地埋式污水處理廠的電氣自控防爆設(shè)計

肖 亮，趙穎然（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051）

1 引言

深圳某污水處理及回用工程建設(shè)規(guī)模為9000立方米/天，本工程采用A2O與膜技術(shù)結(jié)合的MBR處理工藝。該處理廠位于宿舍區(qū)的中心地帶，為滿足園區(qū)的整體規(guī)劃要求，保證周圍居民免受污水廠臭氣的干擾，處理廠的相關(guān)建筑物均采用地埋式結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 地埋式結(jié)構(gòu)對照參數(shù)

2 地埋式污水廠特點(diǎn)

由于地埋式建筑物本身的特點(diǎn)導(dǎo)致了運(yùn)行人員不可能經(jīng)常到現(xiàn)場操作控制電氣設(shè)備，因此要求地下設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)必須采用自動控制運(yùn)行。為此地埋式建筑物內(nèi)的所有電氣設(shè)備均采用PLC控制，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

在廢水處理過程中，有機(jī)物經(jīng)大量微生物的共同作用，最終轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳、硫化氫和氨氣等，根據(jù)可燃?xì)怏w特性（如表2所示）、有毒氣體特性（如表3所示）可知，甲烷、硫化氫的火災(zāi)類別均為甲級。由于該廠的格柵間、調(diào)節(jié)池及生化池均為地下封閉式建筑物，且在污水處理過程中會不斷產(chǎn)生甲烷等易燃物質(zhì)，根據(jù)<爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范>GB50058-92的要求，此區(qū)域應(yīng)劃分為環(huán)境危險區(qū)域1區(qū)，即該區(qū)域應(yīng)按爆炸性氣體環(huán)境進(jìn)行電氣自控設(shè)計。

表2 可燃?xì)怏w特性

表3 毒氣體特性

3 防爆區(qū)的電氣設(shè)計

防爆區(qū)電氣設(shè)計主要包括：電氣設(shè)備選型、安裝、電纜敷設(shè)、接地及等電位等設(shè)計。在爆炸性氣體環(huán)境中，電力設(shè)計應(yīng)符合的基本規(guī)定是：宜將正常運(yùn)行時發(fā)生火花的電氣設(shè)備，布置在爆炸性危險性較小的或者沒有爆炸性危險的環(huán)境內(nèi)。因此設(shè)計在考慮防爆區(qū)的電氣設(shè)計時，將廠區(qū)配電室、中央控制室設(shè)置在位于非防爆區(qū)內(nèi)的膜池及綜合車間構(gòu)筑物二層，并將防爆區(qū)內(nèi)的用電設(shè)備如：攪拌器、潛污泵、回流泵的電氣控制元件斷路器、接觸器和熱繼電器等均放置在非防爆區(qū)的MCC柜內(nèi)，現(xiàn)場僅采用隔爆型按鈕箱。對于防爆區(qū)內(nèi)設(shè)備配套的格柵電控柜，設(shè)計將其安裝于毗鄰非防爆區(qū)的膜池綜合車間內(nèi)，避免了在爆炸性環(huán)境下放置電氣控制柜。

格柵及調(diào)節(jié)池為封閉式建筑物。依據(jù)規(guī)范，對該封閉式單體設(shè)置獨(dú)立的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)和地下維護(hù)檢修通道。依據(jù)計算，設(shè)計通風(fēng)次數(shù)為30次/小時，風(fēng)壓為95Pa，其空氣流量能使易燃物質(zhì)很快稀釋到爆炸下限值的25%以下，從而達(dá)到通風(fēng)良好的效果。另外，將軸流風(fēng)機(jī)的控制通過PLC與氣體檢測報警儀聯(lián)動，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)自動控制排風(fēng)的要求。

電力電纜的設(shè)計中，防爆區(qū)的電纜均采用阻燃電纜，電纜線芯為銅芯。且防爆區(qū)電纜和非防爆區(qū)電纜均分層或分橋架敷設(shè)。防爆區(qū)內(nèi)的動力電纜、按鈕箱信號電纜截面均不低于2.5平方米，中性線和相線的截面均一致。電纜線路的敷設(shè)過程中，電纜一般穿鋼管敷設(shè)，在危險區(qū)域敷設(shè)的電纜嚴(yán)禁有中間接頭。當(dāng)施工不可避免時候，應(yīng)安裝隔爆型的接線盒或者接線箱。

防爆區(qū)中出現(xiàn)甲烷的概率較大，且甲烷比空氣輕。電氣線路敷設(shè)應(yīng)遠(yuǎn)離爆炸性氣體的釋放源，故將電氣線路敷設(shè)在電纜溝中。為防止電纜溝內(nèi)積水，應(yīng)在電纜溝底做0.5%的縱坡，將溝內(nèi)積水就近排放。電纜溝應(yīng)在電纜敷設(shè)完成后填充石英砂，且電纜溝在穿越不同危險區(qū)域的時候，采用不燃性材料嚴(yán)密包封，如圖1所示。

圖1 電纜溝進(jìn)入危險場所穿墻密封結(jié)構(gòu)示意圖

因防爆區(qū)內(nèi)各單體均為地埋式構(gòu)筑物，其接地系統(tǒng)應(yīng)利用池壁及底板內(nèi)的鋼筋網(wǎng)作為接地體，利用側(cè)壁內(nèi)2根不小于集合16的鋼筋作為自然引下線，池壁及底板內(nèi)鋼筋與鋼筋之間可靠焊接，形成一個整體的網(wǎng)狀電氣通路，電氣接地、自控接地共用一組接地系統(tǒng)，接地電阻不大于1.0歐姆。構(gòu)筑物內(nèi)PE干線、電氣裝置接地極的接地干線、電氣設(shè)備的非帶電金屬外殼、電纜的金屬外皮、金屬欄桿、各種金屬工藝管線及電纜支架等所有金屬構(gòu)件做總等電位聯(lián)結(jié)。對于屏蔽電纜的屏蔽層和鎧裝電纜的鎧裝帶要求可靠接地，接地點(diǎn)設(shè)置在非危險區(qū)域，如圖2所示。

圖2 屏蔽電纜屏蔽層多點(diǎn)接地示意圖

4 防爆區(qū)的自控設(shè)計

防爆區(qū)的自控設(shè)計主要包括現(xiàn)場儀表選型、安裝及纜線敷設(shè)。根據(jù)工藝要求，格柵間、調(diào)節(jié)池及生化池主要配置的儀表為現(xiàn)場檢測儀表和在線分析儀表，具體配置如表4所示。

表4 現(xiàn)場檢測儀表配置

以上所列儀表均位于防爆區(qū)，其選型應(yīng)滿足GB3836.1 83《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求》和GB3836.2 83《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備隔爆型電氣設(shè)備“d”》國家通用的爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備技術(shù)要求的防爆型產(chǎn)品。其中現(xiàn)場檢測儀表選用本安防爆型儀表，二線制，4～20mA輸出；在線分析儀表選用美國哈希公司的防爆型儀表，防爆等級為ClassⅠ、DivissionⅡ，四線制，4～20mA輸出。

圖3 防爆區(qū)電氣系統(tǒng)示意圖

如圖3所示，至防爆區(qū)的電氣系統(tǒng)是由現(xiàn)場設(shè)備、連接電纜及關(guān)聯(lián)設(shè)備組成。該電氣系統(tǒng)應(yīng)具有高度的安全可靠性。上面已對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行了介紹，下面就連接電纜和關(guān)聯(lián)設(shè)備具體說明。

5 連接電纜

用于連接現(xiàn)場設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備的連接電纜既要避免受到諸如外界電磁場的干擾及與其他回路混觸等因素的影響，又要在長度及纜芯結(jié)構(gòu)上限制自身分布電容及電感所帶來的附加能量，因此電源電纜選用阻燃型銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜；控制電纜選用阻燃型銅芯聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅網(wǎng)編織屏蔽電纜；模擬信號電纜選用阻燃型銅芯、鍍錫銅芯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅絲編織總屏電子計算機(jī)電纜。另外，在電纜敷設(shè)中值得注意的問題是：至防爆區(qū)的纜線與非防爆區(qū)的纜線應(yīng)分層或分線槽敷設(shè)。

6 關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵）

所謂關(guān)聯(lián)設(shè)備即安全柵是介于現(xiàn)場設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個限制能量的電氣設(shè)備，是用來限制控制室供給現(xiàn)場設(shè)備的電氣能量，使出現(xiàn)在現(xiàn)場設(shè)備輸入端子上的能量不能產(chǎn)生足以產(chǎn)生引爆危險氣體的火花。本設(shè)計將安全柵放置在非危險場所的控制柜內(nèi)，柜內(nèi)所有至防爆區(qū)的纜線出口均配置安全柵。

為確保運(yùn)行人員及時了解地埋式格柵間可燃及有毒氣體的濃度情況，在格柵間內(nèi)安裝了氣體檢測報警儀。氣體檢測報警儀采用一拖三形式，即一臺報警儀帶三個探頭（甲烷、硫化氫、氨氣）。為提高報警系統(tǒng)的可靠性，采用不間斷電源為氣體檢測報警儀供電；氣體檢測報警儀的信號與構(gòu)筑物的通風(fēng)機(jī)聯(lián)動并將報警信號發(fā)送至中央控制室。

氣體探頭的安裝位置應(yīng)根據(jù)氣體比重及場地情況確定。根據(jù)表5，甲烷、氨氣的比重小于空氣，故將其探頭安裝在距釋放源2.5米處，硫化氫氣體比重比空氣重，其探頭安裝在距釋放源0.5米處。探頭貼墻安裝，并與周圍管線、設(shè)備之間留有1米的凈空和出入通道。

表5 氣體比重表

7 結(jié)論

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，土地資源愈來愈寶貴，提高土地利用率已成必然。但污水處理廠占地面積較大且散發(fā)臭氣，若將其設(shè)置在居民區(qū)，不但影響市容市貌，而且給周邊居民帶來極大困擾，因此建設(shè)地埋式污水處理廠已成為一種發(fā)展趨勢。若要保證地埋式污水廠安全可靠的運(yùn)行，特別是保證電氣設(shè)備在防爆區(qū)的安全運(yùn)行，提高地埋式污水處理廠的防爆電氣自控設(shè)計水平顯得尤為關(guān)鍵。

[1]張顯力. 防爆電器概論[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[2]馬勇, 彭永瑧. 城市污水處理系統(tǒng)運(yùn)行及過程控制[M]. 科學(xué)出版社, 2007.

[3]GB50058-92, 爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB50493-2009, 石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范[S].