國內(nèi)外PSA裝置爆炸危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)

吳禮林，代茂節(jié)

(西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 變壓吸附研究所，四川 成都 610000)

1 前 言

變壓吸附裝置(簡稱PSA裝置)主要以氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷等易燃易爆氣體提純?yōu)橹?，一旦發(fā)生泄漏，引起的燃爆事故將給化工企業(yè)的生產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。本文以普通電氣設(shè)計(jì)人員的視角，梳理總結(jié)國內(nèi)外PSA裝置爆炸危險(xiǎn)區(qū)域在劃分各專業(yè)職責(zé)和設(shè)計(jì)過程中的常見問題。

2 明確各專業(yè)在場所分類中的職責(zé)

相信從事電氣設(shè)計(jì)的同仁，在進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分時(shí)，往往困惑于某些規(guī)范條款不確定的概念，同時(shí)受限于不同專業(yè)知識(shí)的壁壘，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，盲目隨意的采取保守的方法進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域的范圍劃分，進(jìn)而增加了工程項(xiàng)目的投資成本。依據(jù)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》相關(guān)條款，場所分類應(yīng)由懂得可燃性物料性能的相關(guān)性和重要性、熟悉設(shè)備和工藝性能的專業(yè)人員進(jìn)行，并應(yīng)與懂安全、電氣、機(jī)械的工程技術(shù)人員商議，所以說爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分是一個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的過程，需要各專業(yè)人員間的充分溝通與協(xié)調(diào)。電氣專業(yè)在危險(xiǎn)區(qū)域劃分中屬于下游專業(yè)，需要根據(jù)其他專業(yè)所提條件嚴(yán)格按照規(guī)范要求劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的級(jí)別和范圍大小，同時(shí)又需要繪制爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖并將其作為基礎(chǔ)條件提供給所有其他專業(yè)，責(zé)任重大，務(wù)必謹(jǐn)慎；當(dāng)對(duì)條件存有疑問時(shí)，應(yīng)及時(shí)與上游專業(yè)溝通，督促對(duì)方完善條件，避免因上游專業(yè)的原因造成電氣專業(yè)遺漏應(yīng)劃分的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域致使各專業(yè)的設(shè)計(jì)存在隱患，并注意提醒上游專業(yè)能否采取進(jìn)一步的防護(hù)措施進(jìn)而從源頭上減輕爆炸危險(xiǎn)。通常情況下，各專業(yè)的職責(zé)如下。

工藝專業(yè)：提供爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖設(shè)計(jì)條件，包括易燃性物質(zhì)特性表、危險(xiǎn)場所劃分調(diào)查表、設(shè)備平(立)面布置圖；接收爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖并會(huì)簽。

電氣專業(yè)：負(fù)責(zé)繪制爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖，并作為設(shè)計(jì)條件提供給各專業(yè)。

安全、自控、暖通、給排水等專業(yè)：接收電氣專業(yè)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖并會(huì)簽。

3 對(duì)規(guī)范中不確定概念的理解

3.1 GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)危險(xiǎn)范圍劃分缺乏指導(dǎo)性

GB 50058—2014[1]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于確定爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍僅給出了原則性規(guī)定，對(duì)于列舉的大多數(shù)影響區(qū)域范圍的因素，規(guī)范并沒有說明該如何考慮其影響，不好操作，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也沒有得到很好的執(zhí)行，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都是套用典型示例。如真空泵管道實(shí)際運(yùn)行時(shí)壓力很小，甚至為負(fù)壓，此時(shí)，當(dāng)其中存在重于空氣的易燃物質(zhì)時(shí)，我們應(yīng)該怎么確定范圍？設(shè)計(jì)人員往往會(huì)以典型示例作為參考，忽視易燃物質(zhì)濃度、壓力等因素，直接套用示例按15 m劃分。參考IEC 60079—2020，規(guī)范根據(jù)釋放速率、通風(fēng)條件、釋放孔徑、相對(duì)密度等因素，結(jié)合計(jì)算公式和范圍圖表，給出了大致范圍，如采用此方法，劃分范圍會(huì)小很多。

希望GB 50058—2014標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)，在進(jìn)行充分試驗(yàn)論證的同時(shí)，借鑒國外相關(guān)做法，增加具有指導(dǎo)性、可操作性的危險(xiǎn)區(qū)域范圍劃分方法。

3.2 混合氣體中可燃物質(zhì)濃度很低時(shí)，是否需要?jiǎng)潪楸ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域？

GB 50058—2014中第3.2.2條表明“可燃物質(zhì)可能出現(xiàn)的最高濃度不超過爆炸下限值的10%時(shí)，可劃為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域”，這點(diǎn)是明確的，但當(dāng)可燃?xì)怏w可能出現(xiàn)的濃度正好在爆炸下限之下，而又大于爆炸下限的10%時(shí)，規(guī)范上并沒有明確表明如何確定是否為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，只提到區(qū)域范圍的定義，即“從釋放源到氣體/空氣混合物被空氣稀釋到低于爆炸下限的空間范圍，同時(shí)考慮爆炸下限適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)”，而適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)怎么取，取值范圍是多少則沒有明確的規(guī)定。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往按最保守的方法，把此類氣體看作釋放源進(jìn)行劃分，范圍大小則按相對(duì)密度來取值。顯然，對(duì)于大多數(shù)項(xiàng)目來說，這種劃分方法的合理性值得商榷。

值得關(guān)注的是，此類濃度的氣體在釋放過程中會(huì)形成超過爆炸下限的濃度嗎？在具備條件時(shí)，可以建模進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，但對(duì)于大多數(shù)工程應(yīng)用，只能加深對(duì)國內(nèi)外規(guī)范的理解再結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，比如對(duì)于重于空氣的氣體丙烷，從擴(kuò)散到下沉過程中，釋放時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)三種情況，一是氣體在高速無阻礙的射流釋放或風(fēng)速大于3 m/s并形成湍流時(shí)的釋放，此時(shí)，會(huì)提高氣體濃度稀釋速率，不會(huì)形成爆炸危險(xiǎn)環(huán)境；二是氣體低速擴(kuò)散射流釋放(通常稱為亞音速釋放)，會(huì)隨著釋放時(shí)間向地面輻射式擴(kuò)散，會(huì)出現(xiàn)氣體分層下沉并形成云團(tuán)的現(xiàn)象，此時(shí)某一云團(tuán)的濃度可能超過爆炸下限；三是通風(fēng)不良時(shí)氣體沿地面擴(kuò)散，在地勢低洼處可能會(huì)形成爆炸危險(xiǎn)環(huán)境。再如，對(duì)于氫氣等輕于空氣的氣體，通常情況下只需要將氫氣可能聚集的地方進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)說明即可。因此，針對(duì)以上各類情形，我們應(yīng)結(jié)合通風(fēng)條件、壓力大小、相對(duì)密度等因素，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，決定是否需要進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分，并說明某局部是否存在爆炸性環(huán)境。針對(duì)類似不確定性的問題，希望相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員在理論和實(shí)踐上進(jìn)行積極探索，研究建立爆炸火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境區(qū)域劃分的典型示例數(shù)據(jù)庫，或開發(fā)區(qū)域劃分的專用軟件，為設(shè)計(jì)單位、企業(yè)進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)環(huán)境區(qū)域劃分時(shí)提供方便。

3.3 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖紙的設(shè)計(jì)深度有何要求？

在進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域范圍劃分時(shí)，相關(guān)畫法一般參考GB 50058—2014附錄A.0.1圖示，設(shè)計(jì)深度按SHSG-053—2011 石油化工裝置詳細(xì)工程設(shè)計(jì)內(nèi)容規(guī)定來執(zhí)行。在GB 50058—2014附錄A.0.1示例圖中，并未示出潛在釋放源管道閥門、法蘭、取樣口的位置，在實(shí)際劃分中，是否可以忽略此類釋放源呢？這是很多電氣設(shè)計(jì)人員的困惑之處，以筆者之見，完全給出此類釋放源的位置來完成劃分操作較為繁瑣，實(shí)際意義有限，但我們可以示出界區(qū)邊緣壓力較高的管道閥門、取樣口或經(jīng)評(píng)估在故障時(shí)大概率造成泄漏的閥門(如原料氣或產(chǎn)品氣進(jìn)出界區(qū)閥門)為釋放源，合理的完善危險(xiǎn)區(qū)域范圍的劃分，避免在靠近PSA裝置進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)因劃分范圍考慮不全引起爆燃事故。

4 國外項(xiàng)目危險(xiǎn)區(qū)域劃分設(shè)計(jì)總結(jié)

今年陸續(xù)完成了多個(gè)韓國項(xiàng)目的電氣設(shè)計(jì)，其中，涉及到防爆標(biāo)準(zhǔn)、危險(xiǎn)區(qū)域范圍的確定等一系列問題，下面以筆者個(gè)人淺薄的理解對(duì)以上問題及解決辦法進(jìn)行梳理與總結(jié)，可供今后國外類似項(xiàng)目危險(xiǎn)區(qū)域劃分時(shí)借鑒與參考。

4.1 防爆標(biāo)準(zhǔn)

國外項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)甲方要求在技術(shù)協(xié)議中明確，以韓國項(xiàng)目為例，主要依據(jù)國際電工委員會(huì)IEC 60079系列標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)裝置性質(zhì)及應(yīng)用場合，也可采用美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API RP 505—2013《1類、0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)石油設(shè)施電氣設(shè)備位置分類的推薦實(shí)施規(guī)程》[3]和美國消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 497—2017《易燃液體、氣體或蒸氣的分類和化工生產(chǎn)區(qū)電氣裝置設(shè)計(jì)》[4]。

4.2 危險(xiǎn)區(qū)域范圍的劃分

按IEC 60079-10-1—2020[2]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域范圍劃分時(shí)范圍如何確定，規(guī)范給出了一個(gè)可參考的距離圖表，如圖1所示。

圖1 危險(xiǎn)區(qū)域范圍估算表

此方法是IEC估算危險(xiǎn)范圍的推薦方法，使用時(shí)應(yīng)符合規(guī)范所描述的應(yīng)用場合，如下所述。

1.圖1可作為確定各種釋放形式的危險(xiǎn)區(qū)域范圍的指南，曲線不適用于室內(nèi)中、低稀釋情況。

2.圖1中的曲線是根據(jù)不同“通風(fēng)速度”的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬(CFD)得出的，圖表中的距離是按最不利的情況考慮的。

3.該圖表代表了一些大規(guī)模情況的粗略近似值，但在小規(guī)模水平上相對(duì)不可靠。即使危險(xiǎn)距離可能小于1 m或高于圖1所示的距離，也不應(yīng)進(jìn)行超出圖中所示圖表區(qū)域的曲線外推，因?yàn)槠渌蛩貢?huì)影響評(píng)估，超出所示的限度。

4.應(yīng)根據(jù)釋放的類型選擇合適的曲線：1)高速無阻礙噴射式釋放裝置；2)低速擴(kuò)散射流釋放，或由于釋放的幾何形狀或射流對(duì)附近表面的撞擊而失去動(dòng)量的射流；3)沿水平表面(如地面)擴(kuò)散的重于空氣的氣體。

其中“噴射”曲線的使用應(yīng)該謹(jǐn)慎，大多數(shù)工程采用“擴(kuò)散”曲線表示。

Qc的取值關(guān)系到最終范圍的大小，從圖表中我們可以看出，其主要影響因子為氣體釋放速率Wg(kg/s)和氣體密度ρg。

由于氣體從裂口泄漏的速度與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。因此，計(jì)算泄漏量時(shí)首先要判斷泄漏時(shí)氣體流動(dòng)屬于音速流動(dòng)還是亞音速流動(dòng)。

當(dāng)式(1)成立時(shí)，氣體流動(dòng)屬于音速流動(dòng)。

(1)

其氣體釋放速率如式(2)。

(2)

當(dāng)式(3)成立時(shí)，氣體流動(dòng)屬于亞音速流動(dòng)。

(3)

其氣體釋放速率如式(4)。

(4)

式中，p為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；pa為環(huán)境壓力，Pa；γ為絕熱膨脹的多變系數(shù)；Cd為流量系數(shù)，是釋放孔的特征，考慮了湍流和粘度的影響，對(duì)于尖銳孔通常為0.50～0.75，對(duì)于圓形孔通常為0.95～0.99；S為截孔的面積；M為氣體或蒸氣的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；Z為壓縮系數(shù)(無量綱)，一般取1；R為通用氣體常數(shù)，8314.5 J/(kmol·K)；T為流體、氣體或液體的溫度，K，一般取293K。

最終計(jì)算的結(jié)果往往要小于相應(yīng)典型圖例標(biāo)示的危險(xiǎn)區(qū)域范圍，因此，在應(yīng)用此方法計(jì)算時(shí)應(yīng)盡量謹(jǐn)慎。

如果使用國家標(biāo)準(zhǔn)中給出的示例圖確定危險(xiǎn)區(qū)域范圍，可參考API RP 505第9.2節(jié)的相關(guān)做法，該做法是在調(diào)查和分析大量石油煉制工業(yè)的實(shí)踐基礎(chǔ)上，采用了可利用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并仔細(xì)衡量了諸如潛在釋放源的數(shù)量、釋放速度和可能的釋放量等相關(guān)因素后確定的，是針對(duì)煉廠的氣體或蒸氣，通常在高溫、高壓下連續(xù)運(yùn)行的工況。在異常情況下，這些物料的組成和性質(zhì)可能發(fā)生劇烈變化，危險(xiǎn)程度高，因此相對(duì)保守，GB 50058—2014中的部分常用圖例就是摘自此處。盡管這些推薦做法主要適用于煉廠場所，但是，一般認(rèn)為現(xiàn)代化的煉油廠還包括與煉制作業(yè)相關(guān)的傳統(tǒng)之外的設(shè)施。在加工程序上，石化和化工設(shè)施同煉油設(shè)備通常是相關(guān)聯(lián)的。本章的推薦作法可以應(yīng)用于這些在實(shí)質(zhì)關(guān)系或工藝相似性范圍中的附加設(shè)施。通常，PSA裝置應(yīng)用于煉廠時(shí)，優(yōu)先采用此推薦做法，應(yīng)用在其他場合時(shí)，可參考附錄D.5和D.6，其中包括含有重于空氣和輕于空氣的泵、壓縮機(jī)、閥門法蘭的劃分半徑推薦范圍。

5 結(jié) 語

以上是筆者近年來對(duì)國內(nèi)外PSA裝置爆炸性氣體環(huán)境電氣防爆設(shè)計(jì)的一些體會(huì)和總結(jié)，本著拋磚引玉的宗旨，目的是想進(jìn)一步完善PSA裝置爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分的要素，做到既不漏劃，也不隨意擴(kuò)大危險(xiǎn)區(qū)的范圍和級(jí)別，以合理的投資，取得最大限度的安全保障。