國內外PSA裝置爆炸危險區域設計要點總結

吳禮林，代茂節

(西南化工研究設計院有限公司 變壓吸附研究所，四川 成都 610000)

1 前 言

變壓吸附裝置(簡稱PSA裝置)主要以氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷等易燃易爆氣體提純為主，一旦發生泄漏，引起的燃爆事故將給化工企業的生產安全帶來嚴重威脅。本文以普通電氣設計人員的視角，梳理總結國內外PSA裝置爆炸危險區域在劃分各專業職責和設計過程中的常見問題。

2 明確各專業在場所分類中的職責

相信從事電氣設計的同仁，在進行爆炸危險區域劃分時，往往困惑于某些規范條款不確定的概念，同時受限于不同專業知識的壁壘，在實際工程設計中，盲目隨意的采取保守的方法進行危險區域的范圍劃分，進而增加了工程項目的投資成本。依據GB 3836.14—2014《爆炸性環境 第14部分:場所分類 爆炸性氣體環境》相關條款，場所分類應由懂得可燃性物料性能的相關性和重要性、熟悉設備和工藝性能的專業人員進行，并應與懂安全、電氣、機械的工程技術人員商議，所以說爆炸危險區域劃分是一個團隊協作的過程，需要各專業人員間的充分溝通與協調。電氣專業在危險區域劃分中屬于下游專業，需要根據其他專業所提條件嚴格按照規范要求劃分爆炸危險區域的級別和范圍大小，同時又需要繪制爆炸危險區域劃分圖并將其作為基礎條件提供給所有其他專業，責任重大，務必謹慎；當對條件存有疑問時，應及時與上游專業溝通，督促對方完善條件，避免因上游專業的原因造成電氣專業遺漏應劃分的爆炸危險區域致使各專業的設計存在隱患，并注意提醒上游專業能否采取進一步的防護措施進而從源頭上減輕爆炸危險。通常情況下，各專業的職責如下。

工藝專業：提供爆炸危險區域劃分圖設計條件，包括易燃性物質特性表、危險場所劃分調查表、設備平(立)面布置圖；接收爆炸危險區域劃分圖并會簽。

電氣專業：負責繪制爆炸危險區域劃分圖，并作為設計條件提供給各專業。

安全、自控、暖通、給排水等專業：接收電氣專業爆炸危險區域劃分圖并會簽。

3 對規范中不確定概念的理解

3.1 GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》對危險范圍劃分缺乏指導性

GB 50058—2014[1]標準中對于確定爆炸危險區域范圍僅給出了原則性規定，對于列舉的大多數影響區域范圍的因素，規范并沒有說明該如何考慮其影響，不好操作，在實際應用時也沒有得到很好的執行，大多數設計人員都是套用典型示例。如真空泵管道實際運行時壓力很小，甚至為負壓，此時，當其中存在重于空氣的易燃物質時，我們應該怎么確定范圍？設計人員往往會以典型示例作為參考，忽視易燃物質濃度、壓力等因素，直接套用示例按15 m劃分。參考IEC 60079—2020，規范根據釋放速率、通風條件、釋放孔徑、相對密度等因素，結合計算公式和范圍圖表，給出了大致范圍，如采用此方法，劃分范圍會小很多。

希望GB 50058—2014標準修訂時，在進行充分試驗論證的同時，借鑒國外相關做法，增加具有指導性、可操作性的危險區域范圍劃分方法。

3.2 混合氣體中可燃物質濃度很低時，是否需要劃為爆炸危險區域？

GB 50058—2014中第3.2.2條表明“可燃物質可能出現的最高濃度不超過爆炸下限值的10%時，可劃為非爆炸危險區域”，這點是明確的，但當可燃氣體可能出現的濃度正好在爆炸下限之下，而又大于爆炸下限的10%時，規范上并沒有明確表明如何確定是否為爆炸危險區域，只提到區域范圍的定義，即“從釋放源到氣體/空氣混合物被空氣稀釋到低于爆炸下限的空間范圍，同時考慮爆炸下限適當的安全系數”，而適當的安全系數怎么取，取值范圍是多少則沒有明確的規定。所以，在實際設計時，設計人員往往按最保守的方法，把此類氣體看作釋放源進行劃分，范圍大小則按相對密度來取值。顯然，對于大多數項目來說，這種劃分方法的合理性值得商榷。

值得關注的是，此類濃度的氣體在釋放過程中會形成超過爆炸下限的濃度嗎？在具備條件時，可以建模進行計算機仿真，但對于大多數工程應用，只能加深對國內外規范的理解再結合實際經驗綜合考慮，比如對于重于空氣的氣體丙烷，從擴散到下沉過程中，釋放時可能會出現三種情況，一是氣體在高速無阻礙的射流釋放或風速大于3 m/s并形成湍流時的釋放，此時，會提高氣體濃度稀釋速率，不會形成爆炸危險環境；二是氣體低速擴散射流釋放(通常稱為亞音速釋放)，會隨著釋放時間向地面輻射式擴散，會出現氣體分層下沉并形成云團的現象，此時某一云團的濃度可能超過爆炸下限；三是通風不良時氣體沿地面擴散，在地勢低洼處可能會形成爆炸危險環境。再如，對于氫氣等輕于空氣的氣體，通常情況下只需要將氫氣可能聚集的地方進行爆炸危險說明即可。因此，針對以上各類情形，我們應結合通風條件、壓力大小、相對密度等因素，并根據項目實際情況，決定是否需要進行爆炸危險區域劃分，并說明某局部是否存在爆炸性環境。針對類似不確定性的問題，希望相關領域專業人員在理論和實踐上進行積極探索，研究建立爆炸火災危險環境區域劃分的典型示例數據庫，或開發區域劃分的專用軟件，為設計單位、企業進行爆炸危險環境區域劃分時提供方便。

3.3 爆炸危險區域劃分圖紙的設計深度有何要求？

在進行危險區域范圍劃分時，相關畫法一般參考GB 50058—2014附錄A.0.1圖示，設計深度按SHSG-053—2011 石油化工裝置詳細工程設計內容規定來執行。在GB 50058—2014附錄A.0.1示例圖中，并未示出潛在釋放源管道閥門、法蘭、取樣口的位置，在實際劃分中，是否可以忽略此類釋放源呢？這是很多電氣設計人員的困惑之處，以筆者之見，完全給出此類釋放源的位置來完成劃分操作較為繁瑣，實際意義有限，但我們可以示出界區邊緣壓力較高的管道閥門、取樣口或經評估在故障時大概率造成泄漏的閥門(如原料氣或產品氣進出界區閥門)為釋放源，合理的完善危險區域范圍的劃分，避免在靠近PSA裝置進行檢修作業時因劃分范圍考慮不全引起爆燃事故。

4 國外項目危險區域劃分設計總結

今年陸續完成了多個韓國項目的電氣設計，其中，涉及到防爆標準、危險區域范圍的確定等一系列問題，下面以筆者個人淺薄的理解對以上問題及解決辦法進行梳理與總結，可供今后國外類似項目危險區域劃分時借鑒與參考。

4.1 防爆標準

國外項目設計標準可根據甲方要求在技術協議中明確，以韓國項目為例，主要依據國際電工委員會IEC 60079系列標準，根據裝置性質及應用場合，也可采用美國石油學會標準API RP 505—2013《1類、0區、1區和2區石油設施電氣設備位置分類的推薦實施規程》[3]和美國消防協會標準NFPA 497—2017《易燃液體、氣體或蒸氣的分類和化工生產區電氣裝置設計》[4]。

4.2 危險區域范圍的劃分

按IEC 60079-10-1—2020[2]標準進行危險區域范圍劃分時范圍如何確定，規范給出了一個可參考的距離圖表，如圖1所示。

圖1 危險區域范圍估算表

此方法是IEC估算危險范圍的推薦方法，使用時應符合規范所描述的應用場合，如下所述。

1.圖1可作為確定各種釋放形式的危險區域范圍的指南，曲線不適用于室內中、低稀釋情況。

2.圖1中的曲線是根據不同“通風速度”的計算流體動力學模擬(CFD)得出的，圖表中的距離是按最不利的情況考慮的。

3.該圖表代表了一些大規模情況的粗略近似值，但在小規模水平上相對不可靠。即使危險距離可能小于1 m或高于圖1所示的距離，也不應進行超出圖中所示圖表區域的曲線外推，因為其他因素會影響評估，超出所示的限度。

4.應根據釋放的類型選擇合適的曲線：1)高速無阻礙噴射式釋放裝置；2)低速擴散射流釋放，或由于釋放的幾何形狀或射流對附近表面的撞擊而失去動量的射流；3)沿水平表面(如地面)擴散的重于空氣的氣體。

其中“噴射”曲線的使用應該謹慎，大多數工程采用“擴散”曲線表示。

Qc的取值關系到最終范圍的大小，從圖表中我們可以看出，其主要影響因子為氣體釋放速率Wg(kg/s)和氣體密度ρg。

由于氣體從裂口泄漏的速度與其流動狀態有關。因此，計算泄漏量時首先要判斷泄漏時氣體流動屬于音速流動還是亞音速流動。

當式(1)成立時，氣體流動屬于音速流動。

(1)

其氣體釋放速率如式(2)。

(2)

當式(3)成立時，氣體流動屬于亞音速流動。

(3)

其氣體釋放速率如式(4)。

(4)

式中，p為容器內介質壓力，Pa；pa為環境壓力，Pa；γ為絕熱膨脹的多變系數；Cd為流量系數，是釋放孔的特征，考慮了湍流和粘度的影響，對于尖銳孔通常為0.50～0.75，對于圓形孔通常為0.95～0.99；S為截孔的面積；M為氣體或蒸氣的摩爾質量，kg/kmol；Z為壓縮系數(無量綱)，一般取1；R為通用氣體常數，8314.5 J/(kmol·K)；T為流體、氣體或液體的溫度，K，一般取293K。

最終計算的結果往往要小于相應典型圖例標示的危險區域范圍，因此，在應用此方法計算時應盡量謹慎。

如果使用國家標準中給出的示例圖確定危險區域范圍，可參考API RP 505第9.2節的相關做法，該做法是在調查和分析大量石油煉制工業的實踐基礎上，采用了可利用的實驗數據，并仔細衡量了諸如潛在釋放源的數量、釋放速度和可能的釋放量等相關因素后確定的，是針對煉廠的氣體或蒸氣，通常在高溫、高壓下連續運行的工況。在異常情況下，這些物料的組成和性質可能發生劇烈變化，危險程度高，因此相對保守，GB 50058—2014中的部分常用圖例就是摘自此處。盡管這些推薦做法主要適用于煉廠場所，但是，一般認為現代化的煉油廠還包括與煉制作業相關的傳統之外的設施。在加工程序上，石化和化工設施同煉油設備通常是相關聯的。本章的推薦作法可以應用于這些在實質關系或工藝相似性范圍中的附加設施。通常，PSA裝置應用于煉廠時，優先采用此推薦做法，應用在其他場合時，可參考附錄D.5和D.6，其中包括含有重于空氣和輕于空氣的泵、壓縮機、閥門法蘭的劃分半徑推薦范圍。

5 結 語

以上是筆者近年來對國內外PSA裝置爆炸性氣體環境電氣防爆設計的一些體會和總結，本著拋磚引玉的宗旨，目的是想進一步完善PSA裝置爆炸危險區域劃分的要素，做到既不漏劃，也不隨意擴大危險區的范圍和級別，以合理的投資，取得最大限度的安全保障。