爆炸試驗槽系統(tǒng)的防火防爆安全設計

殷 杰

（上海上發(fā)院發(fā)電成套設備工程有限公司，上海 200240）

1 引言

爆炸試驗槽系統(tǒng)主要用于對危化場所使用的隔爆型防爆電氣產(chǎn)品進行最為重要的爆炸試驗，主要由試驗槽本體、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分組成。其主要工作原理是：在試驗槽本體內(nèi)放入試驗樣品，在樣品中充入規(guī)定的試驗氣體（甲烷、氫氣）并點燃，測量其爆炸壓力并保證試驗樣品內(nèi)部發(fā)生的爆炸不擴散到試驗槽本體外。其在防火防爆設計和運行中涉及到多項安全風險，文中針對爆炸試驗槽系統(tǒng)的防火防爆設計及安全管理方面的問題進行介紹和分析。

圖1 防爆試驗槽系統(tǒng)實物圖

圖2 防爆試驗槽系統(tǒng)主要構件

2 安全方案綜述

廠房總體布局應滿足GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》等相關要求；試驗槽本體強度應滿足爆炸試驗的要求；電氣控制系統(tǒng)應滿足GB 50257-2014《電氣裝置安裝工程爆炸和火災危險環(huán)境電氣裝置施工及驗收規(guī)范》等相關要求；防爆試驗槽系統(tǒng)運行維護應滿足安全管理的要求。

現(xiàn)有單層丁類綜合試驗廠房建筑面積為1200m2，嚴格控制爆炸試驗槽系統(tǒng)占地面積不大于該廠房防火分區(qū)建筑面積的5%，以便不提高現(xiàn)有廠房的危險類別。

3 試驗槽本體

3.1 試驗槽承壓能力設計

考慮到受力性能，將試驗槽本體采用臥式圓筒形結構。試驗槽本體的承壓能力取決于可燃性氣體混合物爆炸時產(chǎn)生的最大爆炸壓力，理論上爆炸壓力可以通過以下熱力學能公式計算。

表1 幾種可燃性氣體混合物的最大爆炸壓力及最大壓力體積分數(shù)

爆炸壓力也可以通過試驗直接測定，幾種常見可燃性氣體混合物的最大爆炸壓力參考值及最大壓力體積分數(shù)見表1。為了保證試驗安全和設備的長期使用，試驗槽承壓能力取安全系數(shù)為4[3]，因此試驗槽本體按4 MPa承壓能力設計，屬于固定式中壓力容器。

通過比較螺栓緊固結構和快開結構兩種罐蓋可以發(fā)現(xiàn)：螺栓緊固型罐蓋開關速度慢，螺紋磨損銹蝕情況等難以度量，存在安全隱患，因此選用槽體與帶齒罐蓋通過帶齒卡箍連接的快開結構。罐蓋和槽體扣合后，旋轉(zhuǎn)卡箍對準相互的齒，同時壓緊橡膠密封圈。卡箍的旋轉(zhuǎn)采用液壓油缸驅(qū)動。

3.2 強度校核

需要對試驗槽本體進行強度校核。橫向中卡箍和罐蓋的齒部分最為薄弱，因此卡箍和罐蓋的設計應以罐蓋齒的剪切強度為準[4]。縱向不考慮罐蓋作用力。強度校核如表2所示。

表2 強度校核

3.3 附件設計

為了減輕壓力重疊對設備的影響，延長試驗槽使用壽命，在槽體頂部設置一套爆破片安全裝置，采用設計爆破壓力為2MPa的平板形爆破片，當試驗槽內(nèi)發(fā)生傳爆時破裂泄壓，起到保護試驗槽本體的作用。爆破片的選擇與安裝參照GB 567.2-2012《爆破片安全裝置 第2部分：應用、選擇與安裝》等相關要求。

4 供氣系統(tǒng)

4.1 氣瓶間防火防爆設計

供氣系統(tǒng)需要放置甲烷1集裝格（16瓶），氫氣1集裝格（16瓶），如果按照物質(zhì)分類則建筑防火等級應為甲類。由于氣瓶直接連接到供氣管路使用（非儲存），因此不作為單獨的甲類倉庫設計。將氣瓶間沿廠房外墻狹長布置，可以增加側墻的泄爆面積，增大泄爆面積，基于以上經(jīng)驗，在廠房外東北角北側設置長、寬、高分別為5m、3m、2m的臨時板房作為氣瓶間(經(jīng)核算長徑比小于3，符合要求)，采用耐火等級不小于4.00h的防火墻與廠房主體隔離。氣瓶間的屋頂和西、北、東四個面設置為泄爆面，其中屋頂材料的單位面積重量小于60kg/m2。氣瓶間北側墻面設置甲級防火卷簾，供人員和氣瓶進出。

氣瓶間的泄爆面積S=5×3+5×2+3×2+3×2=37m2

最小泄壓面積[5]A=10CV2/3=10×0.25×302/3=10×0.25×9.66=24.15m2

注：V為廠房的容積，C為泄壓比（此處取0.25）。

氣瓶間的泄爆面積S＞最小泄壓面積A，因此滿足要求。

氣瓶間內(nèi)東西兩側各設置1臺防爆通風機，每臺風機排風量400m3/h，使得氣瓶間內(nèi)的換氣次數(shù)大于12次/h。

供氣系統(tǒng)的氣瓶間內(nèi)在正常運行時不經(jīng)常或短期存在爆炸性混合氣體，因此設計為氣體防爆2區(qū)，氣瓶間內(nèi)的電氣設備如防爆照明燈、開關、接線盒、可燃氣體探測器、聲光報警器均選用ⅡCT1級以上的電氣防爆設備（氫氣ⅡCT1，甲烷ⅡAT1），設備安裝應符合GB 50257-2014等相關要求。其中可燃氣體探測器設置在氣瓶間中部和頂部易形成和積聚爆炸性氣體混合物的位置，并設置當氣體濃度接近爆炸下限值的20%時，能自動報警并啟動通風機，當氣體濃度接近爆炸下限值的50%時，應能可靠的發(fā)出信號或切斷電源[6]。

氣瓶間門口設置靜電釋放裝置，張貼安全警示標識，懸掛其化學品安全技術說明書（MSDS）。在氣瓶間和試驗槽廠房內(nèi)均設置可燃氣體探測器和火災警報器，火災警報器聲壓級不應小于60dB[7]，考慮到空壓機等其他噪聲的影響，選用響度不低于90dB的火災聲光報警器。

氣瓶間內(nèi)的氣體集裝格應與防靜電接地裝置可靠連接，并定期檢測接地電阻，每年至少檢測一次。不得將氣瓶內(nèi)的氣體用盡，瓶內(nèi)至少保留0.05MPa的壓力，以防空氣進入氣瓶[8]，氣瓶間內(nèi)配置2具MF/ABC4滅火器，不得用水滅火。

4.2 空壓機房

試驗槽系統(tǒng)所需的空氣由1臺自帶儲氣罐的空壓機提供，選用工作噪音小于75dB的產(chǎn)品，無需人員職守因此不考慮人員噪聲防護。在廠房內(nèi)設空壓機房放置該空壓機，內(nèi)墻面采用吸聲材料裝修，配置2具MF/ABC4滅火器。

4.3 三元配氣系統(tǒng)及管路

三元配氣系統(tǒng)是將可燃性氣體與空氣按照預定濃度進行混合的裝置。可燃性氣體由氣瓶間內(nèi)的集裝格提供，空氣由空壓機及配套管路提供，通過專用管路引入三元配氣體系統(tǒng)，管路采用25mm無縫鋼管（非壓力管道）。氣瓶端安裝減壓閥、止回閥，管道首、末端均安裝截止閥，配氣系統(tǒng)中電磁閥等電氣設備使用ⅡCT1級以上電氣防爆設備。

5 控制系統(tǒng)

5.1 控制臺

控制臺主要包括1臺win7操作系統(tǒng)計算機和三元配氣系統(tǒng)顯示儀表，采用專線連接（不連接外部開放網(wǎng)絡），嚴格控制網(wǎng)絡安全風險。試驗槽控制系統(tǒng)通過計算機安裝的組態(tài)軟件（西門子wincc）和可編程邏輯控制器（PLC）聯(lián)合控制整個系統(tǒng)運行。計算機自動保存試驗數(shù)據(jù)，生成試驗記錄，在方便試驗人員的同時避免人為參與影響試驗結果。

圖3 PLC控制框圖

圖4 系統(tǒng)組態(tài)界面圖

5.2 現(xiàn)場控制元件

現(xiàn)場控制元件包括電接點壓力表、電磁閥、流量計、急停開關、點火裝置等組成。為了保證安全，試驗槽體周圍的現(xiàn)場控制電氣儀表設備全部采用防爆型，防爆等級不低于ⅡCT1。試驗槽體內(nèi)的點火裝置采用高能量火花塞點火，保證一次點火成功。

6 日常安全管理

爆炸試驗槽系統(tǒng)的安全運行離不開日常的安全管理。首先，要落實操作人員的安全生產(chǎn)責任制，明確管理人員、操作人員、維修保養(yǎng)人員的職責，做好設備使用記錄，定期檢修保養(yǎng)等工作；其次，要進行危險源辨識和職業(yè)健康風險因素識別，建立臺賬，在氣瓶間內(nèi)張貼相應的安全標志標識，配備急救物品，在明顯區(qū)域設置疏散圖、消防安全疏散標志[9]；再次，要編寫設備操作規(guī)程和試驗作業(yè)指導書，并在現(xiàn)場張貼，對操作人員進行教育培訓，經(jīng)操作考試合格后方可上崗操作；最后，要加強外來人員安全管理和監(jiān)控，要做應急預案并定期演練，避免發(fā)生意外。總之，時刻保持安全文化、安全法制、安全科技、安全責任、安全投入這五個要素不放松，就可以保證正常的生產(chǎn)安全[10]。

7 結語

通過以上防火防爆設計，該爆炸試驗槽系統(tǒng)的各項安全性能指標均滿足設計需求和建筑防火、防爆等國家生產(chǎn)安全相關要求，為類似的特種設備和系統(tǒng)的建筑防火、防爆、安全管理等方面提供參考。