防爆廠房電氣設計探討

防爆廠房電氣設計探討摘 要 針對防爆廠房的危險環(huán)境，介紹了爆炸危險環(huán)境危險區(qū)域的劃分，重點闡述了從變配電室位置的選擇、設備正確選型、電纜敷設以及防雷接地設計時，電氣設計時應注意的事項。在滿足安全要求、經(jīng)濟實用的前提下，各專業(yè)應合理確定設計方案。關鍵詞 醫(yī)藥化工企業(yè)；爆炸危險環(huán)境；電氣安全；防爆措施引言當前在醫(yī)藥化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中，許多物料介質(zhì)是具有爆炸、火災性危險的，另外在加工、處理以及儲運過程中，也會存在爆炸危險性環(huán)境，因此，嚴格、細致地劃分爆炸危險場所區(qū)域，明確爆炸危險場所的等級和危險介質(zhì)的級別，采取正確的防爆措施，防止爆炸條件的形成和減輕爆炸危險的嚴重程度是電氣設計的重點，也是事關企業(yè)安全生產(chǎn)和工程建設的重要問題。1 爆炸危險環(huán)境中產(chǎn)生爆炸的基本條件首先了解燃燒和爆炸是怎樣產(chǎn)生的？當易燃物質(zhì)（例如甲烷、氫氣、玉米粉塵等）和氧化劑（例如氧氣，空氣等）混合在一起，達到一定濃度，遇到點燃源（例如明火，火花，電弧，高溫表面等），以致達到可燃性混合物引燃溫度，從而產(chǎn)生燃燒和爆炸。通過對以上基礎知識的了解，可以得出易燃物質(zhì)、氧化劑及點燃源形成了燃燒和爆炸的三個基本條件，為了防止出現(xiàn)火災和爆炸危險的產(chǎn)生，在工程設計時，設計人員就可以有針對性地采取相應措施，防止以上三個基本條件同時存在，包括如何確定釋放源位置、如何根據(jù)混合氣體濃度確定和劃分不同爆炸危險區(qū)域、如何限制及消除點燃源、如何控制易燃物質(zhì)和氧化劑的混合濃度等等一系列措施。2 爆炸危險環(huán)境危險區(qū)域的劃分根據(jù)爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范GB50058-92規(guī)定，按照易燃物質(zhì)種類的不同，將爆炸危險環(huán)境分為爆炸性氣體環(huán)境和爆炸性粉塵環(huán)境。根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間，將爆炸性氣體環(huán)境分為：0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。0區(qū)連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；1區(qū)在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；2區(qū)在正常運行時不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境。根據(jù)爆炸性粉塵混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間，將爆炸性粉塵環(huán)境分為：10區(qū)、11區(qū)。10區(qū)連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物的環(huán)境；11區(qū)有時會將積留下的粉塵揚起而偶然出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物的環(huán)境。在我院設計的醫(yī)藥化工廠房中，多數(shù)為2區(qū)爆炸性氣體環(huán)境，因此，下文筆者將重點介紹在2區(qū)爆炸性氣體環(huán)境中電氣設計時應注意的幾個要點。3 防爆電氣設計需考慮的幾個要點3.1 變配電所的布置防爆設計是一個集工藝、電氣、自控、建筑結構、暖通等專業(yè)協(xié)作進行的綜合性設計，電氣防爆設計是其中一個非常重要的組成部分，因此在設計初始，電氣設計人員就應參與到方案設計中，協(xié)助工藝人員，確保變配電室既能接近負荷中心又能遠離爆炸危險環(huán)境，建筑設計防火規(guī)范（GB50016 2006）第3.3.14規(guī)定“變、配電所不應設置在甲、乙類廠房內(nèi)或貼鄰建造，且不應設置在爆炸性氣體、粉塵環(huán)境的危險區(qū)域內(nèi)。供甲、乙類廠房專用的10kV及以下的變、配電所，當采用無門窗洞口的防火墻隔開時，可一面貼鄰建造，并應符合現(xiàn)行國家標準爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范GB50058-92等規(guī)范的有關規(guī)定”，由此可見，防爆廠房變、配電所的布置受到很多條件的約束和限制。如何既能保證符合規(guī)范要求，減少因電氣原因發(fā)生爆炸危險的概率，又能不破壞整體建筑的美觀呢？由于有“一面貼鄰建造”的要求，筆者根據(jù)平時工作中遇到幾種情況，將不同建筑類型防爆廠房的布置方案，總結如下：一、對于面積較小的防爆廠房，根據(jù)防爆廠房的特點，將配電裝置集中設置在低壓配電室內(nèi)，可以把變、配電室布置在廠房的端頭，變、配電室與防爆廠房之間用非燃燒體的防爆墻隔開，配電方式采用放射式配電（如下圖1）。變配電室防 爆 廠 房圖1 防爆廠房變配電室布置示意圖一筆者設計的某甲類廠房，廠房長約85米，寬約24米，高約19米，共三層，為2區(qū)爆炸危險環(huán)境，爆炸性介質(zhì)比重大于空氣。經(jīng)過負荷計算，本廠房需設一車間變電所，內(nèi)設2臺1000kVA干式變壓器。通過比較，最終決定將車間變電所設置在廠房一層端頭。另外，根據(jù)10kV及以下變電所設計規(guī)范GB50053-94規(guī)定，變電所上方須為正常環(huán)境，因此可以將變電所上方二、三層設置為低壓配電室，為二、三層防爆用電設備配電。在滿足規(guī)范要求的同時，達到管理方便，運行安全的目的。二、對于面積較大的防爆廠房，考慮到遠端用電設備在輸電線路上的電壓降和損耗，如果依然把變、配電室設置在廠房端頭，既不經(jīng)濟的，也不合理的，并且對設備的啟動運行不利。針對此種情況,根據(jù)建設單位工程的要求以及工藝專業(yè)設備的布局，通常采用以下兩種方案：方案一，變配電所布置在廠房端頭，另外，在廠房內(nèi)正常環(huán)境處設一分配電室（如下圖2），由此分配電室繼續(xù)向遠端用電設備供電，采用配電干線樹干式配電和由分配電室放射式配電至用電設備相結合的配電方式；變配電室低壓配電室防 爆 廠 房圖2 防爆廠房變配電室布置示意圖二方案二，在廠房外靠近負荷中心的正常環(huán)境設置一變配電所，與廠房毗鄰，并用非燃燒體的防爆墻隔開，配電方式采用放射式配電（如下圖3）。為了不破壞廠房的整體造型，變配電所可以與廠房同高，每層作為分配電室，并單獨設置疏散樓梯。防 爆 廠 房變配電室圖3 防爆廠房變配電室布置示意圖三另外，規(guī)范中有“采用無門窗洞口的防火墻隔開”的要求，因此如果防爆廠房變配電室與防爆區(qū)僅有一墻之隔，那么，按照規(guī)范規(guī)定這堵墻上不允許有任何洞口。筆者遇到這種情況，解決的方法是將由變配電室配出的電纜，采用沿電纜橋架先經(jīng)過一段正常環(huán)境區(qū)域或一間正常環(huán)境的房間，然后再由此配出至防爆區(qū)，利用這個區(qū)域作為緩沖區(qū)域，保護變配電室的安全。另外在布置變配電室時還需要注意的是，對于易燃物質(zhì)比空氣重的爆炸性氣體環(huán)境中的變、配電所和控制室，其室內(nèi)地面應高出室外地面0.6米，避免爆炸性混合氣體侵入。3.2 防爆廠房電氣設備的選型如何正確選用防爆電氣設備對防爆廠房的安全是至關重要的。首先，根據(jù)危險場所劃分的危險區(qū)域來選用相應的電氣設備；其次，選用的防爆電氣設備的級別和組別不應低于該爆炸性氣體環(huán)境內(nèi)爆炸性氣體混合物的級別和組別；再次，爆炸危險區(qū)域內(nèi)的電氣設備應符合周圍環(huán)境內(nèi)化學的、機械的、熱的、霉菌以及風沙等不同環(huán)境條件對電氣設備的要求。3.2.1防爆電氣設備型式根據(jù)爆炸性危險環(huán)境區(qū)域的不同，設備制造工藝結構以及安裝維護的要求， 將目前主要應用的電氣防爆型式以及各種防爆型式的應用范圍和允許使用區(qū)域歸納總結，詳見表1。表1 電氣防爆型式以及各種防爆型式的應用范圍防爆型式符號原理應用范圍允許使用區(qū)域隔爆型（具有隔爆外殼的電氣設備）Exd動力操作裝置開關裝置電動機（在正常運行條件下產(chǎn)生可燃電弧的各種裝置）2區(qū)本安型（設備的電路正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花或熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性混合物）ExiaExib測量和控制設備數(shù)據(jù)處理（低電值）Exia：0區(qū)Exia：1區(qū)增安型（正常運行不會產(chǎn)生火花或電弧，并采取措施提高安全程度，以避免在正常和認可的過載條件下出現(xiàn)這些現(xiàn)象的電氣設備）Exe接線盒和配電盒照明配件測量儀器鼠籠式電動機（在正常運行條件下不產(chǎn)生可燃火花）1區(qū)正壓型（設備的外殼內(nèi)通入一定壓力的新鮮空氣或惰性氣體）ExpxExpyExpz動力操作裝置（需要有效的安全措施）Expx：1區(qū)Expy：1區(qū)Expz：2區(qū)油浸型（將設備全部或部分浸在外殼中的油內(nèi)）Exo變壓器1區(qū)充砂型（外殼內(nèi)填充砂粒材料）Exq電容器電氣組件保險絲1區(qū)澆封型（將設備可能產(chǎn)生火花或高溫的部分澆封在澆封劑中）ExmaExmb測量和控制儀器繼電器電子電路Exma：0區(qū)Exmb：1區(qū)新型技術n型ExnA-無火花型設備ExnC-封閉式結構ExnL-限制能量外殼ExnR-限制呼吸外殼ExnZ-具有簡單正壓照明燈電動機插頭和插座測量和控制設備2區(qū)3.2.2 依據(jù)存在危險環(huán)境氣體所屬的級別和組別選擇設備的級別和組別爆炸性氣體混合物的級別按照最大試驗安全間隙或最小點燃電流依次分為A、B、C，爆炸性氣體混合物按引燃溫度由高到低分組分為：T1，T2，T3，T4，T5，T6。根據(jù)工藝專業(yè)條件，查找爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范GB50058-92 附錄三，查出相應介質(zhì)的級別和組別。根據(jù)介質(zhì)的級別和組別，選用相應級別和組別的電氣防爆設備。當多種爆炸性氣體同時存在時，電氣防爆設備的級別和組別不應低于最高危險程度爆炸性氣體的級別和組別。例如：甲烷的級別和組別為IIAT1，乙炔的級別和組別為IICT2，當這兩種爆炸性氣體同時存在時，電氣防爆設備的級別和組別應選IICT2。不少人認為，防爆電氣設備之所以能防爆，是因為其外殼能阻止有爆炸危險的氣體進入其內(nèi)部，其密封性能一定很好，能阻止雨水進入，安裝在戶外露天使用應該沒有問題。其實這是許多人的一個誤區(qū)，混淆了防爆電氣設備的防爆形式和外殼防護等級兩個概念。絕大多數(shù)防爆電氣設備均不能阻止氣體或水進入其內(nèi)部，因此不能將這些防爆電氣設備直接安裝在戶外露天場所，也不能用水沖洗其外殼。其實設備的防水性能完全由其外殼防護等級決定，通常用于戶外能防雨水的電氣設備外殼的防護等級應達到IPX5（即能經(jīng)受來自各個方向的噴水而不進水），因此在選用防爆電氣設備時必須同時提出外殼防護等級要求，另外要注意的一點是用于戶外的防爆電氣設備應耐腐蝕。3.3 防爆廠房配電線路設計防爆廠房內(nèi)電氣配線是很重要的一環(huán)，由于不容易檢查，往往又成為最薄弱的環(huán)節(jié)，因此電氣線路應在爆炸危險性較小的環(huán)境敷設。根據(jù)爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范GB50058-92規(guī)定，爆炸性氣體環(huán)境中，在滿足工藝生產(chǎn)及安全的前提下，應減少防爆電氣設備的數(shù)量，減少危險源，因此，放射式成為防爆廠房首選的配電方式。醫(yī)藥化工防爆廠房內(nèi)線路敷設方式根據(jù)易燃物質(zhì)的不同而不同，多數(shù)情況下易燃物質(zhì)的比重比空氣重，因此電氣線路應在較高處敷設、直接埋地或采用電纜橋架架空敷設；少數(shù)情況易燃物質(zhì)比空氣輕時，電氣線路在較低處敷設或電纜溝內(nèi)敷設。敷設電纜線路的溝道、電纜或鋼管所穿過的不同區(qū)域之間墻或樓板處的孔洞，應采用非燃性材料嚴密堵塞。另外，防爆廠房內(nèi)，工藝管道錯綜復雜，當電纜線路沿易燃氣體或液體管道敷設時，應沿危險程度較低的管道一側(cè)，當易燃物質(zhì)比空氣重時，電氣線路應敷設在工藝管道上方，反之，當易燃物質(zhì)比空氣輕時，電氣線路應敷設在工藝管道下方。電纜橋架與一般工藝管道平行架設時，間距不小于400mm；與具有腐蝕性液體管道平行架設時不小于500mm，且應采取防腐措施；與蒸汽管道平行架設時不小于1000mm。在0區(qū)內(nèi)，只允許敷設本安型電纜系統(tǒng)。在1區(qū)、2區(qū)內(nèi)可采用阻燃電纜配線，也可采用阻燃銅芯導線穿低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管敷設，并且其導體允許載流量，不應小于熔斷器熔體電流的1.25倍和自動開關延時過電流脫扣器整定電流的1.25倍，引向電壓為1000V以下鼠籠型感應電動機支線的長期允許載流量，不應小于電動機額定電流的1.25倍，即選擇電纜時，應將電纜額定載流量乘以校正系數(shù)0.55。（2）電纜橋架與一般工藝管道平行架設時間距不小于400mm；與具有腐蝕性液體管道平行架設時不小于500mm，且應采取防腐措施。3.4 防爆廠房的防雷接地設計3.4.1 防雷設計 與一般的建筑物相比，爆炸危險環(huán)境的建筑物遭受雷擊時，將造成巨大的破壞和人身傷亡，故其防雷措施比一般環(huán)境工業(yè)建筑物更為嚴格和復雜。根據(jù)建筑物防雷設計規(guī)范GB50057-94（2000年版）規(guī)定，防爆廠房防雷要求應劃分為第一或第二類防雷建筑物。第一類防雷建筑物防雷措施應裝設獨立避雷針或不大于5 m 5 m或6 m 4 m的架空避雷網(wǎng)格；醫(yī)藥化工防爆廠房多數(shù)情況下屬于第二類防雷建筑物，其防雷措施一般是在建筑物屋面上裝設不大于10 m 10 m或12 m 8 m的避雷網(wǎng)格或避雷針或由其混合組成的接閃器，所有避雷針應采用避雷帶相互連接。需要特別注意的是，對于突出屋面的排放爆炸性氣體的放散管、排風管、煙囪、呼吸閥等設施的防雷措施，設計人員應該認真考慮，首先確定為幾類防雷建筑物、排放物是否達到爆炸濃度、排放是否點火燃燒、是否裝設阻火器等等，從而確定是否可以利用其金屬管壁（帽）作為接閃器，如果需要裝設接閃器，接閃器是否必須保護到上述空間，還是可以縮小防雷區(qū)域僅保護到管口。對于排放無爆炸性氣體的放散管、煙囪，1區(qū)、11區(qū)和2區(qū)爆炸危險環(huán)境的自然通風管，可利用其金屬管壁（帽）作為接閃器，但應與屋面防雷裝置可靠連接，非金屬物體且在屋面接閃器保護范圍之外，應裝設接閃器，并和屋面防雷裝置相連。另外，在醫(yī)藥化工企業(yè)中，經(jīng)常將裝有可燃氣體、甲B、乙類可燃液體的露天布置的塔、容器露天布置，當其頂板及罐壁厚度大于或等于 4mm時，并且其放散管裝有阻火器時，可利用其罐頂、罐壁作為接閃器，不必另設接閃器，但應設防雷接地，且接地點不應少于兩處。3.4.2接地設計一般普通環(huán)境的接地設計主要考慮的因素是保護人身安全，但是在爆炸危險環(huán)境接地設計中，還需要考慮抑制危險電壓及過電流形成引燃源，是防爆設計的非常重要的一環(huán)。在爆炸性氣體環(huán)境中，當發(fā)生短路、泄漏電流增大、雷電感應過電壓或產(chǎn)生靜電時，抑制危險電壓及過電流，極為有效的措施就是接地。根據(jù)爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范GB50058-92規(guī)定，爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)內(nèi)的所有電氣設備以及爆炸性氣體環(huán)境2區(qū)內(nèi)處照明燈具以外的其它電氣設備，應采用專門的接地線，但不得利用輸送易燃物質(zhì)的管道。因此防爆廠房低壓配電系統(tǒng)的接地形式多數(shù)為TN-S系統(tǒng)，采用總等電位聯(lián)結，在廠房內(nèi)設接地干線，采用 254熱鍍鋅扁鋼距地或樓板0.3m處明設，并與廠房 MEB總等電位聯(lián)結端子板相連，同時接地干線應與混凝土柱內(nèi)鋼筋按規(guī)范要求聯(lián)結成電氣通路，所有正常不帶電的設備金屬外殼，暖通專業(yè)的風管，自動化專業(yè)的安全柵，電動葫蘆軌道，工藝金屬構架，鋼平臺和電纜橋架等均應接地，連接點不少于2點。4 其它措施在防爆廠房內(nèi)可采用通風換氣且通風良好的方式，達到降低爆炸危險區(qū)域等級的目的。另外，通過設置可燃氣體濃度報警器，并使指之與防爆排風機聯(lián)鎖啟停的方式，控制廠房內(nèi)爆炸性混合氣體的濃度。當爆炸性混合氣體濃度超標時