸危險(xiǎn)區(qū)域2區(qū)的存在居多,則按照規(guī)定,具有2區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的建筑物按應(yīng)第二類防雷建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

關(guān)于爆炸性環(huán)境電力系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì),在規(guī)范中有一條為強(qiáng)制性條文。對(duì)于1 kV交流/1.5 kV直流以下的電源系統(tǒng)的接地應(yīng)符合下列規(guī)定:TN系統(tǒng)應(yīng)采用TN-S型;TT型電源系統(tǒng)應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器;IT型電源系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置絕緣監(jiān)測(cè)裝置。爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中,中性線與保護(hù)線不應(yīng)連在一起或合并成一根導(dǎo)線,因此設(shè)計(jì)中為確保供電的可靠性,通常選用TN-S系統(tǒng)。

一般環(huán)境下的接地主要考慮保護(hù)人身安全,但在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中,接地除保護(hù)人身安全外,還應(yīng)能有效地防止爆炸事故的發(fā)生。爆炸性環(huán)境中靜電放電可形成火源而釀成火災(zāi)爆炸,有時(shí)雖能量小不致釀成火災(zāi)爆炸,但也可能會(huì)引起電擊,造成人員墜落摔倒等二次災(zāi)害。設(shè)計(jì)過(guò)程中工藝專業(yè)應(yīng)考慮防靜電的措施,電氣專業(yè)應(yīng)考慮靜電接地。在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi),設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)可靠接地;爆炸危險(xiǎn)區(qū)域不同方向的接地干線應(yīng)不少于兩處與接地體連接。做接地設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)采用聯(lián)合接地,將廠區(qū)內(nèi)建筑物的防雷接地和設(shè)備接地做成一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng),取最小的接地電阻作為要求達(dá)到的接地電阻值[3-4]。

防雷接地設(shè)計(jì)過(guò)程中有如下方面要特別注意。

(1) 為防止雷擊電流流過(guò)獨(dú)立避雷針時(shí)產(chǎn)生的高電位對(duì)設(shè)備發(fā)生反擊,設(shè)備的接地裝置與防止直接雷擊的獨(dú)立避雷針的接地裝置應(yīng)分開設(shè)置,并且保持一定的距離。

(2) 安裝在已接地金屬結(jié)構(gòu)上的設(shè)備仍應(yīng)進(jìn)行接地。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》,安裝在已接地金屬結(jié)構(gòu)上的設(shè)備不需要再作設(shè)備接地,但在爆炸性環(huán)境中裝在已接地的金屬結(jié)構(gòu)上的設(shè)備仍應(yīng)進(jìn)行接地。在很多化工廠房中都會(huì)有鋼平臺(tái),鋼平臺(tái)上會(huì)放置一些金屬材質(zhì)的反應(yīng)釜、泵等設(shè)備,很多企業(yè)里的電氣人員甚至有少數(shù)設(shè)計(jì)人員會(huì)認(rèn)為鋼平臺(tái)已經(jīng)接地,鋼平臺(tái)上的設(shè)備就不需要再另外接地。這是錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí),按規(guī)范要求,這些設(shè)備還是必須要做防靜電接地措施。

5 結(jié) 語(yǔ)

爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)電氣設(shè)計(jì)涉及到的內(nèi)容多,也有較多特殊的要求。電氣設(shè)計(jì)人員必須要嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)范和相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)的要求,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行合理的電氣設(shè)計(jì),避免因設(shè)計(jì)缺陷而引起爆炸事故。

[1]爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50058—2014[S].

[2]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50057—2010[S].

[3]爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電氣線路和電氣設(shè)備安裝:12D401-3[G].

[4]汪壽建.化工廠公用設(shè)施設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.