爆炸性气体环境危险区域划分常见问题分析

隋阳

(北京石油化工工程有限公司 西安分公司,陕西 西安 710075)

爆炸危险区域划分是电力装置设计的重要依据,也是人身和财产安全的重要保障。本文结合工程实例,分析在绘制爆炸危险区域划分图时遇到的常见问题。

1 爆炸性气体混合物的分级

在实际工程设计过程中,绘制爆炸危险区域划分图的专业人员接收到危险性介质释放源条件后,会根据GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》中附录C[1],确定可燃性气体的分级、分组,再根据混合气体中最高等级的级别、组别来确定电力设备的最低要求,但该做法是不规范且不全面的。在石油化工装置中,爆炸危险区域内的设备应按危险区域划分进行选型,故需判定爆炸危险环境气体或蒸汽混合物分类,指导设备选型[2]。对可燃性爆炸危险介质混合物的分级,一般可用勒夏特列关系式确定该类介质混合物的最大实验安全间隙(MESGmix),来评估其分级。很多情况下,按体积分数或摩尔分数计算的爆炸性气体混合物中,高等级危险介质占比很小,经计算后的爆炸性气体混合物的级别会降低,可进一步降低工程投资。

以笔者设计过的天然气净化装置为例,分析爆炸性气体混合物的分级问题。天然气净化装置原料气中主要的爆炸性气体为甲烷,并同时存在乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、氢气、硫化氢等。主要可燃性气体为链烷类,分级为IIA级,但由于存在硫化氢、氢气等分级更高的可燃性气体,提高了爆炸性气体混合物的分级。

利用公式计算MESGmix,危险性介质释放源条件见表1所列。

表1 危险性介质释放源条件

表1中各易燃物MESGi, mix值均引自GB/T 3836.11—2017《爆炸性环境 第11部分: 气体和蒸气物质特性分类 试验方法和数据》[3]。其中,氮气的体积分数小于5%,采用无限大的最大实验安全间隙。根据GB/T 3836.11—2017混合气体最大实验安全间隙的计算如式(1)所示[3]:

(1)

式中:φi——第i种组分在混合气体中的体积分数,%;MESGi, mix——第i种组分的最大实验安全间隙,mm。

将各组分的MESGi, mix值和体积分数分别代入式(1)得出:MESGmix=1.106mm。根据GB 50058—2014中表4,混合气体分级归为IIA级。虽然硫化氢分级为IIB级,但由于混合气体中硫化氢(按体积计)占比很小,经计算后爆炸性气体混合物的级别归为IIA级。

2 露天场所对爆炸危险区域的影响

文献[1]要求,露天场所可定义为通风良好场所;当通风良好时,可降低爆炸危险区域等级[1]。需注意的是“可降低”并不是取消,也就是说,即便通风良好,也不能理解为可以取消爆炸危险区域[4]。由于该规范中只提出了“可降低爆炸危险区域等级”,却并未明确说明可降低爆炸危险区域等级的具体实施办法。读者很容易得出,露天场所的连续级释放源可划分为1区区域,一级释放源可划分为2区区域,二级释放源可不划分爆炸危险区这种不全面的理解或结论。

笔者在查阅GB 3836.14—2014《爆炸性环境 第14部分 场所分类爆炸性气体环境》后[5],对露天场所通风条件对爆炸危险区域的影响有了更全面的理解。在分析露天场所通风条件对爆炸危险区域的影响时,即便是通风的有效性是“良好”,还需考虑通风等级的影响。结合文献[5]中独立通风对区域类型的影响的规定,才能最终确定能否降低释放源可划分区域等级。

在文献[5]中对自然通风的要求是: 对户外场所,一般情况下,判断通风条件应以假设最小风速0.5 m/s为基础,且连续地存在。该种情况下,通风的有效性应被看作是“良好”。在户外场所,除非假设体积非常小或有有效的限制空气流动的措施,应被视为中级通风(VM)。在确定通风等级时,也可以根据文献[5]中公式计算通风等级。

以笔者设计的某天然气净化装置为例,释放源主要为法兰及阀门处,某天然气净化装置的户外场所甲烷气体的释放特性及通风特性见表2所列,表2中分析的可燃性物质为甲烷气体。

表2 某天然气净化装置的户外场所甲烷气体的释放特性及通风特性

文献[5]中新鲜空气最小体积流速计算如下所示:

(2)

式中: (dV/dt)min——新鲜空气的最小体积流速,m3/s;(dm/dt)max——释放源的最大释放速率,kg/s;LELm——爆炸下限,kg/m3;k——适用于爆炸下限的安全系数;T——环境温度,K。

(3)

式中:VZ——假设体积,m3;f——允许阻止空气流动的参数,即通风效率系数;C——单位时间内新鲜空气置换(充入)的次数,s-1;

(4)

式中:t——持续时间,s;LELV——爆炸下限,%;φ0——用与LEL相同的单位所测量的可燃性物质的初始体积分数,%。

将表2数据代入式(2),式(3):

露天场所假设容积V0在户外中的合理值为3.4×103m3[5],VZ小于V0,则

综上,通风等级考虑被视为中级(VM)。

根据文献[5]中表B.1得出最终结论: 在露天场所通风等级“中级”,通风有效性“良好”情况下,释放等级为连续,区域分类为0区;释放等级为1级,区域分类为1区;释放等级为2级,区域分类为2区;爆炸危险区域等级并没有在露天场所条件下降低,并且只有当通风等级为高级(VH)时,才可降低爆炸危险区域等级。

3 确定爆炸危险区域

在确定爆炸危险区域的具体范围时,需要按照释放源的等级和位置、可燃物质的特性、通风条件、障碍物及生产条件、运行经验确定,在划分危险区域时需要考虑比较多的影响因素[6]。

天然气净化装置经常会用到燃气导热油锅炉,其周围爆炸危险区域的划分争议颇多。结合笔者绘制爆炸危险区域划分图的经验,以该锅炉为例,通过新的分析思路,划分其周围的爆炸危险区域,划分方式如下:

1)分析该锅炉附近是否为非爆炸危险区。根据文献[1]中的要求,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,可划为非爆炸危险区域,所以需要进一步分析该锅炉是否为使用明火设备。根据GB 50160—2008(2018版)《石油化工企业设计防火规范》规定,明火设备是指燃烧室与大气连通,非正常情况下有火焰外露的加热设备和废气焚烧设备[7]。然而该锅炉炉体封闭,留有不可开启式观火窗口,火焰在正常情况下及非正常情况下均不外露。因此,该锅炉虽然炉体内部有火焰,却为非明火设备。根据SY/T 0524—2016《导热油加热炉系统规范》要求,加热炉炉墙、烟风道、辅助设备、管道及阀门应具有良好的密封和保温性能。当周围环境温度为25 ℃时,距门(孔)300 mm以外的炉体外表面温度不得超过50 ℃[8]。而甲烷的引燃温度为537 ℃,其可燃性爆炸危险介质混合物的引燃温度分组最高为T3组别,远高于炉体外表面温度。综上,该锅炉附近不能划分为非爆炸危险区。

2)分析该锅炉是否为释放源。该锅炉有可能为释放源的有4个部位,分别为锅炉本体,燃烧器,天然气进气管道入口处的法兰、阀门、积液器排放口,天然气进气管道入口处的工艺程序控制阀。根据上文对于锅炉本体的分析,该锅炉炉体封闭,输送至炉体内部的天然气与空气经点火器点火燃烧,甲烷气体无法扩散到炉体外部。因此锅炉本体为非释放源;对于燃烧器,根据工艺联锁,鼓风机启动后,才允许天然气进入燃烧器,由于鼓风机持续将空气送入,燃烧器内为负压,天然气无法扩散至燃烧器外部,因此燃烧器为非释放源;根据文献[1]中规定,天然气进气管道入口处的法兰、阀门、积液器排放口,天然气进气管道入口处的工艺程序控制阀,为二级释放源。

3)确定该锅炉周围的爆炸危险区域。根据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》规定,充分通风的非封闭场所内的螺纹连接、法兰、隔断阀和止回阀周围的区域,不需要进行划分[9]。根据GB 50058—2014中附录B规定: 位于通风良好而未封闭的区域内的截断阀和止回阀周围的区域可不分类。因此,对于天然气进气管道上的法兰、隔断阀、止回阀周围的区域不划为爆炸危险区域;对于天然气进气管道入口处的积液器排放口,正常工作情况下为关闭状态,按隔断阀考虑。极少数处于开启状态时,该锅炉同时处于未工作状态,积液器内只存有少量可燃性气体,可燃物质可能出现的最高浓度不会超过爆炸下限值的10%。同时,应有专业人员书写操作指导书,采取措施确保积液器排放口开启时,不形成爆炸危险性环境。在此基础上天然气进气管道入口处的积液器排放口可不划为爆炸危险区域;根据GB 50058—2014中规定: 位于通风良好的而未封闭的区域内的工艺程序控制阀周围的区域,在阀杆密封或类似密封周围0.5 m的范围内可划为2区。

综上所述,该锅炉需要划分爆炸危险区域为天然气进气管道的工艺程序控制阀阀杆密封周围0.5 m的范围内为2区。

4 绘制爆炸危险区域划分图

GB 50058—2014中总则部分规定,爆炸危险区域的划分应由负责生产、设备和工艺的专业人员以及安全、电气专业的工程技术人员共同商议完成。GB 3836.14—2014的总则规定,场所分类应由懂得可燃性物料性能、熟悉设备和工艺性能的专业人员进行,还应与懂得安全、电气、机械及其他有资质的工程技术人员商议。

在现实工程设计中,笔者所在设计公司以及了解到的其他设计公司中,多数公司由电气专业相关人员绘制,部分公司由安全专业相关人员绘制。工艺、设备及相关专业负责提供危险性介质释放源条件,由于专业的局限性,电气及安全专业对项目工艺流程及设备运行特点很难全面理解,对可能释放可燃性气体或蒸汽的部位或地点也无法定位准确,最终造成爆炸危险区域划分存在不准确的风险。以第3章为例,如不仔细分析工艺特点及流程,很容易将燃气导热油锅炉作为明火设备,将该锅炉周围划为非爆炸危险区域;或者将该锅炉作为整体设备,锅炉周围全部划为爆炸危险区域。

笔者认为爆炸危险区域划分图应严格遵循GB 50058—2014的规定,应由负责生产加工介质性能、设备和工艺性能的专业人员绘制,并且在绘制完成初版后,由项目(设计)经理组织电气、安全等有关专业,共同商议、研究决定终版图纸,并由负责生产、设备和工艺的专业人员绘制终版的爆炸危险区域划分图及发表,电气、安全等有关专业应在终版的爆炸危险区域划分图上进行会签。

5 结束语

对于GB 50058—2014的理解和使用,不能流于形式,停于表面,只有深入分析爆炸危险区域划分原理,并结合现行相关标准的规定,才能在工程设计中准确地绘制爆炸危险区域划分图。