地埋式污水處理廠的電氣自控防爆設計

肖 亮，趙穎然（天津市市政工程設計研究院，天津 300051）

1 引言

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

表1 地埋式結構對照參數

2 地埋式污水廠特點

由于地埋式建筑物本身的特點導致了運行人員不可能經常到現場操作控制電氣設備，因此要求地下設備的運轉必須采用自動控制運行。為此地埋式建筑物內的所有電氣設備均采用PLC控制，并實現遠程控制。

在廢水處理過程中，有機物經大量微生物的共同作用，最終轉化為甲烷、二氧化碳、硫化氫和氨氣等，根據可燃氣體特性（如表2所示）、有毒氣體特性（如表3所示）可知，甲烷、硫化氫的火災類別均為甲級。由于該廠的格柵間、調節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生甲烷等易燃物質，根據<爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范>GB50058-92的要求，此區域應劃分為環境危險區域1區，即該區域應按爆炸性氣體環境進行電氣自控設計。

表2 可燃氣體特性

表3 毒氣體特性

3 防爆區的電氣設計

防爆區電氣設計主要包括：電氣設備選型、安裝、電纜敷設、接地及等電位等設計。在爆炸性氣體環境中，電力設計應符合的基本規定是：宜將正常運行時發生火花的電氣設備，布置在爆炸性危險性較小的或者沒有爆炸性危險的環境內。因此設計在考慮防爆區的電氣設計時，將廠區配電室、中央控制室設置在位于非防爆區內的膜池及綜合車間構筑物二層，并將防爆區內的用電設備如：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的MCC柜內，現場僅采用隔爆型按鈕箱。對于防爆區內設備配套的格柵電控柜，設計將其安裝于毗鄰非防爆區的膜池綜合車間內，避免了在爆炸性環境下放置電氣控制柜。

格柵及調節池為封閉式建筑物。依據規范，對該封閉式單體設置獨立的機械通風系統和地下維護檢修通道。依據計算，設計通風次數為30次/小時，風壓為95Pa，其空氣流量能使易燃物質很快稀釋到爆炸下限值的25%以下，從而達到通風良好的效果。另外，將軸流風機的控制通過PLC與氣體檢測報警儀聯動，以達到實現自動控制排風的要求。

電力電纜的設計中，防爆區的電纜均采用阻燃電纜，電纜線芯為銅芯。且防爆區電纜和非防爆區電纜均分層或分橋架敷設。防爆區內的動力電纜、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。電纜線路的敷設過程中，電纜一般穿鋼管敷設，在危險區域敷設的電纜嚴禁有中間接頭。當施工不可避免時候，應安裝隔爆型的接線盒或者接線箱。

防爆區中出現甲烷的概率較大，且甲烷比空氣輕。電氣線路敷設應遠離爆炸性氣體的釋放源，故將電氣線路敷設在電纜溝中。為防止電纜溝內積水，應在電纜溝底做0.5%的縱坡，將溝內積水就近排放。電纜溝應在電纜敷設完成后填充石英砂，且電纜溝在穿越不同危險區域的時候，采用不燃性材料嚴密包封，如圖1所示。

圖1 電纜溝進入危險場所穿墻密封結構示意圖

因防爆區內各單體均為地埋式構筑物，其接地系統應利用池壁及底板內的鋼筋網作為接地體，利用側壁內2根不小于集合16的鋼筋作為自然引下線，池壁及底板內鋼筋與鋼筋之間可靠焊接，形成一個整體的網狀電氣通路，電氣接地、自控接地共用一組接地系統，接地電阻不大于1.0歐姆。構筑物內PE干線、電氣裝置接地極的接地干線、電氣設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件做總等電位聯結。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，接地點設置在非危險區域，如圖2所示。

圖2 屏蔽電纜屏蔽層多點接地示意圖

4 防爆區的自控設計

防爆區的自控設計主要包括現場儀表選型、安裝及纜線敷設。根據工藝要求，格柵間、調節池及生化池主要配置的儀表為現場檢測儀表和在線分析儀表，具體配置如表4所示。

表4 現場檢測儀表配置

以上所列儀表均位于防爆區，其選型應滿足GB3836.1 83《爆炸性環境用防爆電氣設備通用要求》和GB3836.2 83《爆炸性環境用防爆電氣設備隔爆型電氣設備“d”》國家通用的爆炸性氣體環境用電氣設備技術要求的防爆型產品。其中現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 防爆區電氣系統示意圖

如圖3所示，至防爆區的電氣系統是由現場設備、連接電纜及關聯設備組成。該電氣系統應具有高度的安全可靠性。上面已對現場設備進行了介紹，下面就連接電纜和關聯設備具體說明。

5 連接電纜

用于連接現場設備和關聯設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構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聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電力電纜；控制電纜選用阻燃型銅芯聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅網編織屏蔽電纜；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套銅絲編織總屏電子計算機電纜。另外，在電纜敷設中值得注意的問題是：至防爆區的纜線與非防爆區的纜線應分層或分線槽敷設。

6 關聯設備（安全柵）

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

為確保運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筑物的通風機聯動并將報警信號發送至中央控制室。

氣體探頭的安裝位置應根據氣體比重及場地情況確定。根據表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、設備之間留有1米的凈空和出入通道。

表5 氣體比重表

7 結論

隨著城市化進程的快速發展，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臭氣，若將其設置在居民區，不但影響市容市貌，而且給周邊居民帶來極大困擾，因此建設地埋式污水處理廠已成為一種發展趨勢。若要保證地埋式污水廠安全可靠的運行，特別是保證電氣設備在防爆區的安全運行，提高地埋式污水處理廠的防爆電氣自控設計水平顯得尤為關鍵。

[1]張顯力. 防爆電器概論[M]. 北京: 機械工業出版社, 2008.

[2]馬勇, 彭永瑧. 城市污水處理系統運行及過程控制[M]. 科學出版社, 2007.

[3]GB50058-92, 爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范[S].

[4]GB50493-2009, 石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范[S].