防爆厂房电气设计探讨.doc

防爆厂房电气设计探讨摘 要 针对防爆厂房的危险环境，介绍了爆炸危险环境危险区域的划分，重点阐述了从变配电室位置的选择、设备正确选型、电缆敷设以及防雷接地设计时，电气设计时应注意的事项。在满足安全要求、经济实用的前提下，各专业应合理确定设计方案。关键词 医药化工企业；爆炸危险环境；电气安全；防爆措施引言当前在医药化工企业的生产过程中，许多物料介质是具有爆炸、火灾性危险的，另外在加工、处理以及储运过程中，也会存在爆炸危险性环境，因此，严格、细致地划分爆炸危险场所区域，明确爆炸危险场所的等级和危险介质的级别，采取正确的防爆措施，防止爆炸条件的形成和减轻爆炸危险的严重程度是电气设计的重点，也是事关企业安全生产和工程建设的重要问题。1 爆炸危险环境中产生爆炸的基本条件首先了解燃烧和爆炸是怎样产生的？当易燃物质（例如甲烷、氢气、玉米粉尘等）和氧化剂（例如氧气，空气等）混合在一起，达到一定浓度，遇到点燃源（例如明火，火花，电弧，高温表面等），以致达到可燃性混合物引燃温度，从而产生燃烧和爆炸。通过对以上基础知识的了解，可以得出易燃物质、氧化剂及点燃源形成了燃烧和爆炸的三个基本条件，为了防止出现火灾和爆炸危险的产生，在工程设计时，设计人员就可以有针对性地采取相应措施，防止以上三个基本条件同时存在，包括如何确定释放源位置、如何根据混合气体浓度确定和划分不同爆炸危险区域、如何限制及消除点燃源、如何控制易燃物质和氧化剂的混合浓度等等一系列措施。2 爆炸危险环境危险区域的划分根据爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058-92规定，按照易燃物质种类的不同，将爆炸危险环境分为爆炸性气体环境和爆炸性粉尘环境。根据爆炸性气体混合物出现的频繁程度和持续时间，将爆炸性气体环境分为：0区、1区、2区。0区连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境；1区在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境；2区在正常运行时不可能出现爆炸性气体环境，或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境。根据爆炸性粉尘混合物出现的频繁程度和持续时间，将爆炸性粉尘环境分为：10区、11区。10区连续出现或长期出现爆炸性粉尘混合物的环境；11区有时会将积留下的粉尘扬起而偶然出现爆炸性粉尘混合物的环境。在我院设计的医药化工厂房中，多数为2区爆炸性气体环境，因此，下文笔者将重点介绍在2区爆炸性气体环境中电气设计时应注意的几个要点。3 防爆电气设计需考虑的几个要点3.1 变配电所的布置防爆设计是一个集工艺、电气、自控、建筑结构、暖通等专业协作进行的综合性设计，电气防爆设计是其中一个非常重要的组成部分，因此在设计初始，电气设计人员就应参与到方案设计中，协助工艺人员，确保变配电室既能接近负荷中心又能远离爆炸危险环境，建筑设计防火规范（GB50016 2006）第3.3.14规定“变、配电所不应设置在甲、乙类厂房内或贴邻建造，且不应设置在爆炸性气体、粉尘环境的危险区域内。供甲、乙类厂房专用的10kV及以下的变、配电所，当采用无门窗洞口的防火墙隔开时，可一面贴邻建造，并应符合现行国家标准爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058-92等规范的有关规定”，由此可见，防爆厂房变、配电所的布置受到很多条件的约束和限制。如何既能保证符合规范要求，减少因电气原因发生爆炸危险的概率，又能不破坏整体建筑的美观呢？由于有“一面贴邻建造”的要求，笔者根据平时工作中遇到几种情况，将不同建筑类型防爆厂房的布置方案，总结如下：一、对于面积较小的防爆厂房，根据防爆厂房的特点，将配电装置集中设置在低压配电室内，可以把变、配电室布置在厂房的端头，变、配电室与防爆厂房之间用非燃烧体的防爆墙隔开，配电方式采用放射式配电（如下图1）。变配电室防 爆 厂 房图1 防爆厂房变配电室布置示意图一笔者设计的某甲类厂房，厂房长约85米，宽约24米，高约19米，共三层，为2区爆炸危险环境，爆炸性介质比重大于空气。经过负荷计算，本厂房需设一车间变电所，内设2台1000kVA干式变压器。通过比较，最终决定将车间变电所设置在厂房一层端头。另外，根据10kV及以下变电所设计规范GB50053-94规定，变电所上方须为正常环境，因此可以将变电所上方二、三层设置为低压配电室，为二、三层防爆用电设备配电。在满足规范要求的同时，达到管理方便，运行安全的目的。二、对于面积较大的防爆厂房，考虑到远端用电设备在输电线路上的电压降和损耗，如果依然把变、配电室设置在厂房端头，既不经济的，也不合理的，并且对设备的启动运行不利。针对此种情况,根据建设单位工程的要求以及工艺专业设备的布局，通常采用以下两种方案：方案一，变配电所布置在厂房端头，另外，在厂房内正常环境处设一分配电室（如下图2），由此分配电室继续向远端用电设备供电，采用配电干线树干式配电和由分配电室放射式配电至用电设备相结合的配电方式；变配电室低压配电室防 爆 厂 房图2 防爆厂房变配电室布置示意图二方案二，在厂房外靠近负荷中心的正常环境设置一变配电所，与厂房毗邻，并用非燃烧体的防爆墙隔开，配电方式采用放射式配电（如下图3）。为了不破坏厂房的整体造型，变配电所可以与厂房同高，每层作为分配电室，并单独设置疏散楼梯。防 爆 厂 房变配电室图3 防爆厂房变配电室布置示意图三另外，规范中有“采用无门窗洞口的防火墙隔开”的要求，因此如果防爆厂房变配电室与防爆区仅有一墙之隔，那么，按照规范规定这堵墙上不允许有任何洞口。笔者遇到这种情况，解决的方法是将由变配电室配出的电缆，采用沿电缆桥架先经过一段正常环境区域或一间正常环境的房间，然后再由此配出至防爆区，利用这个区域作为缓冲区域，保护变配电室的安全。另外在布置变配电室时还需要注意的是，对于易燃物质比空气重的爆炸性气体环境中的变、配电所和控制室，其室内地面应高出室外地面0.6米，避免爆炸性混合气体侵入。3.2 防爆厂房电气设备的选型如何正确选用防爆电气设备对防爆厂房的安全是至关重要的。首先，根据危险场所划分的危险区域来选用相应的电气设备；其次，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；再次，爆炸危险区域内的电气设备应符合周围环境内化学的、机械的、热的、霉菌以及风沙等不同环境条件对电气设备的要求。3.2.1防爆电气设备型式根据爆炸性危险环境区域的不同，设备制造工艺结构以及安装维护的要求， 将目前主要应用的电气防爆型式以及各种防爆型式的应用范围和允许使用区域归纳总结，详见表1。表1 电气防爆型式以及各种防爆型式的应用范围防爆型式符号原理应用范围允许使用区域隔爆型（具有隔爆外壳的电气设备）Exd动力操作装置开关装置电动机（在正常运行条件下产生可燃电弧的各种装置）2区本安型（设备的电路正常工作或规定的故障状态下产生的电火花或热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物）ExiaExib测量和控制设备数据处理（低电值）Exia：0区Exia：1区增安型（正常运行不会产生火花或电弧，并采取措施提高安全程度，以避免在正常和认可的过载条件下出现这些现象的电气设备）Exe接线盒和配电盒照明配件测量仪器鼠笼式电动机（在正常运行条件下不产生可燃火花）1区正压型（设备的外壳内通入一定压力的新鲜空气或惰性气体）ExpxExpyExpz动力操作装置（需要有效的安全措施）Expx：1区Expy：1区Expz：2区油浸型（将设备全部或部分浸在外壳中的油内）Exo变压器1区充砂型（外壳内填充砂粒材料）Exq电容器电气组件保险丝1区浇封型（将设备可能产生火花或高温的部分浇封在浇封剂中）ExmaExmb测量和控制仪器继电器电子电路Exma：0区Exmb：1区新型技术n型ExnA-无火花型设备ExnC-封闭式结构ExnL-限制能量外壳ExnR-限制呼吸外壳ExnZ-具有简单正压照明灯电动机插头和插座测量和控制设备2区3.2.2 依据存在危险环境气体所属的级别和组别选择设备的级别和组别爆炸性气体混合物的级别按照最大试验安全间隙或最小点燃电流依次分为A、B、C，爆炸性气体混合物按引燃温度由高到低分组分为：T1，T2，T3，T4，T5，T6。根据工艺专业条件，查找爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058-92 附录三，查出相应介质的级别和组别。根据介质的级别和组别，选用相应级别和组别的电气防爆设备。当多种爆炸性气体同时存在时，电气防爆设备的级别和组别不应低于最高危险程度爆炸性气体的级别和组别。例如：甲烷的级别和组别为IIAT1，乙炔的级别和组别为IICT2，当这两种爆炸性气体同时存在时，电气防爆设备的级别和组别应选IICT2。不少人认为，防爆电气设备之所以能防爆，是因为其外壳能阻止有爆炸危险的气体进入其内部，其密封性能一定很好，能阻止雨水进入，安装在户外露天使用应该没有问题。其实这是许多人的一个误区，混淆了防爆电气设备的防爆形式和外壳防护等级两个概念。绝大多数防爆电气设备均不能阻止气体或水进入其内部，因此不能将这些防爆电气设备直接安装在户外露天场所，也不能用水冲洗其外壳。其实设备的防水性能完全由其外壳防护等级决定，通常用于户外能防雨水的电气设备外壳的防护等级应达到IPX5（即能经受来自各个方向的喷水而不进水），因此在选用防爆电气设备时必须同时提出外壳防护等级要求，另外要注意的一点是用于户外的防爆电气设备应耐腐蚀。3.3 防爆厂房配电线路设计防爆厂房内电气配线是很重要的一环，由于不容易检查，往往又成为最薄弱的环节，因此电气线路应在爆炸危险性较小的环境敷设。根据爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058-92规定，爆炸性气体环境中，在满足工艺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，放射式成为防爆厂房首选的配电方式。医药化工防爆厂房内线路敷设方式根据易燃物质的不同而不同，多数情况下易燃物质的比重比空气重，因此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；少数情况易燃物质比空气轻时，电气线路在较低处敷设或电缆沟内敷设。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。另外，防爆厂房内，工艺管道错综复杂，当电缆线路沿易燃气体或液体管道敷设时，应沿危险程度较低的管道一侧，当易燃物质比空气重时，电气线路应敷设在工艺管道上方，反之，当易燃物质比空气轻时，电气线路应敷设在工艺管道下方。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系统。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，即选择电缆时，应将电缆额定载流量乘以校正系数0.55。（2）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。3.4 防爆厂房的防雷接地设计3.4.1 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。根据建筑物防雷设计规范GB50057-94（2000年版）规定，防爆厂房防雷要求应划分为第一或第二类防雷建筑物。第一类防雷建筑物防雷措施应装设独立避雷针或不大于5 m 5 m或6 m 4 m的架空避雷网格；医药化工防爆厂房多数情况下属于第二类防雷建筑物，其防雷措施一般是在建筑物屋面上装设不大于10 m 10 m或12 m 8 m的避雷网格或避雷针或由其混合组成的接闪器，所有避雷针应采用避雷带相互连接。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，设计人员应该认真考虑，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，在医药化工企业中，经常将装有可燃气体、甲B、乙类可燃液体的露天布置的塔、容器露天布置，当其顶板及罐壁厚度大于或等于 4mm时，并且其放散管装有阻火器时，可利用其罐顶、罐壁作为接闪器，不必另设接闪器，但应设防雷接地，且接地点不应少于两处。3.4.2接地设计一般普通环境的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，是防爆设计的非常重要的一环。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GB50058-92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区内处照明灯具以外的其它电气设备，应采用专门的接地线，但不得利用输送易燃物质的管道。因此防爆厂房低压配电系统的接地形式多数为TN-S系统，采用总等电位联结，在厂房内设接地干线，采用 254热镀锌扁钢距地或楼板0.3m处明设，并与厂房 MEB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，自动化专业的安全栅，电动葫芦轨道，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点。4 其它措施在防爆厂房内可采用通风换气且通风良好的方式，达到降低爆炸危险区域等级的目的。另外，通过设置可燃气体浓度报警器，并使指之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。当爆炸性混合气体浓度超标时，可燃气体浓度报警控制器报警，随之联锁开启防爆排风机，第一时间将爆炸性混合气体排出室外，降低室内爆炸性混合气体浓度。根据采暖通风与空气调节设计规范GB50019-2003规定，事故通风的通风机，应分别在室内外便于操作的地点设置电器开关，因此，可在就地及远方控制室分别设置控制按钮，平时通过控制按钮控制防爆排风机启停，事故时，防爆排风机与可燃气体浓度报警器联锁启停，当防爆风机与可燃气体浓度报警器联锁失效时，远方控制室强制启动防爆排风机，从而达到安全生产的目的。另外，容易被设计人员忽视的一个环节就是爆炸危险环境区域的范围，防爆厂房在爆炸区域的窗户用的是可开启的泄爆窗，因此，泄爆窗上下7.5米以及距离释放源半径15米范围内，均应划为爆炸危险环境区域，通过这样划分，一些距离爆炸危险环境区域很近的正常环境，也会划为爆炸危险环境区域，如楼梯间等，遇到这些区域时，设计人员应谨慎对待，笔者遇见这种情况，首先想到的是缩小爆炸危险环境区域，例如可以向建筑专业提出，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露，当无法缩小爆炸危险环境区域时，应按照爆炸危险环境进行电气设计，选用相应级别和组别的电气防爆设备。结论总之，电气防爆的设计是综合防爆设计中的一个非常重要的组成部分，它是根据确定的、既有的、工艺方案进行的设计，是一项多学科、多专业综合性的技术，需要工艺、电气、仪表、暖通、建筑和结构等专业的相互配合，在满足安全要求、经济实用的前提下，合理确定设计方案。