化工企业危险区域划分及电气设备选择

王芙蓉 福陆 (中国)工程建设有限公司 上海201103

化工企业的生产、加工、处理、贮存等装置中通常存在易燃或易爆的化学物料，因此这些场所会被定义为爆炸或火灾危险场所，区域内的电气设备应依据国家标准《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058－92进行选择。但是如果一个装置由于它的原料、产品有易燃物质，就把整个装置都认定为爆炸危险场所，既不经济，又不恰当。另一方面，化工的物料复杂多变，并不是所有物料的特性都能与国标中的例子很明确地对应起来，可能模棱两可，也可能对电气设备的要求很苛刻，造成防爆设备选择困难，若市场上没有相应设备供应，将给工程带来很多困难。这种情况下，危险区域划分和设备选择更需要仔细分析设计基础条件。化工工程中，爆炸性气体危险环境居多，本文仅对爆炸性气体危险环境进行分析。

1 爆炸的形成

爆炸的形成因素和过程见图1。

图1 爆炸的形成因素和过程

这里有几个重要的概念将重点分析。

闪点:在标准试验条件下，可燃液体能放出足量的蒸气并在液体表面处与空气形成能发生闪燃的气体混合物的液体最低温度。

引燃温度:在标准试验条件下，可燃物质不需要外来火源即发生燃烧的最低温度，也称为自燃点。

点火源:主要有明火、赤热表面、电气火花、静电火花、冲击和摩擦等等。

2 爆炸性气体危险环境划分及防爆电气设备的选择

在化工工程设计时，工艺人员应提供设计条件，包括释放源的位置，物料的名称、级别、组别、闪点、沸点、引燃温度、操作温度、压力、释放速度等信息。电气设计依据国标规范，结合设计条件对爆炸和火灾危险区域做等级划分之后，选择相应的电气设备，包括旋转电机、低压变压器类、低压开关和控制器类、灯具类、信号及报警装置类、仪表等。

爆炸性危险环境的划分，其根本源自对释放源的分析和判断，应首先明确以下内容。

2.1 爆炸性气体危险环境的级别

按释放源的级别和通风条件，爆炸性气体危险环境分为0区，1区，2区。

0区:连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境。

1区:在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境。

2区:在正常运行时不可能出现爆炸性气体混合物的环境，或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境。

危险区域的范围，应按GB50028－1992第二章第三节确定。

2.2 爆炸性气体混合物的爆炸级别

依照最大试验安全间隙或最小点燃电流 (最小引爆火花能量)来区分爆炸性气体混合物的级别，分为ⅡA、ⅡB、ⅡC三个级别，相应的最小引爆火花能量，见表1。

2.3 爆炸性气体混合物的组别或引燃温度

这是易燃性物质的气体或蒸气与空气形成的混合物在规定条件下被热表面引燃的最低温度。从组别T1到T6随着引燃温度的降低，其电气设备的防爆要求逐级提高。

表1 爆炸性气体混合物的级别 (mJ)

2.4 周围环境对防爆电气设备的选型要求

防爆设备的防爆型式应适用于其所在的爆炸危险区域。适用区域见表2。

表2 防爆型式与适用区域

周围环境条件的不同，在防爆电气设备选型时应同时考虑。在考虑以上几条基本要求后，进行爆炸危险区域划分，结合安全可靠、经济合理的原则，选择能满足要求的防爆电气产品。

3 案例分析

3.1 物料引燃温度低的案例

二氯硅烷 (Dichlorosilane以下简称DCS)，多存在多晶硅的生产装置中，设备存在二级释放源，如阀门、法兰等。DCS的特性是极易燃，引燃温度为44℃左右，并且有很强的水解性。

针对这种物料的危险区域划分及设备选择有多种观点。①DCS极易燃，应划为火灾危险区域，而非爆炸危险区域;②鉴于DCS的危险性，以及泄漏时释放的压力、速度、环境等不确定因素，DCS泄漏有可能会发生爆炸，应选择T6组别的设备 (电机、部分仪表无法满足);③划分为爆炸危险区域，选择T4或者更低组别的设备。

DCS易燃，同时还具有另一个重要特性——水解性，一旦泄漏，就会与空气中的潮气剧烈地反应，水解成盐酸气体伴有氢气，并形成白雾，产生大量的热量。这些热量在化工装置里具有危险性，如果同时有其他的爆炸危险性物料泄漏进入热辐射的区域 (DCS释放源附近)，可能成为其他物质的点火源，而发生爆炸。因此，第一种观点判定为非爆炸危险区域欠妥。

DCS水解反应之后，物料已经发生变化，原来的DCS已经不存在;即使存在少量未完全反应的也会被水解的热量引燃，彻底燃烧。所以第二种观点，担心DCS形成爆炸性混合物，过于谨慎的选择T6组别的设备是没有意义的。

笔者认为第三种观点是有充足判据的，根据工艺技术专利商的经验及运行中发生泄漏的实际情况证明，这个选择也是正确的。

结合专利商的经验，本案例采取以下措施:

(1)工艺、通风、建筑上采取一次防爆措施，本着消除0区，避免1区，减少2区的原则，合理布置设备，尽量减少阀门、法兰等释放源的数量，采用焊接连接方式。

(2)将DCS释放源周围15m划分为爆炸危险区域2区，按照装置内除DCS外的物料的最高级别和组别确定区域的级别和组别。

(3)爆炸危险区域内的电机、开关箱、照明、仪表等应按照相关标准规范防爆要求选择相应的防爆设备。

3.2 闪点明显高于最高操作温度

石油天然气行业标准《导热油加热炉系统规范》SY/T 0524－2008第4.6.3条规定:导热油加热炉系统运行区域为非防爆区。但规范中没有给出具体解释，定义为非防爆区的理由和判据。

笔者参读了美国国家标准《危险区域内的可燃液体、气体和蒸汽分类 (用于电气设备选择及安装)》NFPA 497－2008第 4.2.7.3条、4.4.2条，指出IIIB类的液体 (闪点等于或高于93℃的液体)即使在高温下也几乎不会变成气相而形成可燃性气体混合物，而且也几乎不会被正确安装、正常维护的通用电气设备引燃。IIIB类的液体在泄漏时会迅速地冷却至闪点以下。因此，几乎不需要定义危险区域。

实际上，如果闪点明显高于易燃液体的最高操作温度，就不会形成爆炸性气体混合物，也不需要划分爆炸危险区域。导热油加热炉就是最典型的例子。导热油型号不同，闪点有所不同，在200℃左右，但不论是何种型号的导热油，工艺流程上其闪点肯定高于最高操作温度。因此，导热油加热炉的运行区域属于非爆炸危险区域。

其他闪点高于93oC或闪点明显高于易燃液体的最高操作温度的情况，同理可判定为非爆炸危险区域。

3.3 内部明火的设备

燃气锅炉使用的燃气主要有天然气、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气。锅炉存在释放源，如阀门密封处，法兰、连接件和管道接头，放散管、取样口、吹扫口，压力、温度等传感器与燃气管道连接处。本案例的争议点在于，锅炉附近是否应划为非爆炸危险区。

3.3.1 划为非爆炸危险区的条件

《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058－92第2.2.2条中有一条:在生产过程中使用明火的设备附近，或炽热部件的表面温度超过区域内易燃物质的引燃温度的设备附近，划为非爆炸危险区域。笔者尚未见到现行国家标准对确定非爆炸危险区域的范围的明确规定。参照石油化工行业标准，确认使用明火的设备 (有稳定的、持续的外露火焰)附近或炽热部件的表面温度超过区域内易燃物质引燃温度的设备附近为非爆炸危险区域，但该区域亦仅为设备周围1.5m范围。

符合以下两种条件之一时可确认为非爆炸危险区域。

(1)有稳定的、持续的外露火焰。

(2)有稳定的、持续的炽热表面，且其表面温度超过燃气的引燃温度。

《石油化工企业设计防火规范》GB 50160－2008为确定设备、建筑物平面布置的防火间距，提出“明火设备”的概念，即第2.0.8条:明火设备是指燃烧室与大气连通，非正常情况下有火焰外露的加热设备和废气焚烧设备。条文说明第5.2.1条中亦明确指出:明火设备主要指明火加热炉、废气焚烧炉、乙烯裂解炉等。

而针对第二项条件，燃气锅炉常见燃气的引燃温度:天然气550℃，焦炉煤气450～650℃，高炉煤气550～650℃，转炉煤气550～630℃。也就是说，设备表面温度应超过燃气的引燃温度450～650℃才能满足该条件。

3.3.2 锅炉附近不属于非爆炸危险区的判据

(1)燃气锅炉附近不存在稳定的或持续的外露火焰。

炉膛是锅炉设备的燃烧室，是一个四周用砖墙砌成 (或用混凝土浇成)的相对密闭空间，炉膛与炉外连通的仅有点火孔、看火孔、人孔、防爆门等。这些与炉外连通的孔均设有炉门，正常情况封闭或关闭。故燃气锅炉附近不存在稳定的或持续的外露火焰。

(2)燃气锅炉外部未经证实不能确认存在超过易燃物质引燃温度的赤热表面。

因为炉膛温度很高，最里面的墙使用能耐高温的耐火砖，为了高温炉膛保温，防止热量散失，耐火砖外面采用保温砖。与高温火焰接触的一层采用耐火混凝土，耐火混凝土外面再浇一层保温混凝土，再外面用硅石保温砖。

炉墙等采用绝热性能良好的材料筑成并有效保温，且具有相当的厚度，可最大限度防止炉墙、构架、管道、门孔向周围环境散热造成的热损失，提高锅炉效率。故燃气锅炉外部，未经证实不能确认存在稳定的、持续的、超过易燃物质引燃温度的赤热表面。

因此，锅炉周围不能判定为非爆炸危险区域。

3.3.3 爆炸危险区域划分

燃气管道上的释放源应按常规方式划分爆炸危险区域。一般属于第二级释放源，即预计在正常运行下不会释放，即使释放也仅是偶尔短时释放的释放源。按上文介绍的爆炸性气体危险环境划分方法，燃气释放源附近应划为爆炸危险区域2区。对于燃气重于空气的 (如高炉煤气、转炉煤气等)，爆炸危险区域的范围还应划分附加2区。

3.3.4 爆炸危险区域内的电气设备选择

爆炸危险区域内的电气装置，如配套辅机设备、电气控制箱柜、消防控制箱、照明、传感器、接线及接线盒等的设计安装必须符合相关标准规范防爆要求。

4 结语

对于国标规范的理解和使用，不能流于形式。如果工程设计中遇到的实际情况，在规范中没有明确可对应的条款，或对规范理解不充分时，不能只依据以往经验做判断。结合爆炸形成的条件，分析物料的闪点和引燃温度，是否存在点火源，是否能形成爆炸，这才是科学的分类依据。

1 NFPA 497-2008，危险区域内的可燃液体、气体和蒸气分类 (用于电气设备选择及安装)。