国内外PSA装置爆炸危险区域设计要点总结

2022-12-19吴礼林代茂节

低温与特气 2022年5期

吴礼林，代茂节

(西南化工研究设计院有限公司变压吸附研究所，四川成都 610000)

1 前言

变压吸附装置(简称PSA装置)主要以氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷等易燃易爆气体提纯为主，一旦发生泄漏，引起的燃爆事故将给化工企业的生产安全带来严重威胁。本文以普通电气设计人员的视角，梳理总结国内外PSA装置爆炸危险区域在划分各专业职责和设计过程中的常见问题。

2 明确各专业在场所分类中的职责

相信从事电气设计的同仁，在进行爆炸危险区域划分时，往往困惑于某些规范条款不确定的概念，同时受限于不同专业知识的壁垒，在实际工程设计中，盲目随意的采取保守的方法进行危险区域的范围划分，进而增加了工程项目的投资成本。依据GB 3836.14—2014《爆炸性环境第14部分:场所分类爆炸性气体环境》相关条款，场所分类应由懂得可燃性物料性能的相关性和重要性、熟悉设备和工艺性能的专业人员进行，并应与懂安全、电气、机械的工程技术人员商议，所以说爆炸危险区域划分是一个团队协作的过程，需要各专业人员间的充分沟通与协调。电气专业在危险区域划分中属于下游专业，需要根据其他专业所提条件严格按照规范要求划分爆炸危险区域的级别和范围大小，同时又需要绘制爆炸危险区域划分图并将其作为基础条件提供给所有其他专业，责任重大，务必谨慎；当对条件存有疑问时，应及时与上游专业沟通，督促对方完善条件，避免因上游专业的原因造成电气专业遗漏应划分的爆炸危险区域致使各专业的设计存在隐患，并注意提醒上游专业能否采取进一步的防护措施进而从源头上减轻爆炸危险。通常情况下，各专业的职责如下。

工艺专业：提供爆炸危险区域划分图设计条件，包括易燃性物质特性表、危险场所划分调查表、设备平(立)面布置图；接收爆炸危险区域划分图并会签。

电气专业：负责绘制爆炸危险区域划分图，并作为设计条件提供给各专业。

安全、自控、暖通、给排水等专业：接收电气专业爆炸危险区域划分图并会签。

3 对规范中不确定概念的理解

3.1 GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》对危险范围划分缺乏指导性

GB 50058—2014[1]标准中对于确定爆炸危险区域范围仅给出了原则性规定，对于列举的大多数影响区域范围的因素，规范并没有说明该如何考虑其影响，不好操作，在实际应用时也没有得到很好的执行，大多数设计人员都是套用典型示例。如真空泵管道实际运行时压力很小，甚至为负压，此时，当其中存在重于空气的易燃物质时，我们应该怎么确定范围？设计人员往往会以典型示例作为参考，忽视易燃物质浓度、压力等因素，直接套用示例按15 m划分。参考IEC 60079—2020，规范根据释放速率、通风条件、释放孔径、相对密度等因素，结合计算公式和范围图表，给出了大致范围，如采用此方法，划分范围会小很多。

希望GB 50058—2014标准修订时，在进行充分试验论证的同时，借鉴国外相关做法，增加具有指导性、可操作性的危险区域范围划分方法。

3.2 混合气体中可燃物质浓度很低时，是否需要划为爆炸危险区域？

GB 50058—2014中第3.2.2条表明“可燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限值的10%时，可划为非爆炸危险区域”，这点是明确的，但当可燃气体可能出现的浓度正好在爆炸下限之下，而又大于爆炸下限的10%时，规范上并没有明确表明如何确定是否为爆炸危险区域，只提到区域范围的定义，即“从释放源到气体/空气混合物被空气稀释到低于爆炸下限的空间范围，同时考虑爆炸下限适当的安全系数”，而适当的安全系数怎么取，取值范围是多少则没有明确的规定。所以，在实际设计时，设计人员往往按最保守的方法，把此类气体看作释放源进行划分，范围大小则按相对密度来取值。显然，对于大多数项目来说，这种划分方法的合理性值得商榷。

值得关注的是，此类浓度的气体在释放过程中会形成超过爆炸下限的浓度吗？在具备条件时，可以建模进行计算机仿真，但对于大多数工程应用，只能加深对国内外规范的理解再结合实际经验综合考虑，比如对于重于空气的气体丙烷，从扩散到下沉过程中，释放时可能会出现三种情况，一是气体在高速无阻碍的射流释放或风速大于3 m/s并形成湍流时的释放，此时，会提高气体浓度稀释速率，不会形成爆炸危险环境；二是气体低速扩散射流释放(通常称为亚音速释放)，会随着释放时间向地面辐射式扩散，会出现气体分层下沉并形成云团的现象，此时某一云团的浓度可能超过爆炸下限；三是通风不良时气体沿地面扩散，在地势低洼处可能会形成爆炸危险环境。再如，对于氢气等轻于空气的气体，通常情况下只需要将氢气可能聚集的地方进行爆炸危险说明即可。因此，针对以上各类情形，我们应结合通风条件、压力大小、相对密度等因素，并根据项目实际情况，决定是否需要进行爆炸危险区域划分，并说明某局部是否存在爆炸性环境。针对类似不确定性的问题，希望相关领域专业人员在理论和实践上进行积极探索，研究建立爆炸火灾危险环境区域划分的典型示例数据库，或开发区域划分的专用软件，为设计单位、企业进行爆炸危险环境区域划分时提供方便。

3.3 爆炸危险区域划分图纸的设计深度有何要求？

在进行危险区域范围划分时，相关画法一般参考GB 50058—2014附录A.0.1图示，设计深度按SHSG-053—2011 石油化工装置详细工程设计内容规定来执行。在GB 50058—2014附录A.0.1示例图中，并未示出潜在释放源管道阀门、法兰、取样口的位置，在实际划分中，是否可以忽略此类释放源呢？这是很多电气设计人员的困惑之处，以笔者之见，完全给出此类释放源的位置来完成划分操作较为繁琐，实际意义有限，但我们可以示出界区边缘压力较高的管道阀门、取样口或经评估在故障时大概率造成泄漏的阀门(如原料气或产品气进出界区阀门)为释放源，合理的完善危险区域范围的划分，避免在靠近PSA装置进行检修作业时因划分范围考虑不全引起爆燃事故。

4 国外项目危险区域划分设计总结

今年陆续完成了多个韩国项目的电气设计，其中，涉及到防爆标准、危险区域范围的确定等一系列问题，下面以笔者个人浅薄的理解对以上问题及解决办法进行梳理与总结，可供今后国外类似项目危险区域划分时借鉴与参考。

4.1 防爆标准

国外项目设计标准可根据甲方要求在技术协议中明确，以韩国项目为例，主要依据国际电工委员会IEC 60079系列标准，根据装置性质及应用场合，也可采用美国石油学会标准API RP 505—2013《1类、0区、1区和2区石油设施电气设备位置分类的推荐实施规程》[3]和美国消防协会标准NFPA 497—2017《易燃液体、气体或蒸气的分类和化工生产区电气装置设计》[4]。

4.2 危险区域范围的划分

按IEC 60079-10-1—2020[2]标准进行危险区域范围划分时范围如何确定，规范给出了一个可参考的距离图表，如图1所示。

图1 危险区域范围估算表

此方法是IEC估算危险范围的推荐方法，使用时应符合规范所描述的应用场合，如下所述。

1.图1可作为确定各种释放形式的危险区域范围的指南，曲线不适用于室内中、低稀释情况。

2.图1中的曲线是根据不同“通风速度”的计算流体动力学模拟(CFD)得出的，图表中的距离是按最不利的情况考虑的。

3.该图表代表了一些大规模情况的粗略近似值，但在小规模水平上相对不可靠。即使危险距离可能小于1 m或高于图1所示的距离，也不应进行超出图中所示图表区域的曲线外推，因为其他因素会影响评估，超出所示的限度。

4.应根据释放的类型选择合适的曲线：1)高速无阻碍喷射式释放装置；2)低速扩散射流释放，或由于释放的几何形状或射流对附近表面的撞击而失去动量的射流；3)沿水平表面(如地面)扩散的重于空气的气体。

其中“喷射”曲线的使用应该谨慎，大多数工程采用“扩散”曲线表示。

Qc的取值关系到最终范围的大小，从图表中我们可以看出，其主要影响因子为气体释放速率Wg(kg/s)和气体密度ρg。

由于气体从裂口泄漏的速度与其流动状态有关。因此，计算泄漏量时首先要判断泄漏时气体流动属于音速流动还是亚音速流动。

当式(1)成立时，气体流动属于音速流动。

(1)

其气体释放速率如式(2)。

(2)

当式(3)成立时，气体流动属于亚音速流动。

(3)

其气体释放速率如式(4)。

(4)

式中，p为容器内介质压力，Pa；pa为环境压力，Pa；γ为绝热膨胀的多变系数；Cd为流量系数，是释放孔的特征，考虑了湍流和粘度的影响，对于尖锐孔通常为0.50～0.75，对于圆形孔通常为0.95～0.99；S为截孔的面积；M为气体或蒸气的摩尔质量，kg/kmol；Z为压缩系数(无量纲)，一般取1；R为通用气体常数，8314.5 J/(kmol·K)；T为流体、气体或液体的温度，K，一般取293K。

最终计算的结果往往要小于相应典型图例标示的危险区域范围，因此，在应用此方法计算时应尽量谨慎。

如果使用国家标准中给出的示例图确定危险区域范围，可参考API RP 505第9.2节的相关做法，该做法是在调查和分析大量石油炼制工业的实践基础上，采用了可利用的实验数据，并仔细衡量了诸如潜在释放源的数量、释放速度和可能的释放量等相关因素后确定的，是针对炼厂的气体或蒸气，通常在高温、高压下连续运行的工况。在异常情况下，这些物料的组成和性质可能发生剧烈变化，危险程度高，因此相对保守，GB 50058—2014中的部分常用图例就是摘自此处。尽管这些推荐做法主要适用于炼厂场所，但是，一般认为现代化的炼油厂还包括与炼制作业相关的传统之外的设施。在加工程序上，石化和化工设施同炼油设备通常是相关联的。本章的推荐作法可以应用于这些在实质关系或工艺相似性范围中的附加设施。通常，PSA装置应用于炼厂时，优先采用此推荐做法，应用在其他场合时，可参考附录D.5和D.6，其中包括含有重于空气和轻于空气的泵、压缩机、阀门法兰的划分半径推荐范围。