医药厂房中爆炸危险区域防雷设计的探讨
2020-10-16
(中石化上海工程有限公司,上海 200120)
在医药厂房的设计过程中,爆炸危险区域划分和建筑物防雷设计是整个医药项目电气设计中至关重要的两项内容。因为这部分内容往往牵涉到各专业的设备选型和建筑物及人员的安全。爆炸危险区域的划分同区域内防雷设计既互相制约又相辅相成,而两项内容结合起来又有其特殊性及复杂性。本文结合工程实际及经验,以保障人身安全及设备运行可靠性为出发点,用最具代表性的屋面区域为例,探讨医药厂房爆炸危险区域防雷设计的方案。
1 基本概念
1.1 爆炸危险区域基本概念
爆炸危险区域(或称爆炸危险环境),指的是在大气条件下,气体、蒸汽可燃物质或可燃性粉尘与空气的混合物,点燃后能保持燃烧自行传播的环境[1]。
按照爆炸性气体混合物出现的频繁程度和持续时间,分为0区、1区和2区。释放源分为连续释放源、一级释放源、二级释放源。医药厂房大多为二级释放源,即:正常运行时预计不可能释放,即使释放也只是偶尔和短时期的释放源。
1.2 医药厂房常见释放源
医药厂房中,根据原料及工艺设备的不同,常见的主要爆炸危险物质有:氢气、乙醇、氮气等。这些爆炸危险物质主要存在于泵、阀门密封处、管道法兰接头等处,通常经由排气孔、风管等处释放。
1.3 建筑物防雷设计概述
建筑物防雷设计的目的是防止或减少雷击建(构)筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失,以及雷击电磁脉冲引发的电气和电子系统损坏或错误运行,而采取合适的防雷措施,并力求做到安全可靠、技术先进、经济合理。常见的设置由接闪器、引下线和接地装置组成外部防雷装置和由防雷等电位连接与外部防雷装置的间隔距离组成的内部防雷装置为主要防雷措施[2]。
2 工程实例
2.1 医药厂房爆炸屋面爆炸危险区域划分
下面以某工程实际为例,说明医药厂房屋面爆炸危险区域的典型划分。如图1所示,屋面存在两组位号为M-001A、M-001B的工艺设备。该设备为屋面废气吸收装置,爆炸危险排放介质为乙醇。根据规范GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》,可燃性气体或蒸汽爆炸性混合物分级、分组所示,应归为IIA T2。且该设备在故障时可能会释放乙醇蒸汽,即:该释放源满足在正常运行时,预计不可能释放,当出现释放时,仅偶尔和短期释放的释放源。因此可划为二级释放源。同时,该工艺设备容积不大于95 m3,压力不大于3.5 MPa、流量不大于38 L/s。按照生产实际,以释放源为中心、半径为4.5 m的范围划分为2区。则该组工艺设备信息汇总如表1所示。
分别考虑以设备的边沿、端部、法兰连接处等作为释放源中心,半径为4.5 m 作圆,得到如图1的部分阴影区域。
屋面上还设有四个大小不一的排风机组(EAU-001、EAU-002、EAU-003、EAU-004)对应的排风管口。管口排出的气体同为下方建筑物内的乙醇蒸汽。这里建议也把此排风管口作为释放源对待。因为风口排放的乙醇蒸汽比重大于空气,且四个风口较为集中,有导致爆炸危险气体积聚的可能性。为安全起见,围绕风口可进行爆炸危险区域的划分。已知,从下层建筑物内排出的乙醇蒸汽同样满足“在正常运行时,预计不可能释放,当出现释放时,仅偶尔和短期释放的释放源”,因此划为二级释放源。屋面部分的风管,内部压力与周围空气压力差一般不超过1 kPa,且普遍体积不大,风机转速相对不高。因此,此处考虑把它作为以管口四周为圆心,半径4.5 m,划分为2区的释放源考虑。
表1 工艺设备信息汇总Tab.1 Process equipment information summary
综合上述,得到如图1所示阴影区域为完整的屋面爆炸危险区域划分图。
图1 爆炸危险区域划分图Fig.1 Hazardous area classification layout
屋面爆炸危险区域划分完成后,接下来考虑相应的防雷措施。以本布置图为例,进一步探讨屋面防雷设计的要点。
2.2 防雷分类计算
在防雷设计之前,首先要进行建筑物防雷分类的确定。该建筑物基本信息如表2所示。再根据当地年平均雷暴日等气象信息,结合相应式(1)~(4)计算出建筑物年预计雷击次数N。
建筑物年预计雷击次数应按式(1)计算:
式中N——建筑物年预计雷击次数,次/a;
k——校正系数,一般情况取1;
Ng—— 建筑物所处地区雷击大地的年平均密度,次/km2/a);
Ae—— 与建筑物截收相同雷击次数的等效面积,km2。
雷击大地的年平均密度可按式(2)计算:
式中Td——年平均雷暴日,根据当地气象资料确定,d/a。
与建筑物截收相同雷击次数的等效面积应为其实际平面积向外扩大后的面积,其计算方法应符合如下规定:
当建筑物的高度小于100 m时,其每边的扩大宽度和等效面积应按式(3)~(4)计算:
表2 建筑物年预计雷击次数计算表Tab.2 Calculation of estimated frequency of lightning stroke per year
从表2中计算结果可知,建筑物年预计雷击次数为0.202。根据规范要求,当预计雷击次数≥0.05次/a,且≤0.25次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业性建筑,属于第三类防雷建筑物。由于建筑物存在爆炸危险区域,按照规范GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,则需把建筑物归为第二类防雷分类。
2.3 建筑物防雷分类与爆炸危险区域联系
关于屋面设备的防雷保护,爆炸危险区域有释放源的屋面管道设备可理解为户外装置区的排放设施,如放散管、呼吸阀、排风管等。由于这些设施排放爆炸危险气体,尽管根据计算结果属于第二类防雷建筑,但仍需按照规范要求需符合4.2.1条2款中对于第一类防雷建筑的防雷措施的规定,管口外的相应空间应处于接闪器的保护范围[3]。本例中,存在四个排放乙醇蒸汽的排风管口。规范中对于管口的保护空间,分为有管帽及无管帽的不同要求。其中的通风设备,管口形状如图2所示,出风口为斜45°朝下的出风口,且带有防鼠网罩,此类样式的出风口可理解为带管帽的形式。由于乙醇蒸汽重于空气,风管内部压力与周围空气压力差不超过1 kPa,因此如表3所示,接闪器的保护范围应在管帽上1 m垂直距离及距管口处水平距离2 m设置。
表3 有管帽的管口外处于接闪器保护范围内的空间Tab.3 The space on the outside of the pipe with a cap within the range of air-termination system
图2 出风口外观图Fig.2 Outside view of air outlet
对于第二类防雷建筑物,当排放物达不到爆炸浓度,以及发生事故时排放物才达到爆炸浓度的,排放爆炸危险气体的放散管、呼吸阀、排风管可不装接闪器。本例中,屋面存的在两组位号为M-001A、M-001B的工艺设备,正常运行时,预计不可能释放,当出现释放时,仅偶尔和短期释放的释放源。因而,这两组工艺考虑不装接闪器,且为金属物体,防雷措施为直接与屋面防雷装置相连[4],即此组设备取多点用接地线或扁钢与屋面接闪网作电气联通。
2.4 接闪器设置
本例中,所设置的接闪器主要为接闪网和接闪杆两类。接闪器布置根据表4中所示要求设置。
表4 接闪器布置Tab.4 Air-termination system arrangement
首先屋面设置接闪网,对于第二类建筑物,接闪网按不大于10 m×10 m或12 m×8 m的网格沿屋角、屋脊、屋檐敷设。引下线不少于2根,间距不大于18 m 沿建筑物四周均匀布置[5]。接下来,需对四个排风管口设置接闪杆。为了施工方便及避免接闪杆过高、材料消耗过多,这里考虑设立两支等高接闪杆。接闪杆设置的方法为:通过其需保护的范围,利用滚球法原则,反推出需要设置的最小高度。已知四个排风管的高度皆为1.5 m。根据前文描述:接闪器的保护范围应在管帽上1 m垂直距离及距管口处水平距离2 m 设置,此处,实际情况则等同于四个2.5 m 高、半径2 m的圆柱形区域都需处于接闪杆的保护范围,如图3所示阴影区域。通过作图法,先作一条半径45 m 与地面相切的圆弧,此为第二类建筑物接闪杆的滚球半径。垂直于地面作垂线,与圆弧相交的线段就是接闪杆。只要需保护的阴影区域处于圆弧、接闪杆与地面所围成的面积空间之内,则满足处于接闪杆的保护范围。要求得接闪杆的最小高度,则需让阴影区域的顶点与圆弧相交,接闪杆处于阴影范围边缘,如图2所示。图2中量得最小接闪杆高度为4.111 m,实际可选用4.2 m的热镀锌钢管制作接闪杆。
在平面图上,如图3所示:先表示出四个出风口需保护的范围空间,图4中为四个出风口所对应的半径为2 m的圆形阴影区域。要使这四个阴影区域处于接闪杆的最小保护范围内,则在阴影相交的两个位置上设置接闪杆即可,如图4中位置。两根接闪杆所组成的保护范围完全可以覆盖所要求的区域。
图3 接闪杆保护范围立面图Fig.3 Elevationview of the range of air-termination system
图4 接闪杆保护范围俯视图Fig.4 Top view of the range of air-termination system
2.5 防雷设计布置图
最后,屋面风机的金属外壳再考虑作等电位连接与屋面接闪网相连并标注接闪杆、接闪网的定位尺寸。综上所述,最终得到如图5所示的屋面防雷布置图。图5中,星直线为接闪网、点虚线为接地线、箭头为引下线、点圆为接闪杆。
3 总结
工业厂房爆炸危险区域的划分及相应的防雷设计,由于牵涉到生产及人身安全,所以这部分的设计要慎重地考虑与规划,力求做到全面谨慎不遗漏。笔者在实际工作中发现,有不少设计案例存在少划或遗漏爆炸危险区域的情况。如本例中,屋面废气吸收装置,由于仅在发生事故时偶尔排放爆炸危险物质,且容易被视为屋面通风良好区域而被不作为释放源对待。屋面排放爆炸危险气体的排风管,也会经常被当作一般金属物体,仅作接地处理而未按要求设置接闪杆。秉承着安全第一的原则,在不影响成本及设计施工难度的情况下,有必要尽量考虑完善的安全措施,力求最大限度保障生产及人身安全,在正确划分爆炸危险区域的前提下,合理设置必要的防雷措施。
图5 屋面防雷布置图Fig.5 Roof lightning protection layout