本质安全电气设计方法的探讨

2015-03-23赵瑞萍张夏禹航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司兰州730010

化工设计 2015年3期

赵瑞萍张夏禹航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司兰州 730010

化工装置多是存在易燃易爆介质的危险场所，其操作压力高、装置规模大，更增加了其危险程度。对装置的安全运行已经成为贯彻装置全生命周期的必然追求。为了降低过程风险，满足HSE的要求，对过程进行本质安全设计显得尤为紧要。

因此，在化工装置的电气设计中，必须把电气防爆安全作为设计方案的首要因素考虑，从项目的概念设计开始就应该贯彻本质安全的电气设计，研究和考虑各种影响安全的因素，充分考虑生产、维修过程中可能出现的各种危险，有效提高防爆危险场所的设计水平，降低由于电气原因发生爆炸危险的概率。

1 爆炸危险区域划分

爆炸危险区域的划分是根据爆炸性混合物出现的频繁程度和持续时间确定的，分为0 区、1区、2 区。根据工艺及有关专业提供的爆炸危险区域划分条件图和释放源的等级，按照《爆炸和火灾危险环境电气装置设计规范》GB 50016 -2014划分爆炸危险区域:

(1)存在连续级释放源的区域可划为0 区。

(2)存在第一级释放源的区域可划为1 区。

(3)存在第二级释放源的区域可划为2 区。

在生产装置中0 区是极个别的，大多数属于2区，在设计中划分爆炸危险区域时，应采取合理措施尽量减少1 区。根据通风条件调整区域划分，当通风良好时，降低爆炸危险区域等级;当通风不良时，提高爆炸危险区域等级。

爆炸危险区域的范围划分，除了按照规范条文的规定以外，还与易燃物质的泄出量、释放速度、释放的爆炸性气体混合物的浓度、易燃液体的沸点、液体混合物初沸点、闪点、爆炸下限、通风量等有关。这些量的增加与减少都与爆炸危险区域范围的划分有直接的关系。在实际工作中界定这些量的因素较复杂，并且实际生产装置的工艺、设备、仪表、通风布置等条件各不相同，在具体设计中均需结合实际情况，根据《爆炸和火灾危险环境电气装置设计规范》具体划分尺寸妥善选择，才能确保安全经济。

2 总图布置

进行总图布置时，与总图专业充分协商，变配电所和控制室在满足《建筑设计防火规范》GB 50016 -2014 防火间距的要求及其它要求外，应尽量布置在爆炸危险区域外，且尽可能的深入负荷中心、接近电源侧，并考虑进出线方便、运输设备方便;不设在污染源主导风向的下风侧，不设在火灾危险区域的正上方或正下方，不设在可能积水的场所。如因场地、工艺流程、物流方便等原因不能满足安全间距时，应采取有效措施。如:设计抗爆控制室、做抗爆墙、在爆炸危险区内设置正压室，位于1 区、2 区附近的变配电所室内地面高出室外地面0.6m。当变配电所位于一般环境时，室内地面应高出室外地面0.15 ～0.3m。

3 电气设备选用

防爆电气设备的选择必须具备两项基础资料:①爆炸危险区域等级和范围的划分。应具备爆炸危险区域划分图，各级危险区域范围及电气设备的位置。②爆炸危险区域内气体或蒸气的级别、组别及危险介质的数据。

(1)以“爆炸危险区域划分图”作为各装置区域范围内的电气设备的选型依据，根据爆炸危险区域的分区、电气设备的种类和防爆结构的要求选择相应的电气设备。选用的防爆电气设备的级别和组别，不应低于该爆炸性气体环境内爆炸性气体混合物的级别和组别，当存在有两种以上易燃性物质形成的爆炸性气体混合物时，按危险程度较高的级别和组别选用防爆电气设备。

(2)爆炸危险区域内的电气设备应在布置上和防护上采取措施，应符合周围环境内化学、机械、热的、霉菌以及风沙等不同环境条件对电气设备的要求。

(3)防爆电气设备按照防爆措施分为本质安全型、隔爆型、增安型等不同的类型。应根据爆炸危险区域的等级、电气设备的种类和使用条件，选择相应的电气设备。

(4)选用防爆电气设备时必须根据环境特征同时提出外壳防护等级要求和耐腐蚀要求。

在考虑以上几项基本要求后，可选择能满足要求的防爆电气产品。对有些必须布置在爆炸危险区域内的电气设备，而其防爆要求又不能满足场所要求的时候，可采用正压通风的措施来达到防爆的要求。

4 配电线路设计

配电线路设计是化工厂电气设计中重要内容。由于工艺管道错综复杂，管道内介质、温度、压力、流量等因素的特殊性，且配电线路一旦敷设完成，就存在检修困难，更换不易、出现故障不好查找等问题，因此配电线路设计通常又成为化工电气设计中最薄弱的环节。

根据《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058 -2014 规定，爆炸性气体环境中，在满足生产及安全的前提下，应减少防爆电气设备的数量，减少危险源。因此，电气线路应在爆炸危险性较小的环境中敷设，故爆炸危险场所首选放射式配电方式。

防爆场所内线路敷设方式应根据易燃易爆物质的不同而不同，易燃易爆物质通常比重比空气重，电气线路应在较高处敷设、直接埋地或采用电缆桥架架空敷设，易燃易爆物质比空气轻时，电气线路在较低处敷设或电缆沟内敷设。具体敷设高度需参照“爆炸危险区域划分立面图”，同时考虑与工艺管道的距离及碰撞检查。敷设电缆线路的沟道、电缆或钢管所穿过的不同区域之间墙或楼板处的孔洞，应采用非燃性材料严密堵塞。

工艺装置内管道较多，电缆桥架与一般工艺管道平行架设时，间距不小于400mm;与具有腐蚀性液体管道平行架设时不小于500mm，且应采取防腐措施;与蒸汽管道平行架设时不小于1000mm。

在0 区内，只允许敷设本安型电缆。

在1 区、2 区内可采用阻燃电缆配线，也可采用阻燃铜芯导线穿低压流体输送用镀锌焊接钢管敷设，并且其导体允许载流量，不应小于熔断器熔体电流的1.25 倍和自动开关延时过电流脱扣器整定电流的1.25 倍，引向电压为1000V 以下鼠笼型感应电动机支线的长期允许载流量，不应小于电动机额定电流的1.25 倍。

5 防雷接地设计

5.1 防雷设计

与一般的建筑物相比，爆炸危险环境的建筑物遭受雷击时，将可能造成巨大的破坏和人身伤亡，故其防雷措施比一般环境工业建筑物更为严格和复杂。《石油化工装置防雷设计规范》GB 50650 -2011 将化工装置区分为厂房房屋类场所和户外装置区场所。厂房房屋类场所的防雷接地按《建筑物防雷设计规范》GB 50057 - 2011 进行设计。

厂房房屋类为封闭场所，能限制爆炸性气体混合物向大气扩散，并在一定时间维持其爆炸危险浓度，一旦点燃，其爆炸压力巨大，将导致设备和建筑物破损。对此类场所采用外部防雷装置进行全面保护。

户外装置区为露天的或对大气敞开的，空气通畅，爆炸性气体混合物易于消散，爆炸危险浓度消失较快，一旦点燃，其爆炸压力很低，不易造成危害。对此类场所侧重于户外设备设施的防雷保护。属于此类场所:炉区、塔区、机器设备区、静设备区、储罐区、液体装卸站、粉粒料筒仓、冷却塔、框架、管架、烟囱、火炬等。

半敞开式和敞开式厂房是属于厂房房屋类场所和户外装置区场所之间的过渡场所。宜根据建筑形式、易燃易爆物质放散量和通风条件确定该局部的防雷设计。在易燃易爆物质和放散不利的环境，宜按户内场所设计。

厂房房屋类场所的防雷分类应符合《建筑物防雷设计规范》GB 50057 -2011 的有关规定。户外装置类构筑物防雷分类和防雷设计应注意:①要依据爆炸性气体的环境，按爆炸性混合物出现的频繁程度和持续时间来分区;②要根据易燃物质的泄出量，释放的爆炸性气体、混合物浓度、易燃液体的沸点、爆炸下限、闪点、通风量等等来确定爆炸危险区域的范围;③依据火灾危险环境，正确划分火灾危险区域，严格掌握和运用《石油化工企业设计防火规范》GB 50160 -2008 进行防雷、防火的设计。

需要特别注意的是对于突出屋面的排放爆炸性气体的放散管、排风管、烟囱、呼吸阀等设施的防雷措施，首先确定为几类防雷建筑物、排放物是否达到爆炸浓度、排放是否点火燃烧、是否装设阻火器等等，从而确定是否可以利用其金属管壁(帽)作为接闪器。如果需要装设接闪器，接闪器是否必须保护到上述空间，还是可以缩小防雷区域仅保护到管口。

对于排放无爆炸性气体的放散管、烟囱，1区、11 区和2 区爆炸危险环境的自然通风管，可利用其金属管壁(帽)作为接闪器，但应与屋面防雷装置可靠连接，非金属物体且在屋面接闪器保护范围之外，应装设接闪器，并和屋面防雷装置相连。

另外，有爆炸危险的露天封闭钢罐的防雷露天装设有爆炸危险的封闭钢罐和工艺装置(石油、化工类钢罐除外)，当其壁厚不小于4mm 时，一般可不装接闪器，但应接地，且接地点不应少于2处，两接地点间距离不宜大于30m，当采用接闪器保护时，其外表面的2 区爆炸危险环境可不在保护范围内。对浮顶罐应将浮顶与罐体用两根截面积不小于2.5mm2的软铜线作良好的电气连接。引入、引出罐体的金属管道应在法兰等接头处做好电气连接。

5.2 接地设计

一般普通环境接地设计主要考虑的因素是保护人身安全，但是在爆炸危险环境接地设计中，还需要考虑抑制危险电压及过电流形成引燃源，是电气设计非常重要的部分。在爆炸性气体环境中，当发生短路、泄漏电流增大、雷电感应过电压或产生静电时，抑制危险电压及过电流，极为有效的措施就是接地。

根据《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058 -2014 规定，爆炸性气体环境1 区内的所有电气设备以及爆炸性气体环境2 区内除照明灯具以外的其它电气设备都必须进行可靠接地，以确保运行的安全可靠。对于电气设备的金属外壳和铠装电缆的接线盒，都必须具有外接地螺栓，并标出接地符号，采用专门的接地线。

防爆厂房低压配电系统的接地形式多数采用TN-S 系统，采用总等电位联结，在厂房内设接地干线，采用25 ×4 热镀锌扁钢距地或楼板0.3m 处敷设，并与厂房总等电位联结端子板相连，同时接地干线应与混凝土柱内钢筋按规范要求联结成电气通路，所有正常不带电的设备金属外壳，暖通专业的风管、吊车轨道，工艺金属构架，钢平台和电缆桥架等均应接地，连接点不少于2。

接地设备要按照规定安装，需要通过严格的测试，方能投入运行。

6 其它措施

化工装置中本质电气安全设计是一项多专业配合的工作，在防爆厂房内可让通风专业采用通风换气方式，达到降低爆炸危险区域等级的目的;在可通过设置可燃气体浓度报警器，并与防爆排风机联锁启停的方式，控制厂房内爆炸性混合气体的浓度;可与建筑专业协商，将临近正常环境的泄爆窗改为只可采光不可开启式的泄爆窗，从而阻止爆炸性混合气体泄漏，缩小爆炸危险环境区域等等。