以天然气作辅助燃料的垃圾电厂焚烧车间电气防爆安全问题探讨

胡海金

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381)

1 前 言

为点火或保证炉膛温度稳定，垃圾电厂需要辅助燃料，如辅助燃料采用天然气，其焚烧车间的电气防爆安全成为业内关心的热点问题，工程中做法差异性大。由于垃圾焚烧炉属于非电气火源的燃烧设备，以天然气作辅助燃料的垃圾焚烧车间是否按防爆设计及如何保证燃气用气安全问题已成为项目消防审批的重中之重。目前，《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》CJJ90-2009对此无详细规定，仅明确根据GB50028-2006《城镇燃气设计规范》(下文简称《燃规》)、GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》(下文简称《爆规》)、GB3836. 14-2014 /IEC 60079-10-1： 2008 《爆炸性气体 第14部分：场所分类 爆炸性气体环境》(下文简称GB3836)等规范执行[1]。本文参考现行的相关规范，对垃圾焚烧车间电气防爆安全设计进行分析探讨。

2 垃圾焚烧车间是否防爆问题

2.1 根据垃圾焚烧炉属于明火设备分析

2.1.1 垃圾焚烧项目属于工业燃气用户，燃气用气安全方面必须遵循《燃规》)的相关规定，且可参照《爆规》、GB3836及石油行业规范SY/T 6671-2017《石油设施电气设备场所I级0 区、1区和2区的分类推荐作法》(下文简称《石油规》)。

2.1.2 《燃规》附录D.0.2的2款3)条：在生产过程中使用明火的设备的附近区域，可划分为非爆炸危险区域[2]。

《爆规》3.2.2条第3款规定： 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可燃物质引燃温度的设备附近可化为非爆炸危险区域[3]。

从两部规范规定的字面意思理解，如果垃圾焚烧炉为明火设备，则其焚烧车间就属于非爆炸危险区域。基于此，焚烧炉界定为明火设备。

2.1.3 《爆规》3.1.2规定了在爆炸性气体环境发生爆炸应同时具备两个条件[3]，①存在可燃气体、可燃液体的蒸汽薄雾，浓度在爆炸极限以内；②存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温。根据爆炸条件，明火环境消除爆炸危险的前提条件是防止燃气泄漏或采取其它措施阻止释放源达到爆炸极限等；即便按防爆场所采用防爆电器阻止电气火花或电弧，也无法消除明火设备产生的非电气火源。所以，明火设备场所采取电气防爆欠合理性亦不现实。

2.1.4 垃圾焚烧炉正常运行期间为微负压燃烧、不存在火焰外露；但焚烧工况不能够保证任何情况下(包括正常情况和事故情况)燃烧火花绝对不外溢，且焚烧炉外壳不属于标准规定的隔爆外壳。因此，垃圾焚烧炉仍属于明火设备。垃圾焚烧炉外壳不属于《爆规》所说的炽热表面，天然气主要成分甲烷(CH4)的引燃温度组别为T1(537℃)，焚烧炉表面温度远远小于天然气的引燃温度，则焚烧炉也不属于规范规定的炽热表面温度超过区域内可燃物质引燃温度的设备，仅属于明火设备。

综上，垃圾焚烧炉属于明火设备，并根据上述两部规范得出垃圾焚烧车间属于非爆炸危险场所。

2.2 从释放源角度分析

2.2.1 《爆规》等对于爆炸危险区域划分是一致的[2～5]，如其3.2.5条规定，爆炸危险区域划分应根据释放源级别和通风条件确定，即先要鉴别是否存在释放源， 然后确定其释放源级别，再根据通风条件对场所进行分类[3]。

2.2.2 垃圾焚烧炉通常有3个用气点，垃圾焚烧车间燃气管道系统进户后在焚烧炉燃烧器用气点附近有法兰及阀门连接，相当于《爆规》等规范规定的二级释放源。假定一旦燃气管道的二级释放源发生泄放时，释放源附近必然形成高浓度局部空间,可以形象描述为高浓度“气袋”[5]。通风条件再好，理论上释放点附近有达到爆炸极限的可能性，此危险区域大小与管道压力、通风速率、管道大小等因素有关，随着通风速率加大，形成爆炸危险区域随之减小。如图1所示，释放源假定发生在法兰和阀门连接处某点，为表达方便，引入三个概念：ψ为天然气浓度，UEL为爆炸上限，LEL为爆炸下限。如附图1所示的燃气管道系统炉前法兰和阀门处一旦事故泄放，理论上将短时间形成A、B、C这三个区，显然A区气体浓度大于爆炸上限UEL(ψ>UEL)而不会形成爆炸危险区域，B区气体浓度在爆炸极限范围内(UEL≥ψ≥LEL)将形成爆炸危险区域，C区气体浓度将小于爆炸下限(ψ

图1 燃气管道系统事故泄漏示意图Fig.1 Schematic diagram of gas pipeline accident leakage

2.2.3 参考《石油规》)6.6.2.3规定：如通风良好，尽管靠近释放源附近具有高浓度的小“气袋”，但其气体或蒸汽的浓度可视为均匀[5]；实现良好通风的方法《石油规》与《爆规》有相同规定，如《爆规》3.2.4条，当爆炸危险区域内通风的空气流量能使可燃物质很快稀释到爆炸下限值的25%以下时，可定为通风良好；且对于封闭区域，每平方米地板面积每分钟至少提供0.3m3的空气或至少1h换气6次即定义为通风良好[3]；《燃规》10.6.9条规定应设置独立的送排风系统，正常换气次数每小时不应少于6次，事故换气次数每小时不应少于12次的要求[2]。两本规范对于事故泄放情况下通风良好的换气次数不同，设计时按《燃规》从严执行。

2.2.4 《燃规》10.6.9条还规定了燃气引入管应设手动快速切断阀和紧急自动切断阀，紧急自动切断阀停电时必须处于复位关闭状态；10.8.1规定了应设置燃气报警系统；10.8.4规定了紧急快速切断阀应安装在燃气管引入点处的户外，并且当燃气泄漏浓度达到设定值(一般为爆炸下限的50%)时，由燃气报警控制器联动自动关闭[2]。事实情况为当燃气泄漏探测器检测到可燃气体浓度达到爆炸下限(LEL)的20%时，联动事故风机启动，快速稀释释放出来的燃气[2]；当燃气泄漏探测器检测到可燃气体浓度达到50%LEL时，联动关闭燃气管道上的快速切断阀，此时切断垃圾焚烧炉燃烧器入口处的部分管道内有少许燃气，这少部分燃气小比例从释放点释放，大比例还是从垃圾焚烧炉燃烧器正常燃烧消耗；当燃气管道系统余压迅速与大气压平衡时，停止了释放；同时考虑事故风机的机械通风效应，所形成的爆炸危险区域不但范围极小，持续时间也短暂。综上，理论上的爆炸2区极小且持续时间很短，工程上可以忽略。

2.2.5 工程中是否做防爆设计，不仅取决于场所内是否有释放源及释放量在空气中能否达到爆炸极限，还应考虑释放源释放量所产生小范围爆炸所带来的危害程度。

2.2.6 有技术人员曾试图按《爆规》附录 B.0.1第5条办法划分，可燃气体轻于空气且通风良好的生产装置区爆炸危险区域划分(如图2)：以释放源为中心水平半径4.5m，释放源向下最大到4.5m，顶部距释放源7.5m及释放源至地面以上区域划分为2区[3]。此划分结果明显过严，仅适用于连续而没有任何阻止措施的释放；而本文所讨论的释放情况已采取安全保障措施，一方面燃气检测系统与事故通风系统共同作用而保证了通风良好，进而快速稀释了释放浓度；另一方面联动关断了燃气管道快速切断阀进而控制了释放源泄放的可燃物质的量，从而保证了不会形成像图2的爆炸区域。

图2 通风良好的装置区爆炸危险区域范围Fig.2 Area of explosive danger area in well ventilated area

2.3 小结

2.3.1 从相关规范规定的明火环境分析垃圾焚烧车间属于非爆炸危险区域。

2.3.2 从燃气管道释放源角度并结合通风良好、燃气检测报警及联动燃气管道快速切断阀措施分析表明，尽管理论上在焚烧炉燃烧器附近的法兰及阀门连接处(二级释放源)存在爆炸危险区，但就垃圾焚烧车间而言，燃气管道系统简单且容易控制， 采取加大通风量及燃气报警联动关断快速切断阀进而阻止释放量的措施后，此危险区极小且持续时间很短暂，研究分析认为工程上可以忽略，不必因为释放源而划为爆炸危险区。

3 垃圾焚烧车间用气安全保障措施分析

3.1 安全用气保障措施的可靠性

垃圾焚烧车间属于非爆炸危险区域，是建立在通风良好、具有燃气报警系统及自动联动燃气管道快速切断阀的安全保障措施基础上。因此，工程实践中必须重视用气安全保障措施的可靠性问题。

3.1.1 垃圾焚烧车间燃气管道上的燃气快速切断阀的可靠性

燃气快速切断阀设计中由燃气工艺选定，应选择可靠的符合国家及行业标准的产品，必要时也可以冗余配置。但从用气安全角度，快速切断阀供电可靠性要求并不高，《燃规》规范要求采用断电自动复位关断型[2]。

3.1.2 事故通风系统可靠性

《爆规》3.2.4条第2款规定[3]：当采用机械通风时，下列情况可不计及机械通风故障的影响：(1)封闭或半封闭建筑物设置备用的独立通风系统；(2)当通风设备发生故障时，设置自动报警或停止工艺流程等确保能阻止可燃物质释放的预防措施，或使设备断电的预防措施。

《爆规》明确了通风系统的可靠性问题，但遗憾的是实际工程中均未对事故风机故障采取应对措施。研究认为，采用备用、独立的通风系统是符合实际的，事故风机做N+1冗余配置即可。《爆规》3.2.4条第2款(2)款的办法不符合本文情况，因为风机故障报警做不到全面、直接，停止工艺流程会造成生产中断，且管道末端有余气。此外，事故风机供电应该可靠，采用双回电源供电并且最末级自动切换，保证电气设备及线路的可靠性，甚至必要时其过载保护不动作于跳闸而动作于信号等措施，进而达到供电可靠的目的。

3.1.3 燃气报警系统可靠性

(1)燃气管道系统释放源一旦泄漏，安全保障措施中首要燃气报警系统报警可靠并联动事故风机及燃气管道系统的紧急切断阀。为此，要求燃气报警系统必须可靠。

(2)关于燃气报警系统可靠性有多方面。首先探测器、报警器等设备应可靠并全面探测，必要时应冗余配置，尤其重要部位(释放源处)的探测器建议冗余配置；然后是探测器必须按规定时间检验标定；还有电源要可靠，通常双电源供电且末端自动切换，而且报警器自带电池等。因为如果燃气报警系统失灵，等于安全保障措施全部失灵，仅能靠人为检漏，因城镇燃气加臭，可嗅觉识别。

(3)《石油规》6.8.2条对燃气泄漏报警系统的燃气探测设备的可靠性有明确的规定，总结重点摘录如下[5]：

①气体探测器应固定且永久安装，不能采用便携式设备；

②气体探测设备必须获得国家权威机构认可；

③气体探测器应按制造商所规定的频率进行校准，并按国家有关规定进行检测。一般每3个月至半年标定一次；

④允许用户提供旁路断电系统或其它“矫正动作”设备以便进行标定和维护。

3.2 设计中还应注意的问题

除了上文所述的安全措施外，笔者提倡设计中还应采取下列辅助措施。

3.2.1 防止局部燃气积聚

天然气比空气轻，应防止燃气积聚在顶部下方；为此要求暖通专业设计事故风机时尽量设在屋顶的最高点而不是设在侧墙的高处，顶棚下不建议安装灯具等电器；

3.2.2 事故风机配电线路按电气防爆要求设计

暖通专业相关规范规定事故风机采用防爆电机，而无规范限制事故风机的供电线路是否防爆。既然事故风机防爆，其配电线路理应满足《爆规》的规范要求。

3.2.3 保障防雷及接地安全

为了安全垃圾焚烧车间按二类防雷建筑物设计，并且燃气管道做好防静电接地。

3.2.4 考虑应急断电方便

垃圾焚烧车间用电设备电源能在控制室及其它方便集中管理且方便操作地方设置应急断电开关，便于非常紧急情况下断电停炉操作。

4 结 论

最后笔者将本文观点总结如下，供行业内读者进一步分析探讨：

4.1 以天然气为辅助燃料的垃圾焚烧车间属于非爆炸危险区域。因此，不必进行电气防爆设计，更不必采用防爆灯等防爆电器。

4.2 垃圾焚烧炉燃烧器附近存在法兰及阀门连接处属于二级释放源，由于采取可靠的用气安全保障措施，不必因释放源而划分爆炸危险区域。

4.3 设计中应对用气安全保障措施的可靠性给以足够的重视。