爆炸性氣體環境危險區域劃分常見問題分析

隋陽

(北京石油化工工程有限公司 西安分公司,陜西 西安 710075)

爆炸危險區域劃分是電力裝置設計的重要依據,也是人身和財產安全的重要保障。本文結合工程實例,分析在繪制爆炸危險區域劃分圖時遇到的常見問題。

1 爆炸性氣體混合物的分級

在實際工程設計過程中,繪制爆炸危險區域劃分圖的專業人員接收到危險性介質釋放源條件后,會根據GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》中附錄C[1],確定可燃性氣體的分級、分組,再根據混合氣體中最高等級的級別、組別來確定電力設備的最低要求,但該做法是不規范且不全面的。在石油化工裝置中,爆炸危險區域內的設備應按危險區域劃分進行選型,故需判定爆炸危險環境氣體或蒸汽混合物分類,指導設備選型[2]。對可燃性爆炸危險介質混合物的分級,一般可用勒夏特列關系式確定該類介質混合物的最大實驗安全間隙(MESGmix),來評估其分級。很多情況下,按體積分數或摩爾分數計算的爆炸性氣體混合物中,高等級危險介質占比很小,經計算后的爆炸性氣體混合物的級別會降低,可進一步降低工程投資。

以筆者設計過的天然氣凈化裝置為例,分析爆炸性氣體混合物的分級問題。天然氣凈化裝置原料氣中主要的爆炸性氣體為甲烷,并同時存在乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、氫氣、硫化氫等。主要可燃性氣體為鏈烷類,分級為IIA級,但由于存在硫化氫、氫氣等分級更高的可燃性氣體,提高了爆炸性氣體混合物的分級。

利用公式計算MESGmix,危險性介質釋放源條件見表1所列。

表1 危險性介質釋放源條件

表1中各易燃物MESGi, mix值均引自GB/T 3836.11—2017《爆炸性環境 第11部分: 氣體和蒸氣物質特性分類 試驗方法和數據》[3]。其中,氮氣的體積分數小于5%,采用無限大的最大實驗安全間隙。根據GB/T 3836.11—2017混合氣體最大實驗安全間隙的計算如式(1)所示[3]:

(1)

式中:φi——第i種組分在混合氣體中的體積分數,%;MESGi, mix——第i種組分的最大實驗安全間隙,mm。

將各組分的MESGi, mix值和體積分數分別代入式(1)得出:MESGmix=1.106mm。根據GB 50058—2014中表4,混合氣體分級歸為IIA級。雖然硫化氫分級為IIB級,但由于混合氣體中硫化氫(按體積計)占比很小,經計算后爆炸性氣體混合物的級別歸為IIA級。

2 露天場所對爆炸危險區域的影響

文獻[1]要求,露天場所可定義為通風良好場所;當通風良好時,可降低爆炸危險區域等級[1]。需注意的是“可降低”并不是取消,也就是說,即便通風良好,也不能理解為可以取消爆炸危險區域[4]。由于該規范中只提出了“可降低爆炸危險區域等級”,卻并未明確說明可降低爆炸危險區域等級的具體實施辦法。讀者很容易得出,露天場所的連續級釋放源可劃分為1區區域,一級釋放源可劃分為2區區域,二級釋放源可不劃分爆炸危險區這種不全面的理解或結論。

筆者在查閱GB 3836.14—2014《爆炸性環境 第14部分 場所分類爆炸性氣體環境》后[5],對露天場所通風條件對爆炸危險區域的影響有了更全面的理解。在分析露天場所通風條件對爆炸危險區域的影響時,即便是通風的有效性是“良好”,還需考慮通風等級的影響。結合文獻[5]中獨立通風對區域類型的影響的規定,才能最終確定能否降低釋放源可劃分區域等級。

在文獻[5]中對自然通風的要求是: 對戶外場所,一般情況下,判斷通風條件應以假設最小風速0.5 m/s為基礎,且連續地存在。該種情況下,通風的有效性應被看作是“良好”。在戶外場所,除非假設體積非常小或有有效的限制空氣流動的措施,應被視為中級通風(VM)。在確定通風等級時,也可以根據文獻[5]中公式計算通風等級。

以筆者設計的某天然氣凈化裝置為例,釋放源主要為法蘭及閥門處,某天然氣凈化裝置的戶外場所甲烷氣體的釋放特性及通風特性見表2所列,表2中分析的可燃性物質為甲烷氣體。

表2 某天然氣凈化裝置的戶外場所甲烷氣體的釋放特性及通風特性

文獻[5]中新鮮空氣最小體積流速計算如下所示:

(2)

式中: (dV/dt)min——新鮮空氣的最小體積流速,m3/s;(dm/dt)max——釋放源的最大釋放速率,kg/s;LELm——爆炸下限,kg/m3;k——適用于爆炸下限的安全系數;T——環境溫度,K。

(3)

式中:VZ——假設體積,m3;f——允許阻止空氣流動的參數,即通風效率系數;C——單位時間內新鮮空氣置換(充入)的次數,s-1;

(4)

式中:t——持續時間,s;LELV——爆炸下限,%;φ0——用與LEL相同的單位所測量的可燃性物質的初始體積分數,%。

將表2數據代入式(2),式(3):

露天場所假設容積V0在戶外中的合理值為3.4×103m3[5],VZ小于V0,則

綜上,通風等級考慮被視為中級(VM)。

根據文獻[5]中表B.1得出最終結論: 在露天場所通風等級“中級”,通風有效性“良好”情況下,釋放等級為連續,區域分類為0區;釋放等級為1級,區域分類為1區;釋放等級為2級,區域分類為2區;爆炸危險區域等級并沒有在露天場所條件下降低,并且只有當通風等級為高級(VH)時,才可降低爆炸危險區域等級。

3 確定爆炸危險區域

在確定爆炸危險區域的具體范圍時,需要按照釋放源的等級和位置、可燃物質的特性、通風條件、障礙物及生產條件、運行經驗確定,在劃分危險區域時需要考慮比較多的影響因素[6]。

天然氣凈化裝置經常會用到燃氣導熱油鍋爐,其周圍爆炸危險區域的劃分爭議頗多。結合筆者繪制爆炸危險區域劃分圖的經驗,以該鍋爐為例,通過新的分析思路,劃分其周圍的爆炸危險區域,劃分方式如下:

1)分析該鍋爐附近是否為非爆炸危險區。根據文獻[1]中的要求,在生產過程中使用明火的設備附近,或熾熱部件的表面溫度超過區域內可燃物質引燃溫度的設備附近,可劃為非爆炸危險區域,所以需要進一步分析該鍋爐是否為使用明火設備。根據GB 50160—2008(2018版)《石油化工企業設計防火規范》規定,明火設備是指燃燒室與大氣連通,非正常情況下有火焰外露的加熱設備和廢氣焚燒設備[7]。然而該鍋爐爐體封閉,留有不可開啟式觀火窗口,火焰在正常情況下及非正常情況下均不外露。因此,該鍋爐雖然爐體內部有火焰,卻為非明火設備。根據SY/T 0524—2016《導熱油加熱爐系統規范》要求,加熱爐爐墻、煙風道、輔助設備、管道及閥門應具有良好的密封和保溫性能。當周圍環境溫度為25 ℃時,距門(孔)300 mm以外的爐體外表面溫度不得超過50 ℃[8]。而甲烷的引燃溫度為537 ℃,其可燃性爆炸危險介質混合物的引燃溫度分組最高為T3組別,遠高于爐體外表面溫度。綜上,該鍋爐附近不能劃分為非爆炸危險區。

2)分析該鍋爐是否為釋放源。該鍋爐有可能為釋放源的有4個部位,分別為鍋爐本體,燃燒器,天然氣進氣管道入口處的法蘭、閥門、積液器排放口,天然氣進氣管道入口處的工藝程序控制閥。根據上文對于鍋爐本體的分析,該鍋爐爐體封閉,輸送至爐體內部的天然氣與空氣經點火器點火燃燒,甲烷氣體無法擴散到爐體外部。因此鍋爐本體為非釋放源;對于燃燒器,根據工藝聯鎖,鼓風機啟動后,才允許天然氣進入燃燒器,由于鼓風機持續將空氣送入,燃燒器內為負壓,天然氣無法擴散至燃燒器外部,因此燃燒器為非釋放源;根據文獻[1]中規定,天然氣進氣管道入口處的法蘭、閥門、積液器排放口,天然氣進氣管道入口處的工藝程序控制閥,為二級釋放源。

3)確定該鍋爐周圍的爆炸危險區域。根據SY/T 6671—2017《石油設施電氣設備場所I級0區、1區和2區的分類》規定,充分通風的非封閉場所內的螺紋連接、法蘭、隔斷閥和止回閥周圍的區域,不需要進行劃分[9]。根據GB 50058—2014中附錄B規定: 位于通風良好而未封閉的區域內的截斷閥和止回閥周圍的區域可不分類。因此,對于天然氣進氣管道上的法蘭、隔斷閥、止回閥周圍的區域不劃為爆炸危險區域;對于天然氣進氣管道入口處的積液器排放口,正常工作情況下為關閉狀態,按隔斷閥考慮。極少數處于開啟狀態時,該鍋爐同時處于未工作狀態,積液器內只存有少量可燃性氣體,可燃物質可能出現的最高濃度不會超過爆炸下限值的10%。同時,應有專業人員書寫操作指導書,采取措施確保積液器排放口開啟時,不形成爆炸危險性環境。在此基礎上天然氣進氣管道入口處的積液器排放口可不劃為爆炸危險區域;根據GB 50058—2014中規定: 位于通風良好的而未封閉的區域內的工藝程序控制閥周圍的區域,在閥桿密封或類似密封周圍0.5 m的范圍內可劃為2區。

綜上所述,該鍋爐需要劃分爆炸危險區域為天然氣進氣管道的工藝程序控制閥閥桿密封周圍0.5 m的范圍內為2區。

4 繪制爆炸危險區域劃分圖

GB 50058—2014中總則部分規定,爆炸危險區域的劃分應由負責生產、設備和工藝的專業人員以及安全、電氣專業的工程技術人員共同商議完成。GB 3836.14—2014的總則規定,場所分類應由懂得可燃性物料性能、熟悉設備和工藝性能的專業人員進行,還應與懂得安全、電氣、機械及其他有資質的工程技術人員商議。

在現實工程設計中,筆者所在設計公司以及了解到的其他設計公司中,多數公司由電氣專業相關人員繪制,部分公司由安全專業相關人員繪制。工藝、設備及相關專業負責提供危險性介質釋放源條件,由于專業的局限性,電氣及安全專業對項目工藝流程及設備運行特點很難全面理解,對可能釋放可燃性氣體或蒸汽的部位或地點也無法定位準確,最終造成爆炸危險區域劃分存在不準確的風險。以第3章為例,如不仔細分析工藝特點及流程,很容易將燃氣導熱油鍋爐作為明火設備,將該鍋爐周圍劃為非爆炸危險區域;或者將該鍋爐作為整體設備,鍋爐周圍全部劃為爆炸危險區域。

筆者認為爆炸危險區域劃分圖應嚴格遵循GB 50058—2014的規定,應由負責生產加工介質性能、設備和工藝性能的專業人員繪制,并且在繪制完成初版后,由項目(設計)經理組織電氣、安全等有關專業,共同商議、研究決定終版圖紙,并由負責生產、設備和工藝的專業人員繪制終版的爆炸危險區域劃分圖及發表,電氣、安全等有關專業應在終版的爆炸危險區域劃分圖上進行會簽。

5 結束語

對于GB 50058—2014的理解和使用,不能流于形式,停于表面,只有深入分析爆炸危險區域劃分原理,并結合現行相關標準的規定,才能在工程設計中準確地繪制爆炸危險區域劃分圖。