爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分常見問題分析

隋陽

(北京石油化工工程有限公司 西安分公司,陜西 西安 710075)

爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分是電力裝置設(shè)計(jì)的重要依據(jù),也是人身和財(cái)產(chǎn)安全的重要保障。本文結(jié)合工程實(shí)例,分析在繪制爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖時遇到的常見問題。

1 爆炸性氣體混合物的分級

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中,繪制爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖的專業(yè)人員接收到危險(xiǎn)性介質(zhì)釋放源條件后,會根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄C[1],確定可燃性氣體的分級、分組,再根據(jù)混合氣體中最高等級的級別、組別來確定電力設(shè)備的最低要求,但該做法是不規(guī)范且不全面的。在石油化工裝置中,爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備應(yīng)按危險(xiǎn)區(qū)域劃分進(jìn)行選型,故需判定爆炸危險(xiǎn)環(huán)境氣體或蒸汽混合物分類,指導(dǎo)設(shè)備選型[2]。對可燃性爆炸危險(xiǎn)介質(zhì)混合物的分級,一般可用勒夏特列關(guān)系式確定該類介質(zhì)混合物的最大實(shí)驗(yàn)安全間隙(MESGmix),來評估其分級。很多情況下,按體積分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)算的爆炸性氣體混合物中,高等級危險(xiǎn)介質(zhì)占比很小,經(jīng)計(jì)算后的爆炸性氣體混合物的級別會降低,可進(jìn)一步降低工程投資。

以筆者設(shè)計(jì)過的天然氣凈化裝置為例,分析爆炸性氣體混合物的分級問題。天然氣凈化裝置原料氣中主要的爆炸性氣體為甲烷,并同時存在乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、氫氣、硫化氫等。主要可燃性氣體為鏈烷類,分級為IIA級,但由于存在硫化氫、氫氣等分級更高的可燃性氣體,提高了爆炸性氣體混合物的分級。

利用公式計(jì)算MESGmix,危險(xiǎn)性介質(zhì)釋放源條件見表1所列。

表1 危險(xiǎn)性介質(zhì)釋放源條件

表1中各易燃物MESGi, mix值均引自GB/T 3836.11—2017《爆炸性環(huán)境 第11部分: 氣體和蒸氣物質(zhì)特性分類 試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)》[3]。其中,氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)小于5%,采用無限大的最大實(shí)驗(yàn)安全間隙。根據(jù)GB/T 3836.11—2017混合氣體最大實(shí)驗(yàn)安全間隙的計(jì)算如式(1)所示[3]:

(1)

式中:φi——第i種組分在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù),%;MESGi, mix——第i種組分的最大實(shí)驗(yàn)安全間隙,mm。

將各組分的MESGi, mix值和體積分?jǐn)?shù)分別代入式(1)得出:MESGmix=1.106mm。根據(jù)GB 50058—2014中表4,混合氣體分級歸為IIA級。雖然硫化氫分級為IIB級,但由于混合氣體中硫化氫(按體積計(jì))占比很小,經(jīng)計(jì)算后爆炸性氣體混合物的級別歸為IIA級。

2 露天場所對爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的影響

文獻(xiàn)[1]要求,露天場所可定義為通風(fēng)良好場所;當(dāng)通風(fēng)良好時,可降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級[1]。需注意的是“可降低”并不是取消,也就是說,即便通風(fēng)良好,也不能理解為可以取消爆炸危險(xiǎn)區(qū)域[4]。由于該規(guī)范中只提出了“可降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級”,卻并未明確說明可降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級的具體實(shí)施辦法。讀者很容易得出,露天場所的連續(xù)級釋放源可劃分為1區(qū)區(qū)域,一級釋放源可劃分為2區(qū)區(qū)域,二級釋放源可不劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)這種不全面的理解或結(jié)論。

筆者在查閱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》后[5],對露天場所通風(fēng)條件對爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的影響有了更全面的理解。在分析露天場所通風(fēng)條件對爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的影響時,即便是通風(fēng)的有效性是“良好”,還需考慮通風(fēng)等級的影響。結(jié)合文獻(xiàn)[5]中獨(dú)立通風(fēng)對區(qū)域類型的影響的規(guī)定,才能最終確定能否降低釋放源可劃分區(qū)域等級。

在文獻(xiàn)[5]中對自然通風(fēng)的要求是: 對戶外場所,一般情況下,判斷通風(fēng)條件應(yīng)以假設(shè)最小風(fēng)速0.5 m/s為基礎(chǔ),且連續(xù)地存在。該種情況下,通風(fēng)的有效性應(yīng)被看作是“良好”。在戶外場所,除非假設(shè)體積非常小或有有效的限制空氣流動的措施,應(yīng)被視為中級通風(fēng)(VM)。在確定通風(fēng)等級時,也可以根據(jù)文獻(xiàn)[5]中公式計(jì)算通風(fēng)等級。

以筆者設(shè)計(jì)的某天然氣凈化裝置為例,釋放源主要為法蘭及閥門處,某天然氣凈化裝置的戶外場所甲烷氣體的釋放特性及通風(fēng)特性見表2所列,表2中分析的可燃性物質(zhì)為甲烷氣體。

表2 某天然氣凈化裝置的戶外場所甲烷氣體的釋放特性及通風(fēng)特性

文獻(xiàn)[5]中新鮮空氣最小體積流速計(jì)算如下所示:

(2)

式中: (dV/dt)min——新鮮空氣的最小體積流速,m3/s;(dm/dt)max——釋放源的最大釋放速率,kg/s;LELm——爆炸下限,kg/m3;k——適用于爆炸下限的安全系數(shù);T——環(huán)境溫度,K。

(3)

式中:VZ——假設(shè)體積,m3;f——允許阻止空氣流動的參數(shù),即通風(fēng)效率系數(shù);C——單位時間內(nèi)新鮮空氣置換(充入)的次數(shù),s-1;

(4)

式中:t——持續(xù)時間,s;LELV——爆炸下限,%;φ0——用與LEL相同的單位所測量的可燃性物質(zhì)的初始體積分?jǐn)?shù),%。

將表2數(shù)據(jù)代入式(2),式(3):

露天場所假設(shè)容積V0在戶外中的合理值為3.4×103m3[5],VZ小于V0,則

綜上,通風(fēng)等級考慮被視為中級(VM)。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中表B.1得出最終結(jié)論: 在露天場所通風(fēng)等級“中級”,通風(fēng)有效性“良好”情況下,釋放等級為連續(xù),區(qū)域分類為0區(qū);釋放等級為1級,區(qū)域分類為1區(qū);釋放等級為2級,區(qū)域分類為2區(qū);爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級并沒有在露天場所條件下降低,并且只有當(dāng)通風(fēng)等級為高級(VH)時,才可降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級。

3 確定爆炸危險(xiǎn)區(qū)域

在確定爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的具體范圍時,需要按照釋放源的等級和位置、可燃物質(zhì)的特性、通風(fēng)條件、障礙物及生產(chǎn)條件、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定,在劃分危險(xiǎn)區(qū)域時需要考慮比較多的影響因素[6]。

天然氣凈化裝置經(jīng)常會用到燃?xì)鈱?dǎo)熱油鍋爐,其周圍爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分爭議頗多。結(jié)合筆者繪制爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖的經(jīng)驗(yàn),以該鍋爐為例,通過新的分析思路,劃分其周圍的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域,劃分方式如下:

1)分析該鍋爐附近是否為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的要求,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,可劃為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域,所以需要進(jìn)一步分析該鍋爐是否為使用明火設(shè)備。根據(jù)GB 50160—2008(2018版)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定,明火設(shè)備是指燃燒室與大氣連通,非正常情況下有火焰外露的加熱設(shè)備和廢氣焚燒設(shè)備[7]。然而該鍋爐爐體封閉,留有不可開啟式觀火窗口,火焰在正常情況下及非正常情況下均不外露。因此,該鍋爐雖然爐體內(nèi)部有火焰,卻為非明火設(shè)備。根據(jù)SY/T 0524—2016《導(dǎo)熱油加熱爐系統(tǒng)規(guī)范》要求,加熱爐爐墻、煙風(fēng)道、輔助設(shè)備、管道及閥門應(yīng)具有良好的密封和保溫性能。當(dāng)周圍環(huán)境溫度為25 ℃時,距門(孔)300 mm以外的爐體外表面溫度不得超過50 ℃[8]。而甲烷的引燃溫度為537 ℃,其可燃性爆炸危險(xiǎn)介質(zhì)混合物的引燃溫度分組最高為T3組別,遠(yuǎn)高于爐體外表面溫度。綜上,該鍋爐附近不能劃分為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)。

2)分析該鍋爐是否為釋放源。該鍋爐有可能為釋放源的有4個部位,分別為鍋爐本體,燃燒器,天然氣進(jìn)氣管道入口處的法蘭、閥門、積液器排放口,天然氣進(jìn)氣管道入口處的工藝程序控制閥。根據(jù)上文對于鍋爐本體的分析,該鍋爐爐體封閉,輸送至爐體內(nèi)部的天然氣與空氣經(jīng)點(diǎn)火器點(diǎn)火燃燒,甲烷氣體無法擴(kuò)散到爐體外部。因此鍋爐本體為非釋放源;對于燃燒器,根據(jù)工藝聯(lián)鎖,鼓風(fēng)機(jī)啟動后,才允許天然氣進(jìn)入燃燒器,由于鼓風(fēng)機(jī)持續(xù)將空氣送入,燃燒器內(nèi)為負(fù)壓,天然氣無法擴(kuò)散至燃燒器外部,因此燃燒器為非釋放源;根據(jù)文獻(xiàn)[1]中規(guī)定,天然氣進(jìn)氣管道入口處的法蘭、閥門、積液器排放口,天然氣進(jìn)氣管道入口處的工藝程序控制閥,為二級釋放源。

3)確定該鍋爐周圍的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)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》規(guī)定,充分通風(fēng)的非封閉場所內(nèi)的螺紋連接、法蘭、隔斷閥和止回閥周圍的區(qū)域,不需要進(jìn)行劃分[9]。根據(jù)GB 50058—2014中附錄B規(guī)定: 位于通風(fēng)良好而未封閉的區(qū)域內(nèi)的截?cái)嚅y和止回閥周圍的區(qū)域可不分類。因此,對于天然氣進(jìn)氣管道上的法蘭、隔斷閥、止回閥周圍的區(qū)域不劃為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域;對于天然氣進(jìn)氣管道入口處的積液器排放口,正常工作情況下為關(guān)閉狀態(tài),按隔斷閥考慮。極少數(shù)處于開啟狀態(tài)時,該鍋爐同時處于未工作狀態(tài),積液器內(nèi)只存有少量可燃性氣體,可燃物質(zhì)可能出現(xiàn)的最高濃度不會超過爆炸下限值的10%。同時,應(yīng)有專業(yè)人員書寫操作指導(dǎo)書,采取措施確保積液器排放口開啟時,不形成爆炸危險(xiǎn)性環(huán)境。在此基礎(chǔ)上天然氣進(jìn)氣管道入口處的積液器排放口可不劃為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域;根據(jù)GB 50058—2014中規(guī)定: 位于通風(fēng)良好的而未封閉的區(qū)域內(nèi)的工藝程序控制閥周圍的區(qū)域,在閥桿密封或類似密封周圍0.5 m的范圍內(nèi)可劃為2區(qū)。

綜上所述,該鍋爐需要劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)樘烊粴膺M(jìn)氣管道的工藝程序控制閥閥桿密封周圍0.5 m的范圍內(nèi)為2區(qū)。

4 繪制爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖

GB 50058—2014中總則部分規(guī)定,爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分應(yīng)由負(fù)責(zé)生產(chǎn)、設(shè)備和工藝的專業(yè)人員以及安全、電氣專業(yè)的工程技術(shù)人員共同商議完成。GB 3836.14—2014的總則規(guī)定,場所分類應(yīng)由懂得可燃性物料性能、熟悉設(shè)備和工藝性能的專業(yè)人員進(jìn)行,還應(yīng)與懂得安全、電氣、機(jī)械及其他有資質(zhì)的工程技術(shù)人員商議。

在現(xiàn)實(shí)工程設(shè)計(jì)中,筆者所在設(shè)計(jì)公司以及了解到的其他設(shè)計(jì)公司中,多數(shù)公司由電氣專業(yè)相關(guān)人員繪制,部分公司由安全專業(yè)相關(guān)人員繪制。工藝、設(shè)備及相關(guān)專業(yè)負(fù)責(zé)提供危險(xiǎn)性介質(zhì)釋放源條件,由于專業(yè)的局限性,電氣及安全專業(yè)對項(xiàng)目工藝流程及設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)很難全面理解,對可能釋放可燃性氣體或蒸汽的部位或地點(diǎn)也無法定位準(zhǔn)確,最終造成爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分存在不準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)。以第3章為例,如不仔細(xì)分析工藝特點(diǎn)及流程,很容易將燃?xì)鈱?dǎo)熱油鍋爐作為明火設(shè)備,將該鍋爐周圍劃為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域;或者將該鍋爐作為整體設(shè)備,鍋爐周圍全部劃為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。

筆者認(rèn)為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖應(yīng)嚴(yán)格遵循GB 50058—2014的規(guī)定,應(yīng)由負(fù)責(zé)生產(chǎn)加工介質(zhì)性能、設(shè)備和工藝性能的專業(yè)人員繪制,并且在繪制完成初版后,由項(xiàng)目(設(shè)計(jì))經(jīng)理組織電氣、安全等有關(guān)專業(yè),共同商議、研究決定終版圖紙,并由負(fù)責(zé)生產(chǎn)、設(shè)備和工藝的專業(yè)人員繪制終版的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖及發(fā)表,電氣、安全等有關(guān)專業(yè)應(yīng)在終版的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖上進(jìn)行會簽。

5 結(jié)束語

對于GB 50058—2014的理解和使用,不能流于形式,停于表面,只有深入分析爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分原理,并結(jié)合現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,才能在工程設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確地繪制爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖。