城市綜合管廊中爆炸危險區(qū)域劃分的分析和建議

褚 震 杰

[上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司, 上?！?00125]

0　引　言

城市綜合管廊又叫共同溝,是實施統(tǒng)一規(guī)定、設計、施工和維護,建于城市地下用于敷設所有的給排水、熱力、燃氣、電力、通信及廣電等基礎市政管線的市政公共設施,有著避免道路重復開挖、延長各類管線使用壽命、減少資源損耗等優(yōu)勢。隨著國家大力推行城市綜合管廊的建設,全國各地新建項目此起彼伏,但針對城市地下綜合管廊設計的規(guī)范方面還有所欠缺,尤其是燃氣艙中敷設的燃氣管道,其存在威脅人身安全的可能性。

本文結合國家防爆安全的相關標準,對城市綜合管廊中燃氣艙的電氣設計進行探討和研究。

1　設計依據

城市綜合管廊電氣設計的國家規(guī)范依據是GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》[1],關于防爆設計的描述在第7.3.4條第4項“天然氣管道艙內的電氣設備應符合現(xiàn)行國家標準《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》GB 50058有關爆炸性氣體環(huán)境 2區(qū)的防爆規(guī)定”。

2　電氣專業(yè)在劃分爆炸危險區(qū)域時責任

在設計階段嚴格按照規(guī)范要求,避免設計上的隱患。電氣設計在整個項目的爆炸危險區(qū)域劃分中起到承上啟下的樞紐作用。首先是接收、分析工藝專業(yè)提供的有關可燃氣體性能、設備及環(huán)境條件等專業(yè)性的技術參數;然后嚴格按照國家標準進行防爆區(qū)域圖的繪制,在得到工藝專業(yè)的確認后將此防爆區(qū)域圖提供給其他相關專業(yè),給其他設備防爆選型提供依據;最后在會簽階段,確認其他專業(yè)防爆設備選型的準確性。

3　爆炸危險區(qū)域劃分電氣設計的一般步驟

(1) 城市綜合管廊設計中爆炸危險區(qū)域劃分的必要性。爆炸危險區(qū)域劃分是為了保障人身和財產的安全,應因地制宜地采取防范措施。城市綜合管廊燃氣艙作為地下密封結構,一旦發(fā)生爆炸事故,將會產生大量的能量;其作為一個貫通城市的市政建筑,發(fā)生事故時容易對人身和財產造成巨大的危害?；诜辣O計的初衷,貫徹預防為主的方針,對城市綜合管廊燃氣艙進行爆炸危險區(qū)域劃分設計有利于保障人身和財產的安全。

(2) 釋放源?？舍尫懦瞿苄纬杀ㄐ曰旌衔锏奈镔|所在的部位或地點稱為釋放源。城市綜合管廊燃氣艙中敷設的燃氣管道存儲、輸送大量可燃氣體,其管道連接的法蘭、接口等連接和轉彎處容易不密封或損壞,可認為其為釋放源;出于安全考慮,結合城市綜合管廊燃氣艙通長密封的特性,將整個燃氣管定義為釋放源更安全、可靠。

(3) 防爆危險區(qū)域的劃分。根據GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》[2]中第1.0.4條“爆炸危險區(qū)域的劃分應由負責生產工藝加工介質性能、設備和工藝性能的專業(yè)人員和安全、電氣專業(yè)的工程技術人員共同商議完成”。而GB 3836.14—2014《爆炸性環(huán)境 第14部分:場所分類 爆炸性氣體環(huán)境》[3]中提到“場所分類應由懂得可燃性物料性能的相關性和重要性、熟悉設備和工藝性能的專業(yè)人員進行”。

因此,電氣專業(yè)進行爆炸危險區(qū)域的設計時需由工藝專業(yè)提供可燃性物料性能和環(huán)境等資料(GB 3836.14—2014中危險場所分類數據表C.1、表C.2)作為設計依據

根據GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》中第3.2.3條釋放源分級規(guī)定,燃氣管道符合第3項“二級釋放源應為在正常運行時,預計不可能釋放,當出現(xiàn)釋放時,僅是偶爾和短期釋放的釋放源?！?/p>

燃氣管道中可燃性物質通常為天然氣,其主要成分為甲烷,還含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等,根據GB 50058—2014續(xù)表C,甲烷可燃性氣體分級級別為IIA,引燃溫度組別為T1;少量混合氣體中,硫化氫級別最高,為IIB,引燃溫度組別為T3,出于安全考量,可按照混合氣體考慮燃氣級別為IIB,引燃溫度組別為T3。

通風等級的評定應由暖通專業(yè)進行界定,通風的有效性影響到危險區(qū)域等級的劃分。燃氣艙為地下建筑,其自然通風忽略不計,故燃氣艙的通風有效性取決于其人工通風的可靠性和有效性。一般在設計上考慮有效臺數的備用風機;在電氣設計上考慮采用就地雙切箱進行供電;在故障情況下風機能繼續(xù)正常工作,且設計時滿足規(guī)范要求的每平方米地板每分鐘至少提供0.3 m3的空氣或至少1 h換氣6次(假定燃氣艙的通風有效性良好)。

危險場所的區(qū)域范圍一般根據GB 50058—2014附錄B的典型示意圖進行劃分,或由工藝專業(yè)直接提供。燃氣艙釋放源為燃氣管道,可燃性介質為比空氣輕的天然氣,在假定其通風良好的情況下,危險場所的區(qū)域范圍可參考典型示意圖中第13及15項進行劃分。其他艙室為無釋放源的生產裝置區(qū)與燃氣艙間,采用非燃燒體的實體墻隔開,結合典型示意圖的前置條件以及劃分規(guī)定,綜合燃氣艙的實際環(huán)境條件及特性。以某兩艙管廊項目為例,綜合管廊標準段爆炸危險區(qū)域劃分如圖1所示。

圖1　綜合管廊標準段爆炸危險區(qū)域劃分

綜合管廊標準斷面爆炸危險區(qū)域劃分如圖2所示。

綜合管廊的標準段有實體墻隔開,僅燃氣艙整艙劃為2區(qū),其他艙室按照非爆炸危險區(qū)域考慮。對于聯(lián)通燃氣艙的進排風口,除了燃氣艙劃為2區(qū),上部的通風井同樣劃為2區(qū)考慮;而地面以上為露天部分,自然通風良好;進風口處地表以上類似于正壓空間,可燃氣體不易溢出[4-5];排風口處其內部的機械通風持續(xù)運行,可燃氣體排出后在地表以上被吹散,不易聚集,所以爆炸危險區(qū)域劃分圖中將地表以上劃為非爆炸危險區(qū)域。標準段內部分節(jié)點會考慮設置排水泵,泵坑根據GB 50058—2014中“在障礙物、凹坑和死角處,應局部提高爆炸危險區(qū)域等級”條款,將其局部提高為1區(qū),其余區(qū)域均按照2區(qū)考慮。

圖2　綜合管廊標準斷面爆炸危險區(qū)域劃分

爆炸危險區(qū)域劃分圖由電氣專業(yè)繪制完成后,由提資的工藝專業(yè)進行確認可燃氣體的相關參數運用的正確性,確認無誤后,爆炸危險區(qū)域劃分圖將作為整個項目防爆區(qū)域劃分以及防爆設備選擇的依據。

(4) 對爆炸危險區(qū)域劃分圖的后續(xù)設計運用。爆炸危險區(qū)域劃分圖完成后,由電氣專業(yè)以提資的形式給到各個設計專業(yè),各個專業(yè)以此為基礎進行后續(xù)相關設計。

電氣專業(yè)在綜合管廊設計中,整個電氣系統(tǒng)包含變壓器、配電箱、就地雙切箱、檢修插座箱、照明燈具和各種開關、操作按鈕等設備。根據GB 50058—2014中第5.1.1條“爆炸性環(huán)境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。當需設在爆炸性環(huán)境內時,應布置在爆炸危險性較小的地點”,設備布置時將變壓器、配電箱、就地雙切箱等變配電設備設置在爆炸危險區(qū)域劃分圖的非爆炸危險區(qū)域。

在設計照明系統(tǒng)的燈具和開關以及必要的檢修插座箱等時,在爆炸危險區(qū)域內應選用防爆設備。防爆設備的選用應確定保護級別(EPL)、設備類別及溫度組別等要求: ① EPL根據GB 50058—2014中表5.2.2-1,按照危險區(qū)域等級進行選擇;確定EPL后,再根據GB 50058—2014表5.2.2-2對產品的防爆形式進行確認,確保電氣設備防爆結構能滿足項目的實際需求;② 防爆電氣設備的級別和組別不應低于該爆炸性氣體環(huán)境內爆炸性氣體混合物的級別和組別,利用爆炸危險區(qū)域劃分圖中可燃性氣體分級級別等參數,根據GB 50058—2014表5.2.2-3-1、表5.2.2-3-2來確定電氣設備的類別和溫度組別。

設計電氣線路時,應參考爆炸危險區(qū)域劃分圖中的爆炸危險區(qū)域與非爆炸危險區(qū)域的邊界劃分,對穿越不同區(qū)域的線路應進行保護、封堵和特殊處理;針對爆炸危險區(qū)域內的線路敷設,設計應滿足GB 50058—2014中5.4章節(jié)的條款要求。

4　實際設計中遇到的困難

在城市綜合管廊設計中,燃氣管道屬于燃氣公司負責,工藝專業(yè)無法得到、提供相關參數;管廊項目由土建專業(yè)主導,無工藝系統(tǒng)上的設計需求,因而危險場所分類表制作比較困難;由于規(guī)范的不完善以及現(xiàn)場案例的不足,爆炸危險區(qū)域的劃分只能按照化工裝置的典型案例進行類比參考。綜合管廊屬于地下空間設施,類比地上的建筑進行設計無疑很多數據、狀況無法吻合,影響電氣設計的準確性;通風的有效性在規(guī)范GB 3836.14—2014中附錄B有相關的計算公式進行計算,目前實際設計中僅按照至少1 h換氣6次來確定通風狀況良好。

5　結　語

城市綜合管廊電氣系統(tǒng)比較簡單,在爆炸危險區(qū)域設計時僅需考慮燃氣艙,各項目的釋放源、可燃氣體也基本類同,認為可以在制定防爆規(guī)范時新增燃氣艙的典型劃分圖或在國家標準GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》中增加燃氣艙的防爆具體針對性條款。

隨著城市、社會的不斷發(fā)展,城市綜合管廊將會大量地建設、服務于更多的城市和地區(qū),而最近提倡的智慧城市、人工智能的理念和技術將運用到綜合管廊中,而對爆炸區(qū)域的劃分這些新技術將會提供更多的檢測、預防和防范措施和條件,讓電氣設計時有更多的手段規(guī)避危險。