淺談發(fā)電廠內制氫站電氣防爆設計

蔣 航， 孫 磊， 劉 育

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

由于氫氣的密度較小，并且其熱傳導效率非常高，因此發(fā)電機組常會利用氫冷卻來提升發(fā)電機的工作效率。當發(fā)電廠發(fā)電機組冷卻模式為“水氫”或全氫冷時，必須為其提供氫氣供應系統(tǒng)。本工程制氫站的關鍵建筑物有氫氣的儲存罐間、分解生產間、化學檢驗間、電氣管控間等，其中氫氣儲存罐間和分解生產間有著非常高的爆炸風險，火災危險級別較高，爆炸危險類別為Q-2[1]。制氫站一旦發(fā)生火災或者爆炸事故，輕則毀壞發(fā)電廠設備及建筑物，重則中斷電力供應，且恢復時間較長，會對各行業(yè)的生產、生活帶來極大的干擾作用，同時還會帶來巨大的經濟損失。因此，在發(fā)電廠的安全運行過程中，制氫站的安全設計有著極其重要的作用。

1 氫氣來源及特性

氫氣的來源較多，但多數(shù)情況下是利用化石能源、含氫物、化學品生產副產品的氫氣回收、電解水制氫等方法制造氫氣。在利用化石原料制氫的方式當中，主要包含煤氣化制氫法、天然氣制氫和甲醇分解的方法；含氫元素物質的制氫手段有電解水和水解硼氫物等；化學產品生產副產品氫氣的回收主要有強堿和輕油裂解。分析以上幾種制氫方法的經濟性，電解水的制氫方法是成本最低的，電解水的電力資源可來源于太陽能或風能或其它能源。電解水制氫氣的機理非常簡單，只需要在放有氫氧化鈉的電解池中通入直流電，溶液中的水分子會在電極上產生水的電解反應，其電化學反應式為：

陰極：2H2O+2eH2↑+2OH-

(1)

陽極：2OH-2eH2O+1/2O2↑

(2)

總反應式：2H2O=2H2↑+O2↑

(3)

水分子在電解池中分解成O2和H2，然后在分離裝置進行分離，氣體通過分離器后經過洗滌、冷凝、去除水分后，氫氣被送到純化設備中，最終在儲存設備中保存。

2 發(fā)電廠制氫站風險區(qū)域的劃分

區(qū)域的劃分是對會產生爆炸風險的地點進行研究和分類的一種手段，有利于適當選取和設置危險區(qū)域中的電氣裝置，從而實現(xiàn)安全運行的目標，并將氫氣的級別和溫度加入到考查范圍中[2]。在運用可燃物的眾多場所中，并不能保障爆炸危險永遠不會出現(xiàn)，也不能保證設施永遠不會變成火源。因此，必須依照制氫站所在區(qū)域的爆炸風險程度，對危險區(qū)域進行劃分。

2.1 分區(qū)

全球各地對風險區(qū)域的分區(qū)不盡相同，但大體上可劃分為兩大體系：中國和大部分歐洲國家所參照的國際電工委員會(IEC)的分區(qū)模式；而以歐美等國為代表等國家則常使用北美的劃分模式。依據(jù)爆炸氣體環(huán)境出現(xiàn)的概率和持續(xù)時間，將危險場所劃分為下列幾個區(qū)域：

0區(qū)：爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長時間存在的場所；

1區(qū)：在正常運行的情況下，可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場所；

2區(qū)：在正常運行時，不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，如果出現(xiàn)也是偶爾發(fā)生并且僅是短時間存在的場所[3]。

2.2 釋放等級

連續(xù)級釋放源：連續(xù)釋放或預計長期釋放的釋放源。比如，持續(xù)對空氣敞開或長時間對大氣開放的易燃液體上方的區(qū)域。

2.2.1 一級釋放源

在正常運轉情況下，估計會釋放的釋放源頭。比如：在一般工作的情況下，估計釋放可燃物的泵、壓縮機或閥門的密閉處；在一般操作情況下，估計可燃物會釋放到空氣中的樣本采集點。

2.2.2 二級釋放源

在正常的運行狀態(tài)下，一般不存在釋放的可能，但其釋放也僅僅是在非常短的時間內完成釋放的源頭。比如：在裝置正常運轉的情況下，估計可燃物不可能釋放的泵、壓縮機和閥門處；在正常運轉的情況下，估計可燃物不可能釋放的法蘭、銜接件和管道處。

2.3 制氫站風險區(qū)域的劃分

在開展危險區(qū)域劃分的過程中，第一步要鑒別釋放源和明確釋放源的級別，并研究會影響風險區(qū)域的類別和其他要素，然后明確區(qū)域種類(0區(qū)、1區(qū)、2區(qū))，最終明確風險區(qū)域的范疇。本工程制氫站使用的是電解水的制氫方法，風險區(qū)域的劃分參照了《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》GB50058-2014的標準在該標準中明確表示其不適合用在使用電能進行制造并與生產過程相關連接的電解、電鍍等設備區(qū)域。多數(shù)情況下會依據(jù)《爆炸性環(huán)境第14部分:場所分類爆炸性氣體環(huán)境》 GB3836.14-2014和《石油設施電氣設備安裝區(qū)域一級、0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)區(qū)域劃分推薦作法》SYT6671-2006的規(guī)定進行風險區(qū)域的分類，制氫站的風險物為H2，釋放源為管道的法蘭。通過對釋放頻次、累積釋放量和通風率等參數(shù)，研究計算并明確風險區(qū)域的范疇。

3 發(fā)電廠制氫站防爆電氣設計要點

3.1 照明設計要點

3.1.1 照明配電箱

依據(jù)規(guī)范章程規(guī)定，在有爆炸風險的場所，不應裝設照明配電箱，需要把照明配電箱安裝在附近的一般環(huán)境中。本工程制氫站照明設計時把照明配電箱安裝在電氣控制室中，既保證了照明配電箱的安全性，又滿足了就近控制的要求。照明配電箱的設置高度常以其底部距離地面1.5 m的高度為最佳，在照明配電箱當中對于防爆區(qū)照明的回路必須安裝有雙極開關。選擇照明配電箱型號時，應考慮留有適量的備用回路(約占照明配電箱回路數(shù)的1/4至1/3)。應急照明充電檢測回路可加裝單相開關，工作時閉合，檢修時打開，接線方式如圖1所示。

圖1 應急照明回路接線方式

3.1.2 防爆燈具

對于存在爆炸風險的區(qū)域，其光源必須選用具有防爆功能的熒光燈等作為光源，且安裝在較低，并嚴禁安裝在氫氣釋放源頭的上方區(qū)域。設置在制氫站圍墻中、制氫站站外的燈具、吸頂燈、開關等都必須使用具有防爆功能的器具，從而可以有效防止或降低事故所導致的破壞性。

3.1.3 燈具開關

在存在爆炸風險的區(qū)域中，不可以安裝開關及插座，如有必要安裝時，必須選擇使用具有防爆功能的開關及插座。防爆燈需要配備雙極開關，并且該開關需要安裝在室外方便實現(xiàn)操控。

3.1.4 照明線路

依據(jù)制氫站的照明設計規(guī)范，處在爆炸風險或極有可能遭受沖擊的區(qū)域內，照明系統(tǒng)的線路電纜必須使用銅芯導線進行明敷。在管道內鋪設多條照明線路的情況下，線路的總條數(shù)不可以大于六條。同時在爆炸風險極高的區(qū)域中，管道中鋪設的導線總數(shù)不可以大于四根。而在防爆應急的照明線路當中，照明配電箱的線路總數(shù)為4根，在這當中具有防爆功能的照明線路3根(一根為接地線)，照明線路1根。安裝有防爆光源的線路需要與無防爆功能的線路分開鋪設。不同種類照明回路可按圖2所示安裝。

圖2 不同類型回路接線方式

因為在具有防爆功能的線路當中安裝有防爆功能的應急照明系統(tǒng)，所以，必須在防爆設計的基礎上再安裝單相開關，如圖2所示。從而照明配電箱到氫氣罐之間的照明線路，也必須進行相應的防爆安全設計，可以穿過水煤氣管道直接連接到氫氣罐室的門口。

3.2 電纜敷設

在電纜鋪設的標準中，具有防爆、防火需要的明鋪線路，必須使用埋砂鋪設的線纜溝。所以，在本工程的制氫站中所使用的線纜溝中必須采用充砂的方法進行線纜的鋪設。同時，在具有風險的區(qū)域內所采用的線纜中不可有接頭存在。在制氫站的電氣控制室中，還需要安裝一臺氫氣泄漏報警器，電解室中的風機、貯氫室中的風機都需要與氫氣泄漏報警器相連接，當氫氣濃度大于0.4%時，連接裝置啟動。同時，在存在火災及爆炸風險的區(qū)域中，有線纜溝與廠區(qū)線纜溝之間的接口必須做好隔火墻等措施，從而防止出現(xiàn)火災與爆炸等事故時導致危險區(qū)域的擴大。

3.3 防雷設計

制氫站在很大程度上具有一定的爆炸風險，并且在發(fā)生爆炸后會嚴重影響建筑中的設備，那么，需要采用獨立的防雷保護設計，并應采取防止雷電感應的措施。首先，根據(jù)避雷針高度和建筑物高度計算保護范圍半徑，當使用單根避雷針的時候，地面上保護范圍計算公式如下：

r=1.5hp

(4)

式中r為保護半徑/m；h為避雷針的高度/m；p為高度影響系數(shù)。

依據(jù)標準規(guī)定，h≤30 m時，P=1；30 m120 m時，取其等于120 m。在文中的制氫站中，其獨立避雷針的高度為30 m。

制氫站內被保護建筑物高度hx水平面上的保護半徑按以下公式計算：

hx≥0.5h時，rx=(h-hx)p=Δhp

(5)

式中rx為避雷針在hx平面上的保護半徑/m；hx為被保護建筑物的高度/m；Δh為避雷針的有效高度/m。

hx<0.5h時，rx=(1.5h-2hx)p

(6)

按照《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》GB/T50064-2014、《氫氣站設計規(guī)范》GB50177-2005等規(guī)定，避雷針安裝位置的確定需遵循以下原則：

(1)單獨的避雷針以及接地裝置與道路或建筑物入口和出口的間距等都不應小于3.5 m，否則需要使用均壓方法，或再鋪設瀝青等，同時也能在地面鋪設混凝土；

(2)獨立避雷針接地裝置(埋深1.5m)與接地網及地下管道的地中距離不小于3 m；

(3)避雷針與罐體呼吸閥的水平距離不應小于3 m；

(4)避雷針的保護范圍邊緣高出呼吸閥頂部不應小于2 m；

(5)避雷針與自然通風口的水平距離，不應小于1.5 m，與強迫通風口的距離不應小于3 m，與放空管口的距離不應小于5 m，避雷針的保護范圍應高出管口1 m以上。本工程中，制氫站圍墻外側布置有兩個點火油罐，安裝了兩支等高避雷針對其進行保護。為了達到聯(lián)合保護、擴大保護范圍的目的，在滿足本制氫站建筑保護范圍的條件下，制氫站區(qū)域的避雷針在滿足安全距離的情況下可靠近油罐方向，以進行聯(lián)合保護。通過計算表明，聯(lián)合保護能取得良好的防雷效果。制氫站區(qū)域大門旁需安裝一套觸摸式靜電消除器，用于消除進入制氫站人員身體攜帶的靜電，減少人體靜電對制氫站設備造成的危險。

3.4 接地設計

接地按用途可分為工作接地、保護接地、雷電保護接地、防靜電接地4種，為了保護建筑物和電氣設備的安全，需通過接地裝置將雷電流、靜電等導入大地。某發(fā)電廠土壤電阻率為85～95 Ω·m。

3.4.1 設計時需遵照以下原則

(1)水平接地體與建筑物外墻的距離不宜小于1.5 m；

(2)建筑中接地線順著房屋外墻水平鋪設的過程中，距離地面的間距需要維持200～250 mm之間，不沿墻進行鋪設時，接地線與房屋的外墻需要保持在10～15 mm的距離；

(3)室內接地體至少兩點與室外接地體牢固焊接；

(4)垂直接地極的間距不應小于其長度的兩倍，水平接地極的間距不宜小于5 m；

(5)單獨的避雷針適合安裝單獨的接地設備。當它的接地阻值高于10Ω或者其接地設備與主接地設備間距無法達到《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》DL/T620-1997中7.1.11b)條的標準時，其接地設備會與主接地設備相連接，如圖3所示，避雷針利用集中接地設備的引線與接地網相連接；

圖3 獨立避雷針接地布置圖

(6)儲存罐的周邊需要設立環(huán)形閉合接地設施(接地阻值不宜大于30 Ω)，儲存罐的接地點需要大于或等于兩個，接地點之間的距離不要超過40 m；

(7)人工接地網外緣應閉合，外緣各角應做成圓弧形，圓弧的半徑不宜小于均壓帶間距的一半；

(8)為便于施工，設計時垂直接地體的位置盡量避免與水平接地體的交接處重合。

3.4.2 對接地裝置進行施工時的注意事項

(1)接地扁鋼埋深1.5 m；

(2)在接地線進入建筑入口的地方，需要設立標識。明鋪的接地線，在其表面需要涂上1.5～10 cm寬的綠、黃條紋；

(3)無法維持正常電氣接觸的閥門、法蘭、彎頭等連接件也需要使用跨接的方法，接地方法中所使用的圓鋼，其半徑不得小于4 mm；

(4)金屬罐罐體鋼板的接縫、罐頂與罐體之間以及所有管、閥與罐體之間應保證可靠的電氣連接；

(5)接地設備的周邊道路或入口，需要設立帽檐式的均壓帶，同時在路面上鋪設礫石或瀝青；

(6)為了避免接地線遭到機械的損害，需要在接地線與電線管路以及其他會導致接地線受到機械破壞的地方，都需要使用管子或角鋼進行保護；

(7)管道及金屬橋臺應在其始端、末端、分支處以及每隔50 m處設防靜電接地，鶴管應在兩端接地；

(8)凈距小于100 mm的平行或交叉管道，應每隔20 m用金屬線跨接。

3.5 防火封堵

因為氫氣的密度與空氣相比而言較小，并且其擴散的速度較快，如果出現(xiàn)氫氣泄露的事故極易聚集在設備、容器、房屋的頂部。純氫氣具有在空氣當中遇火會燃燒甚至爆炸的風險；當氫氣與空氣的混合比到達一定程度時，遇火也可能引發(fā)爆炸。因此，除執(zhí)行安全操作外，發(fā)電廠做好有效的防火措施至關重要。

需要對電纜通道進行防火封堵的部位如下：

(1)各類表盤與配電屏的電纜孔洞及各層樓板的電纜留孔；

(2)輔助車間內部電纜通道通向廠區(qū)的所有接口；

(3)各輔助車間的電纜進入表盤的洞孔；

(4)廠區(qū)電纜溝道和隧道直線段不大于100 m為一個防火分隔點；

(5)廠區(qū)大型排管的人孔井的管口；

(6)廠區(qū)電纜構筑物中的高壓電纜中間接頭和終端頭等。

依據(jù)上述的規(guī)定，制氫站的范圍內必須開展封堵的位置有：線纜溝貫穿房屋外墻的洞口、柜底線纜出入口。

因阻火包有著較差的煙密性，浸水之后其防火功能會失效，所以，從安全性與穩(wěn)定性的角度出發(fā)，可以采用阻火包、防火泥、礦棉等一同進行封堵。柜底的線纜出入口需要采用防火涂層板進行封堵，其表面有著一定厚度的防火涂層，間隙處使用防火密封膠進行封堵。為了確保防火涂層板的穩(wěn)定性，在其下方常采用圓鋼進行支持與鞏固。

4 結 論

氫氣冷卻性良好，同時又是燃點低易爆炸的氣體。因而，制氫站設計者要對氫氣的性質完全了解，所有的設計思路都要圍繞安全這一原則。在首要考慮留出足夠安全范圍的基礎上，再通過減少導線和埋砂進一步增大安全性，最后再選擇能在安全范圍內能有效工作的電氣設備，以保證制氫裝置在安全范圍內有效可靠發(fā)揮其作用。在此設計思路的基礎上再去考慮諸如造價、效率、能耗才有意義。