炼油厂含氢爆炸性气体混合物的分级

于小辉，刘瑞萍，梁兴炜

炼油厂含氢爆炸性气体混合物的分级

于小辉，刘瑞萍，梁兴炜

（中国石油工程建设公司华东设计分公司， 山东 青岛 266071）

炼油厂工艺装置在生产过程中会产生大量爆炸危险气体，需要选择合理的防爆电气及工艺设备以保证安全生产。本文对爆炸性气体混合物的分级方法进行了分析，特别是对于IIC级的划分进行了重点论述，根据标准 NFPA 497-2008提供的爆炸性混合气体的最大安全试验间隙计算公式进行了统计推算，结合标准IEC60079-20所列物质的最大安全试验间隙，给出了含氢爆炸性混合气体的分级方法，论证了按照氢气体积比25%判断含氢爆炸危险性混合气体是否为IIC级是可行和经济的。解决了业界争议多年的IIB级和IIC级划分的氢气含量百分比的问题，对炼油工程设计有很大的借鉴作用。

爆炸性气体；分级；氢气；IIC级

对于生产、加工、处理、转运或贮存过程中出现或可能出现爆炸性气体混合物环境时，应进行爆炸性气体环境的电力装置设计[1]。炼油厂工艺装置主要有：常减压、催化裂化、重整、加氢、焦化及环保装置等，这些装置在对原油进行加工时，会产生大量的爆炸性气体混合物，如果出现特定的环境条件就会发生爆炸，造成人员伤害和财产损失，所以工程设计中对爆炸危险区域的划分非常重要，这是确定电气设备的防爆等级、工艺装置间距等设计参数的关键依据，同时也是工艺装置HAZOP分析的重要参考文件。如何进行爆炸危险区域划分，目前国内外相关规范已经有了比较全面的规定，但是具体到某些领域或某些特定的环境还没有明确的条文规定，例如：炼油厂工艺装置如何对含氢爆炸性气体混合物进行分级，将其划分为IIC级时氢气体积百分比是多少，该问题在业界存在较大争议。本文对该问题进行了详细分析，并给出了结论，对炼油设计有很大的借鉴作用。

1 国内外防爆标准介绍

目前，国际上流行的防爆标准主要有[2]：

（1）IEC(国际电工协会)标准：IEC60079。

（2）用于欧洲共同体和邻近国家的欧洲标准：EN50014～EN50020以及EN50039。

（3）用于美国和北美洲的美国国家电气法规：NEC。

各主要工业化国家基于上述标准之一，均分别建立了自己的国家标准。如：德国的VDE0170/0171，英国的BS5345/5501等。

应该指出的是，欧洲标准和大多数欧洲国际的标准和IEC标准均属同一体系，只是在具体条款和实施办法上更具体、更细一些。同样，我国的国家标准GB50058和GB3836也是在IEC基础上建立的。因而，我国国标同IEC和大多数欧洲国家的标准是吻合的[2]。

同样需要指出的是，NEC实际上是一种用于安装的规范。它是隶属于NFPA（美国国家防火协会）下面的一个标准。对于防爆电气设备的结构，NEC尚需引用NFPA以及其他标准化组织的一些有关规范[2]。

2 爆炸性气体混合物的分级原则

2.1 爆炸性气体混合物的MESG和MICR

根据电气设备适用于某种气体或蒸汽环境的要求，将该气体或蒸汽进行分类或分级，使由隔爆外壳“d”保护的设备或由本质安全型“i”保护的电气设备按此类别和级别制造，以便保证设备相应的防爆安全性能。

最大试验安全间隙（MESG）是指：在标准规定的实验条件下，壳内所有浓度的被试验气体或蒸汽与空气的混合物点燃后，通过25mm长的接合面均不能点燃壳外爆炸性气体混合物的外壳空腔两部分之间的最大间隙。最小点燃电流比（MICR）是指：在规定条件下，能点燃最易点燃混合物的最小电流与试验室的甲烷的最小点燃电流值之比[3]。

爆炸性气体混合物，应按其最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流比（MICR）分级。爆炸性气体混合物是指：在大气条件下，气体、蒸汽、薄雾状的可燃性物质与空气混合，点燃后，燃烧将在整个范围内传播的混合物[3]。

当符合表1的条件时，只需按测定的最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流比（MICR）进行分级，大多数气体可以按此原则分级[1]。

表1 最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流比（MISR）分级Table 1 Maximum experimental safe gap (MESG)&minimum ignition current ratio(MISR)

2.2 爆炸性气体MESG值的测定

按照GB3836.11-2008《爆炸性环境 第11部分：由隔爆外壳“d”保护的设备 最大试验安全间隙测定方法》，在常温常压条件下，将一个具有规定容积、规定隔爆结合面长度和可调间隙的标准外壳置于实验箱内，在外壳与实验箱内同时充以已知浓度的爆炸性气体混合物，点燃标准外壳内部的气体混合物，观察标准外壳内部的气体混合物是否被点燃爆炸，通过调整爆炸外壳间隙和改变气体混合物的浓度，测出在任何浓度下都不出现爆炸现象的最大间隙，该间隙就是气体混合物最大实验安全间隙。表2为一些常见爆炸性气体的MESG值和最易传爆的混合物浓度。由表2可见，气体中氢气的MESG值较小，说明含氢气体的混合物较易爆炸[4,5]。

表2 爆炸性气体的MESG值[4]Table 2 MESG for explosive gases

3 单组分与多组分气体混合物的分级

3.1 单组分气体混合物的分级

单组分气体的分级，相对比较容易，标准IEC60079-20《气体和蒸汽分类用材料特性—试验方法和数据》中对于大多数气体都有明确的实验数据，只需按测定的最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流比（MICR）进行分级。

3.2 多组分气体混合物的分级

对于多组分和蒸汽混合物的分级，一般应通过试验专门测定其最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流比（MICR），才能确定其级别。在工程设计过程中，每台化工设备、容器或反应器中所含的各种爆炸危险介质的组成成分不同、各成分间的配比不同，不可能通过对每台设备中的气体样品进行专门试验。所以，需要一种估算方法来解决多组分气体的分级问题[1]。

标准NFPA497-2008《危险(分类)区域中有关电气设备的气体、蒸气和粉尘的分类》的附件B中专门介绍了一种用于确定混合气体分级的估算方法。

混合气体的MESG可以用式(1)估算[6]：

式中：MESGmix—混合气体的最大试验安全间隙,mm;

MESGi—混合气体中各组分的最大试验安全间隙,mm;

Xi—混合气体中各组分的体积分数,%。此数据由工艺专业给出，要根据设备中混合介质在气态时，最大工况情况下，各组分所占的体积百分比。

根据上述公式计算出混合气体的 MESG，然后比照表1，就可以确定混合气体的级别。

4 炼厂中含氢工艺装置中爆炸性混合气体的分级

4.1 研究炼油厂环境中含氢爆炸性混合气体分级的必要性

对于工艺用电设备，例如机泵、压缩机等，爆炸性气体的级别是确定设备防爆等级一个指标，目前国内外的防爆设备厂只生产IIB、IIC类电气设备，如果气体分级为IIA级，设备一般选用IIB类，三种类别的关系见表3。

表3 气体分级与电气设备类别Table 3 Explosive gases classification and electrical equipment category

IIC类设备较IIB类设备造价要高15%～20%，合理选择设备防爆等级对于降低工程投资尤为重要。爆炸危险级别为IIC级的组分主要有氢、乙炔、二硫化碳和硝酸乙酯[2]。炼油工艺流程中，以上四种气体，只有氢气可能存在，所以对炼油厂内的含氢爆炸性混合气体的分级，氢气的含量是一个关键因素。氢气在爆炸性混合气体中的体积比大于多少，该混合气体级别应为IIC级，目前还没有一个公认的数值，有的设计人员认为应该按照氢气的爆炸下限（体积比4%）来判断该混合气体是否为IIC级，这样的话，炼油装置内的IIC级的设备就会非常多，提高了工程造价,不经济。要保证炼油装置能够安全运行，又要降低工程造价，所以有必要对含氢爆炸性混合气体分级进行研究。

4.2 炼油厂环境中含氢爆炸性混合气体分级方法

根据 NFPA497-2008提供的公式（1）和IEC60079-20《气体和蒸汽分类用材料特性—试验方法和数据》提供的MESG数据，对炼厂环境的气体分级进行了归纳总结，得出了一个判断含氢爆炸性混合气体级别的氢气体积比。

以下为统计归纳过程：

假设条件：爆炸性混合气体只有氢气一种 IIC级成分，其他成分都为 IIB或 IIA级。查IEC60079-20，氢气的MESG为0.28。除氢气外的其他气体混合物的综合MESG为Y。

当氢气体积比为25%时，根据式（1）：

根据表 1，MESGmix＜0.5时，该爆炸性混合气体应为IIC级。此时： Y＜0.67。

同理,当氢气体积比为20%时，得出Y＜0.62。

同理,当氢气体积比为10%时，得出Y＜0.58。

查标准IEC60079-20，只有五种IIB级组分的MESG＜0.67，具体见表4[7]。

表4 MESG＜0.67的IIB级物质Table 4 MESG＜0.67 IIB level material

炼油流程中表4中所列物质很少存在，即使存在也是少量的，所以按照氢气体积比25%为界来确定含氢爆炸性气体混合物的级别是可行的。如果20%或10%来确爆炸级别，从设计安全裕量角度来说是更加保守，但是考虑设备造价问题，按照25%来判断爆炸危险性混合物级别是更加经济的。这样的话在炼油主装置中，只有加氢、重整等含大量氢装置存在IIC级用设备，常减压、催化、焦化等装置一般就可以按照IIB级进行设备选择，大大降低的了工程投资。

5 结 论

（1）介绍了国内外各种防爆标准以及我国防爆标准与其相互关系。

（2）介绍了单组分与多组分气体混合物的分级方法的区别，重点叙述了多组分气体混合物的分级方法。

（3）对炼油厂内含氢爆炸性混合气体如何进行级别划分进行了论述，根据相关标准对该问题进行分析，得出了含氢爆炸性混合气体IIB和IIC级划分的通用依据，论证了按照氢气体积比 25%为判断含氢爆炸危险性混合气体是否为IIC级是可行的。该结论的得出，减少了炼油厂内IIC级设备的数量，降低了工程造价，对今后的炼油设计有较大借鉴作用。

［1］ GB50058-2014.爆炸危险环境电力装置设计规范[S].

［2］马承宗.欧美电气设备防爆标准与其主要差别[J].炼油化工自动化,1994,6:3-10.

［3］ GB3836.12-2008 爆炸性环境第12部分：气体或蒸汽混合物按照最大试验安全间隙或最小点燃电流比分级[S].

［4］ 胡敏,赵玉川,董立萍,李淑红.用于混合介质的阻火器爆炸级别探讨[J].炼油技术与工程,2008,38(6):57-59.

［5］ GB3836.11-2008 爆炸性环境第 11部分：由隔爆外壳“d”保护的设备 最大试验安全间隙测定方法[S].

［6］ NFPA 497-2008 危险(分类)区域中有关电气设备的气体、蒸气和粉尘的分类[S].

［7］ IEC60079-20气体和蒸汽分类用材料特性—试验方法和数据[S].

Study on Grading of Explosive Gas Mixture With Hydrogen in Oil Refinery

YU Xiao-hui，LIU Rui-ping，LIANG Xing-wei
（China Petroleum Engineering & Construction Corp. East-China Design Branch, Shandong Qingdao 266071，China）

Refinery process equipments will produce a large number of explosive gases, so reasonable explosion-proof electrical and process equipments need be chosen to ensure the safety of production. In this paper, grading methods of explosive gas mixture were analyzed and compared, especially the division of IIC grade. Based on the maximum experimental safe gap (MESG) calculation formula for mixture explosive gas in the standard NFPA 497-497and MESG data in standard IEC60079-20, grading method of the explosive gas mixture with hydrogen was concluded. The method to determine IIC grade mixture explosion gas with hydrogen according as the volume of hydrogen is higher than 25% or not is feasible and economic, which can solve the issue how to grade mixture explosive gas with hydrogen.

Explosive gas; Grading; Hydrogen; IIC

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）04-0777-03

2014-10-28

于小辉（1982-），男，山东济南人，工程师，硕士研究生，2008年毕业于中国石油大学（北京）控制理论与控制工程专业，研究方向：石化企业工厂供电。