地埋式污水处理厂的电气自控防爆设计

肖 亮，赵颖然（天津市市政工程设计研究院，天津 300051）

1 引言

深圳某污水处理及回用工程建设规模为9000立方米/天，本工程采用A2O与膜技术结合的MBR处理工艺。该处理厂位于宿舍区的中心地带，为满足园区的整体规划要求，保证周围居民免受污水厂臭气的干扰，处理厂的相关建筑物均采用地埋式结构，如表1所示。

表1 地埋式结构对照参数

2 地埋式污水厂特点

由于地埋式建筑物本身的特点导致了运行人员不可能经常到现场操作控制电气设备，因此要求地下设备的运转必须采用自动控制运行。为此地埋式建筑物内的所有电气设备均采用PLC控制，并实现远程控制。

在废水处理过程中，有机物经大量微生物的共同作用，最终转化为甲烷、二氧化碳、硫化氢和氨气等，根据可燃气体特性（如表2所示）、有毒气体特性（如表3所示）可知，甲烷、硫化氢的火灾类别均为甲级。由于该厂的格栅间、调节池及生化池均为地下封闭式建筑物，且在污水处理过程中会不断产生甲烷等易燃物质，根据<爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范>GB50058-92的要求，此区域应划分为环境危险区域1区，即该区域应按爆炸性气体环境进行电气自控设计。

表2 可燃气体特性

表3 毒气体特性

3 防爆区的电气设计

防爆区电气设计主要包括：电气设备选型、安装、电缆敷设、接地及等电位等设计。在爆炸性气体环境中，电力设计应符合的基本规定是：宜将正常运行时发生火花的电气设备，布置在爆炸性危险性较小的或者没有爆炸性危险的环境内。因此设计在考虑防爆区的电气设计时，将厂区配电室、中央控制室设置在位于非防爆区内的膜池及综合车间构筑物二层，并将防爆区内的用电设备如：搅拌器、潜污泵、回流泵的电气控制元件断路器、接触器和热继电器等均放置在非防爆区的MCC柜内，现场仅采用隔爆型按钮箱。对于防爆区内设备配套的格栅电控柜，设计将其安装于毗邻非防爆区的膜池综合车间内，避免了在爆炸性环境下放置电气控制柜。

格栅及调节池为封闭式建筑物。依据规范，对该封闭式单体设置独立的机械通风系统和地下维护检修通道。依据计算，设计通风次数为30次/小时，风压为95Pa，其空气流量能使易燃物质很快稀释到爆炸下限值的25%以下，从而达到通风良好的效果。另外，将轴流风机的控制通过PLC与气体检测报警仪联动，以达到实现自动控制排风的要求。

电力电缆的设计中，防爆区的电缆均采用阻燃电缆，电缆线芯为铜芯。且防爆区电缆和非防爆区电缆均分层或分桥架敷设。防爆区内的动力电缆、按钮箱信号电缆截面均不低于2.5平方米，中性线和相线的截面均一致。电缆线路的敷设过程中，电缆一般穿钢管敷设，在危险区域敷设的电缆严禁有中间接头。当施工不可避免时候，应安装隔爆型的接线盒或者接线箱。

防爆区中出现甲烷的概率较大，且甲烷比空气轻。电气线路敷设应远离爆炸性气体的释放源，故将电气线路敷设在电缆沟中。为防止电缆沟内积水，应在电缆沟底做0.5%的纵坡，将沟内积水就近排放。电缆沟应在电缆敷设完成后填充石英砂，且电缆沟在穿越不同危险区域的时候，采用不燃性材料严密包封，如图1所示。

图1 电缆沟进入危险场所穿墙密封结构示意图

因防爆区内各单体均为地埋式构筑物，其接地系统应利用池壁及底板内的钢筋网作为接地体，利用侧壁内2根不小于集合16的钢筋作为自然引下线，池壁及底板内钢筋与钢筋之间可靠焊接，形成一个整体的网状电气通路，电气接地、自控接地共用一组接地系统，接地电阻不大于1.0欧姆。构筑物内PE干线、电气装置接地极的接地干线、电气设备的非带电金属外壳、电缆的金属外皮、金属栏杆、各种金属工艺管线及电缆支架等所有金属构件做总等电位联结。对于屏蔽电缆的屏蔽层和铠装电缆的铠装带要求可靠接地，接地点设置在非危险区域，如图2所示。

图2 屏蔽电缆屏蔽层多点接地示意图

4 防爆区的自控设计

防爆区的自控设计主要包括现场仪表选型、安装及缆线敷设。根据工艺要求，格栅间、调节池及生化池主要配置的仪表为现场检测仪表和在线分析仪表，具体配置如表4所示。

表4 现场检测仪表配置

以上所列仪表均位于防爆区，其选型应满足GB3836.1 83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》和GB3836.2 83《爆炸性环境用防爆电气设备隔爆型电气设备“d”》国家通用的爆炸性气体环境用电气设备技术要求的防爆型产品。其中现场检测仪表选用本安防爆型仪表，二线制，4～20mA输出；在线分析仪表选用美国哈希公司的防爆型仪表，防爆等级为ClassⅠ、DivissionⅡ，四线制，4～20mA输出。

图3 防爆区电气系统示意图

如图3所示，至防爆区的电气系统是由现场设备、连接电缆及关联设备组成。该电气系统应具有高度的安全可靠性。上面已对现场设备进行了介绍，下面就连接电缆和关联设备具体说明。

5 连接电缆

用于连接现场设备和关联设备的连接电缆既要避免受到诸如外界电磁场的干扰及与其他回路混触等因素的影响，又要在长度及缆芯结构上限制自身分布电容及电感所带来的附加能量，因此电源电缆选用阻燃型铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆；控制电缆选用阻燃型铜芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜网编织屏蔽电缆；模拟信号电缆选用阻燃型铜芯、镀锡铜芯聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜丝编织总屏电子计算机电缆。另外，在电缆敷设中值得注意的问题是：至防爆区的缆线与非防爆区的缆线应分层或分线槽敷设。

6 关联设备（安全栅）

所谓关联设备即安全栅是介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的电气设备，是用来限制控制室供给现场设备的电气能量，使出现在现场设备输入端子上的能量不能产生足以产生引爆危险气体的火花。本设计将安全栅放置在非危险场所的控制柜内，柜内所有至防爆区的缆线出口均配置安全栅。

为确保运行人员及时了解地埋式格栅间可燃及有毒气体的浓度情况，在格栅间内安装了气体检测报警仪。气体检测报警仪采用一拖三形式，即一台报警仪带三个探头（甲烷、硫化氢、氨气）。为提高报警系统的可靠性，采用不间断电源为气体检测报警仪供电；气体检测报警仪的信号与构筑物的通风机联动并将报警信号发送至中央控制室。

气体探头的安装位置应根据气体比重及场地情况确定。根据表5，甲烷、氨气的比重小于空气，故将其探头安装在距释放源2.5米处，硫化氢气体比重比空气重，其探头安装在距释放源0.5米处。探头贴墙安装，并与周围管线、设备之间留有1米的净空和出入通道。

表5 气体比重表

7 结论

随着城市化进程的快速发展，土地资源愈来愈宝贵，提高土地利用率已成必然。但污水处理厂占地面积较大且散发臭气，若将其设置在居民区，不但影响市容市貌，而且给周边居民带来极大困扰，因此建设地埋式污水处理厂已成为一种发展趋势。若要保证地埋式污水厂安全可靠的运行，特别是保证电气设备在防爆区的安全运行，提高地埋式污水处理厂的防爆电气自控设计水平显得尤为关键。

[1]张显力. 防爆电器概论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.

[2]马勇, 彭永瑧. 城市污水处理系统运行及过程控制[M]. 科学出版社, 2007.

[3]GB50058-92, 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范[S].

[4]GB50493-2009, 石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].