以天然氣作輔助燃料的垃圾電廠焚燒車間電氣防爆安全問題探討

胡海金

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381)

1 前 言

為點火或保證爐膛溫度穩(wěn)定，垃圾電廠需要輔助燃料，如輔助燃料采用天然氣，其焚燒車間的電氣防爆安全成為業(yè)內(nèi)關(guān)心的熱點問題，工程中做法差異性大。由于垃圾焚燒爐屬于非電氣火源的燃燒設(shè)備，以天然氣作輔助燃料的垃圾焚燒車間是否按防爆設(shè)計及如何保證燃?xì)庥脷獍踩珕栴}已成為項目消防審批的重中之重。目前，《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》CJJ90-2009對此無詳細(xì)規(guī)定，僅明確根據(jù)GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(下文簡稱《燃規(guī)》)、GB50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》(下文簡稱《爆規(guī)》)、GB3836. 14-2014 /IEC 60079-10-1： 2008 《爆炸性氣體 第14部分：場所分類 爆炸性氣體環(huán)境》(下文簡稱GB3836)等規(guī)范執(zhí)行[1]。本文參考現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范，對垃圾焚燒車間電氣防爆安全設(shè)計進(jìn)行分析探討。

2 垃圾焚燒車間是否防爆問題

2.1 根據(jù)垃圾焚燒爐屬于明火設(shè)備分析

2.1.1 垃圾焚燒項目屬于工業(yè)燃?xì)庥脩?，燃?xì)庥脷獍踩矫姹仨氉裱度家?guī)》)的相關(guān)規(guī)定，且可參照《爆規(guī)》、GB3836及石油行業(yè)規(guī)范SY/T 6671-2017《石油設(shè)施電氣設(shè)備場所I級0 區(qū)、1區(qū)和2區(qū)的分類推薦作法》(下文簡稱《石油規(guī)》)。

2.1.2 《燃規(guī)》附錄D.0.2的2款3)條：在生產(chǎn)過程中使用明火的設(shè)備的附近區(qū)域，可劃分為非爆炸危險區(qū)域[2]。

《爆規(guī)》3.2.2條第3款規(guī)定： 在生產(chǎn)過程中使用明火的設(shè)備附近，或熾熱部件的表面溫度超過區(qū)域內(nèi)可燃物質(zhì)引燃溫度的設(shè)備附近可化為非爆炸危險區(qū)域[3]。

從兩部規(guī)范規(guī)定的字面意思理解，如果垃圾焚燒爐為明火設(shè)備，則其焚燒車間就屬于非爆炸危險區(qū)域?；诖?，焚燒爐界定為明火設(shè)備。

2.1.3 《爆規(guī)》3.1.2規(guī)定了在爆炸性氣體環(huán)境發(fā)生爆炸應(yīng)同時具備兩個條件[3]，①存在可燃?xì)怏w、可燃液體的蒸汽薄霧，濃度在爆炸極限以內(nèi)；②存在足以點燃爆炸性氣體混合物的火花、電弧或高溫。根據(jù)爆炸條件，明火環(huán)境消除爆炸危險的前提條件是防止燃?xì)庑孤┗虿扇∑渌胧┳柚贯尫旁催_(dá)到爆炸極限等；即便按防爆場所采用防爆電器阻止電氣火花或電弧，也無法消除明火設(shè)備產(chǎn)生的非電氣火源。所以，明火設(shè)備場所采取電氣防爆欠合理性亦不現(xiàn)實。

2.1.4 垃圾焚燒爐正常運行期間為微負(fù)壓燃燒、不存在火焰外露；但焚燒工況不能夠保證任何情況下(包括正常情況和事故情況)燃燒火花絕對不外溢，且焚燒爐外殼不屬于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的隔爆外殼。因此，垃圾焚燒爐仍屬于明火設(shè)備。垃圾焚燒爐外殼不屬于《爆規(guī)》所說的熾熱表面，天然氣主要成分甲烷(CH4)的引燃溫度組別為T1(537℃)，焚燒爐表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于天然氣的引燃溫度，則焚燒爐也不屬于規(guī)范規(guī)定的熾熱表面溫度超過區(qū)域內(nèi)可燃物質(zhì)引燃溫度的設(shè)備，僅屬于明火設(shè)備。

綜上，垃圾焚燒爐屬于明火設(shè)備，并根據(jù)上述兩部規(guī)范得出垃圾焚燒車間屬于非爆炸危險場所。

2.2 從釋放源角度分析

2.2.1 《爆規(guī)》等對于爆炸危險區(qū)域劃分是一致的[2～5]，如其3.2.5條規(guī)定，爆炸危險區(qū)域劃分應(yīng)根據(jù)釋放源級別和通風(fēng)條件確定，即先要鑒別是否存在釋放源， 然后確定其釋放源級別，再根據(jù)通風(fēng)條件對場所進(jìn)行分類[3]。

2.2.2 垃圾焚燒爐通常有3個用氣點，垃圾焚燒車間燃?xì)夤艿老到y(tǒng)進(jìn)戶后在焚燒爐燃燒器用氣點附近有法蘭及閥門連接，相當(dāng)于《爆規(guī)》等規(guī)范規(guī)定的二級釋放源。假定一旦燃?xì)夤艿赖亩夅尫旁窗l(fā)生泄放時，釋放源附近必然形成高濃度局部空間,可以形象描述為高濃度“氣袋”[5]。通風(fēng)條件再好，理論上釋放點附近有達(dá)到爆炸極限的可能性，此危險區(qū)域大小與管道壓力、通風(fēng)速率、管道大小等因素有關(guān)，隨著通風(fēng)速率加大，形成爆炸危險區(qū)域隨之減小。如圖1所示，釋放源假定發(fā)生在法蘭和閥門連接處某點，為表達(dá)方便，引入三個概念：ψ為天然氣濃度，UEL為爆炸上限，LEL為爆炸下限。如附圖1所示的燃?xì)夤艿老到y(tǒng)爐前法蘭和閥門處一旦事故泄放，理論上將短時間形成A、B、C這三個區(qū)，顯然A區(qū)氣體濃度大于爆炸上限UEL(ψ>UEL)而不會形成爆炸危險區(qū)域，B區(qū)氣體濃度在爆炸極限范圍內(nèi)(UEL≥ψ≥LEL)將形成爆炸危險區(qū)域，C區(qū)氣體濃度將小于爆炸下限(ψ

圖1 燃?xì)夤艿老到y(tǒng)事故泄漏示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas pipeline accident leakage

2.2.3 參考《石油規(guī)》)6.6.2.3規(guī)定：如通風(fēng)良好，盡管靠近釋放源附近具有高濃度的小“氣袋”，但其氣體或蒸汽的濃度可視為均勻[5]；實現(xiàn)良好通風(fēng)的方法《石油規(guī)》與《爆規(guī)》有相同規(guī)定，如《爆規(guī)》3.2.4條，當(dāng)爆炸危險區(qū)域內(nèi)通風(fēng)的空氣流量能使可燃物質(zhì)很快稀釋到爆炸下限值的25%以下時，可定為通風(fēng)良好；且對于封閉區(qū)域，每平方米地板面積每分鐘至少提供0.3m3的空氣或至少1h換氣6次即定義為通風(fēng)良好[3]；《燃規(guī)》10.6.9條規(guī)定應(yīng)設(shè)置獨立的送排風(fēng)系統(tǒng)，正常換氣次數(shù)每小時不應(yīng)少于6次，事故換氣次數(shù)每小時不應(yīng)少于12次的要求[2]。兩本規(guī)范對于事故泄放情況下通風(fēng)良好的換氣次數(shù)不同，設(shè)計時按《燃規(guī)》從嚴(yán)執(zhí)行。

2.2.4 《燃規(guī)》10.6.9條還規(guī)定了燃?xì)庖牍軕?yīng)設(shè)手動快速切斷閥和緊急自動切斷閥，緊急自動切斷閥停電時必須處于復(fù)位關(guān)閉狀態(tài)；10.8.1規(guī)定了應(yīng)設(shè)置燃?xì)鈭缶到y(tǒng)；10.8.4規(guī)定了緊急快速切斷閥應(yīng)安裝在燃?xì)夤芤朦c處的戶外，并且當(dāng)燃?xì)庑孤舛冗_(dá)到設(shè)定值(一般為爆炸下限的50%)時，由燃?xì)鈭缶刂破髀?lián)動自動關(guān)閉[2]。事實情況為當(dāng)燃?xì)庑孤┨綔y器檢測到可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸下限(LEL)的20%時，聯(lián)動事故風(fēng)機啟動，快速稀釋釋放出來的燃?xì)鈁2]；當(dāng)燃?xì)庑孤┨綔y器檢測到可燃?xì)怏w濃度達(dá)到50%LEL時，聯(lián)動關(guān)閉燃?xì)夤艿郎系目焖偾袛嚅y，此時切斷垃圾焚燒爐燃燒器入口處的部分管道內(nèi)有少許燃?xì)?，這少部分燃?xì)庑”壤龔尼尫劈c釋放，大比例還是從垃圾焚燒爐燃燒器正常燃燒消耗；當(dāng)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)余壓迅速與大氣壓平衡時，停止了釋放；同時考慮事故風(fēng)機的機械通風(fēng)效應(yīng)，所形成的爆炸危險區(qū)域不但范圍極小，持續(xù)時間也短暫。綜上，理論上的爆炸2區(qū)極小且持續(xù)時間很短，工程上可以忽略。

2.2.5 工程中是否做防爆設(shè)計，不僅取決于場所內(nèi)是否有釋放源及釋放量在空氣中能否達(dá)到爆炸極限，還應(yīng)考慮釋放源釋放量所產(chǎn)生小范圍爆炸所帶來的危害程度。

2.2.6 有技術(shù)人員曾試圖按《爆規(guī)》附錄 B.0.1第5條辦法劃分，可燃?xì)怏w輕于空氣且通風(fēng)良好的生產(chǎn)裝置區(qū)爆炸危險區(qū)域劃分(如圖2)：以釋放源為中心水平半徑4.5m，釋放源向下最大到4.5m，頂部距釋放源7.5m及釋放源至地面以上區(qū)域劃分為2區(qū)[3]。此劃分結(jié)果明顯過嚴(yán)，僅適用于連續(xù)而沒有任何阻止措施的釋放；而本文所討論的釋放情況已采取安全保障措施，一方面燃?xì)鈾z測系統(tǒng)與事故通風(fēng)系統(tǒng)共同作用而保證了通風(fēng)良好，進(jìn)而快速稀釋了釋放濃度；另一方面聯(lián)動關(guān)斷了燃?xì)夤艿揽焖偾袛嚅y進(jìn)而控制了釋放源泄放的可燃物質(zhì)的量，從而保證了不會形成像圖2的爆炸區(qū)域。

圖2 通風(fēng)良好的裝置區(qū)爆炸危險區(qū)域范圍Fig.2 Area of explosive danger area in well ventilated area

2.3 小結(jié)

2.3.1 從相關(guān)規(guī)范規(guī)定的明火環(huán)境分析垃圾焚燒車間屬于非爆炸危險區(qū)域。

2.3.2 從燃?xì)夤艿泪尫旁唇嵌炔⒔Y(jié)合通風(fēng)良好、燃?xì)鈾z測報警及聯(lián)動燃?xì)夤艿揽焖偾袛嚅y措施分析表明，盡管理論上在焚燒爐燃燒器附近的法蘭及閥門連接處(二級釋放源)存在爆炸危險區(qū)，但就垃圾焚燒車間而言，燃?xì)夤艿老到y(tǒng)簡單且容易控制， 采取加大通風(fēng)量及燃?xì)鈭缶?lián)動關(guān)斷快速切斷閥進(jìn)而阻止釋放量的措施后，此危險區(qū)極小且持續(xù)時間很短暫，研究分析認(rèn)為工程上可以忽略，不必因為釋放源而劃為爆炸危險區(qū)。

3 垃圾焚燒車間用氣安全保障措施分析

3.1 安全用氣保障措施的可靠性

垃圾焚燒車間屬于非爆炸危險區(qū)域，是建立在通風(fēng)良好、具有燃?xì)鈭缶到y(tǒng)及自動聯(lián)動燃?xì)夤艿揽焖偾袛嚅y的安全保障措施基礎(chǔ)上。因此，工程實踐中必須重視用氣安全保障措施的可靠性問題。

3.1.1 垃圾焚燒車間燃?xì)夤艿郎系娜細(xì)饪焖偾袛嚅y的可靠性

燃?xì)饪焖偾袛嚅y設(shè)計中由燃?xì)夤に囘x定，應(yīng)選擇可靠的符合國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，必要時也可以冗余配置。但從用氣安全角度，快速切斷閥供電可靠性要求并不高，《燃規(guī)》規(guī)范要求采用斷電自動復(fù)位關(guān)斷型[2]。

3.1.2 事故通風(fēng)系統(tǒng)可靠性

《爆規(guī)》3.2.4條第2款規(guī)定[3]：當(dāng)采用機械通風(fēng)時，下列情況可不計及機械通風(fēng)故障的影響：(1)封閉或半封閉建筑物設(shè)置備用的獨立通風(fēng)系統(tǒng)；(2)當(dāng)通風(fēng)設(shè)備發(fā)生故障時，設(shè)置自動報警或停止工藝流程等確保能阻止可燃物質(zhì)釋放的預(yù)防措施，或使設(shè)備斷電的預(yù)防措施。

《爆規(guī)》明確了通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性問題，但遺憾的是實際工程中均未對事故風(fēng)機故障采取應(yīng)對措施。研究認(rèn)為，采用備用、獨立的通風(fēng)系統(tǒng)是符合實際的，事故風(fēng)機做N+1冗余配置即可?！侗?guī)》3.2.4條第2款(2)款的辦法不符合本文情況，因為風(fēng)機故障報警做不到全面、直接，停止工藝流程會造成生產(chǎn)中斷，且管道末端有余氣。此外，事故風(fēng)機供電應(yīng)該可靠，采用雙回電源供電并且最末級自動切換，保證電氣設(shè)備及線路的可靠性，甚至必要時其過載保護(hù)不動作于跳閘而動作于信號等措施，進(jìn)而達(dá)到供電可靠的目的。

3.1.3 燃?xì)鈭缶到y(tǒng)可靠性

(1)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)釋放源一旦泄漏，安全保障措施中首要燃?xì)鈭缶到y(tǒng)報警可靠并聯(lián)動事故風(fēng)機及燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的緊急切斷閥。為此，要求燃?xì)鈭缶到y(tǒng)必須可靠。

(2)關(guān)于燃?xì)鈭缶到y(tǒng)可靠性有多方面。首先探測器、報警器等設(shè)備應(yīng)可靠并全面探測，必要時應(yīng)冗余配置，尤其重要部位(釋放源處)的探測器建議冗余配置；然后是探測器必須按規(guī)定時間檢驗標(biāo)定；還有電源要可靠，通常雙電源供電且末端自動切換，而且報警器自帶電池等。因為如果燃?xì)鈭缶到y(tǒng)失靈，等于安全保障措施全部失靈，僅能靠人為檢漏，因城鎮(zhèn)燃?xì)饧映簦尚嵊X識別。

(3)《石油規(guī)》6.8.2條對燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)的燃?xì)馓綔y設(shè)備的可靠性有明確的規(guī)定，總結(jié)重點摘錄如下[5]：

①氣體探測器應(yīng)固定且永久安裝，不能采用便攜式設(shè)備；

②氣體探測設(shè)備必須獲得國家權(quán)威機構(gòu)認(rèn)可；

③氣體探測器應(yīng)按制造商所規(guī)定的頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，并按國家有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢測。一般每3個月至半年標(biāo)定一次；

④允許用戶提供旁路斷電系統(tǒng)或其它“矯正動作”設(shè)備以便進(jìn)行標(biāo)定和維護(hù)。

3.2 設(shè)計中還應(yīng)注意的問題

除了上文所述的安全措施外，筆者提倡設(shè)計中還應(yīng)采取下列輔助措施。

3.2.1 防止局部燃?xì)夥e聚

天然氣比空氣輕，應(yīng)防止燃?xì)夥e聚在頂部下方；為此要求暖通專業(yè)設(shè)計事故風(fēng)機時盡量設(shè)在屋頂?shù)淖罡唿c而不是設(shè)在側(cè)墻的高處，頂棚下不建議安裝燈具等電器；

3.2.2 事故風(fēng)機配電線路按電氣防爆要求設(shè)計

暖通專業(yè)相關(guān)規(guī)范規(guī)定事故風(fēng)機采用防爆電機，而無規(guī)范限制事故風(fēng)機的供電線路是否防爆。既然事故風(fēng)機防爆，其配電線路理應(yīng)滿足《爆規(guī)》的規(guī)范要求。

3.2.3 保障防雷及接地安全

為了安全垃圾焚燒車間按二類防雷建筑物設(shè)計，并且燃?xì)夤艿雷龊梅漓o電接地。

3.2.4 考慮應(yīng)急斷電方便

垃圾焚燒車間用電設(shè)備電源能在控制室及其它方便集中管理且方便操作地方設(shè)置應(yīng)急斷電開關(guān)，便于非常緊急情況下斷電停爐操作。

4 結(jié) 論

最后筆者將本文觀點總結(jié)如下，供行業(yè)內(nèi)讀者進(jìn)一步分析探討：

4.1 以天然氣為輔助燃料的垃圾焚燒車間屬于非爆炸危險區(qū)域。因此，不必進(jìn)行電氣防爆設(shè)計，更不必采用防爆燈等防爆電器。

4.2 垃圾焚燒爐燃燒器附近存在法蘭及閥門連接處屬于二級釋放源，由于采取可靠的用氣安全保障措施，不必因釋放源而劃分爆炸危險區(qū)域。

4.3 設(shè)計中應(yīng)對用氣安全保障措施的可靠性給以足夠的重視。