浅谈国内外爆炸危险环境的电气设计

欋欋氠欋欋氠欋欋欋欋欋氠防爆技术应用浅谈国内外爆炸危险环境的电气设计李向光，付薇，李宝云中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘062550关键词爆炸危险分区防爆电气设备选用原则摘要介绍了爆炸危险环境电气设计常用的相关规范和标准以及国内外爆炸危险区域划分的区别，对爆炸危险环境中电气设计的场所划分、设备选型问题进行了讨论。中图分类号TU85文献标识码A文章编号10049118201404002604ANALYSISONEXPLOSIONHAZARDENVIRONMENTELECTRICALDESIGNLIXIANGGUANG，FUWEI，LIBAOYUNCHINAPETROLEUMENGINEERINGHUABEICOMPANY，ENQIUHEBEI062550KEYWORDSEXPLOSIONHAZARDAREACLASSIFICATIONEXPLOSIONPROTECTEDELECTRICALEQUIPMENTSELECTIONPRINCIPLEABSTRACTITINTRODUCESTHECOMMONLYUSEDEXPLOSIONHAZARDENVIRONMENTELECTRICALDESIGNREGULATIONSANDSTANDARDSANDAREACLASSIFICATIONDIFFERENCEBETWEENDOMESTICANDABROAD，THERELEVANTKNOWLEDGEOFEXPLOSIONPROOFEQUIPMENTSELECTION0前言随着石化企业的蓬勃发展，如何避免爆炸和火灾事故变得越来越重要。爆炸危险环境电气设备的火花常常是引起爆炸事故的主要原因之一，因此，需要依据相关规范，选用经济合理的防爆设备，科学地进行防爆设计，以限制爆炸条件的形成和减轻爆炸危险程度1。1爆炸危险分区11相关国家标准要求有很多国标对爆炸危险分区有规定，如GB3836142000爆炸性环境第14部分危险场所划分、GB503502005油气集输设计规范第1159、GB502532003输油管道工程设计规范第6712、GB502512003输气管道工程设计规范第916、GB500742002石油库设计规范第1417、GB501562012汽车加油加气站设计与施工规范第1117、GB203682012液化天然气LNG生产、储存和装运标准第1061、GB500582014爆炸危险环境电力装置设计规范第102，这些标准分别规定了各自的适用范围2。需要指出的是各规范关于爆炸危险区域划分基本都参照国标GB383614、GB500583、SY002595，而SY002595已作废，并被SY/T66712006石油设施电气设备安装区域一级、0区、1区和2区区域划分推荐做法所替代。收稿日期20141104作者简介李向光，男，1988年生，毕业于辽宁石油化工大学电气工程及自动化专业，工程师。12国内外规范对比目前，美国和加拿大采用NEC标准4，英国确定危险区半径1和2，1是危险区半径，2是相对地面影响的危险区半径4。采用IP15标准5，中国和欧洲国家采用国际电1确定POCC值，即出现概率，人员暴露在至工委员会IEC标准IEC60079106。采用英标IP15标准对油田地面设施进行危险区域划分的实质是对可燃性物质出现频率及可燃性物质达到引燃浓度存在概率的概率分析和判断过程，是基于定量的分析。考虑设备的操作压力、操作人员暴露的频率、释放源平均个数和点燃概率等因数，综合确定可燃物质释放等级、频率及相关设备的释放孔径，进而确立危险区域半径。采用美标API505及API500在危险区域划分过程中属于定性的分析，针对不同场所及设施进行分类，在应用的过程中，可以根据具体的项目情况从标准中找出对应的推荐图例，使用过程较为方便。最终完成的爆炸危险区域划分图上应包含有相关标准里的典型推荐图例。同样可以根据具体的项目情况从GB383614或IEC6007910标准中找出对应的推荐图例，但其按各级释放源及通风状况来将危险区等级划分为0区、1区、2区。而美国国家电气规范NEC标准没有0区，所以在下表中，级1区相当于IEC等国家的0区和1区。IEC6007910与NEC两套规范中对于爆炸性气体危险区域的划分的对应关系见表1。表1IEC与NEC爆炸性气体危险区域的划分的对应关系IEC0区ZONE01区ZONE12区ZONE2NEC级1区CLASSDIVISION1级1区CLASSDIVISION113对比实例下面以输送原油或伴生气的泵为例，泵的安装高度为06M，介质操作压力为5MPA，进行对比。危险源识别泵的释放源一般来自泵体的密封以及与之相连接的部分，通常包括密封处、通风口、排放系统阀门、管线连接法兰和过滤器释放等级和流体类型上述的释放源通常看作是二级释放源，因为类似于法兰损坏、过滤器打开及操作阀门和排放系统的情况通常是不经常发生的。爆炸危险区域划分IP15标准在确定危险区半径时，先要计算以下相关参数确定LEVEL等级值。根据不同LEVEL等级，确定适当的释放源孔径尺寸，进而查表少一个潜在释放源的概率，以每年365天24小时8760小时为基数，每人每年总工作小时最大值为48周40小时1920小时，则POCC最大值为1920/8760022。2确定NRANGE值，即二级释放源个数平均值。一般油气处理区域属于多种释放源区域，法兰、阀门、放空口和排放口等位置都有可能成为释放源。多种释放源区域NRANGE假设取30。3确定EXP值，即暴露概率，EXPPOCCNRANGE4确定PIGN值，即点燃概率平均值。一般2类危险区中的电仪设备属于可控点火源，假设PIGN取0003。5确定释放频率等级，即每个释放源每年的释放频率。根据计算出的EXP值和PIGN值在ANNEXC中C2图中查得，地面油气生产设施计算得出的释放频率等级为LEVEL。其中LEVEL大于10102/每个释放源每年LEVEL1010210103/每个释放源每年LEVEL1010310104/每个释放源每年。6确定释放孔径IP标准针对不同释放等级的密封类型有不同的推荐释放孔径，释放孔径的大小直接影响危险区范围的大小。对于LEVEL释放频率等级，通常泵类释放孔径取2MM，压缩机取1MM，法兰取06MM，阀门取01MM，其他设备孔径可以参考以往经验数据或者借助故障树分析等技术手段确定。7确定危险区半径，在完成上述计算得出释放孔径后，可以根据不同的操作压力可得15M，255M。爆炸危险区域如图1所示图1爆炸危险区域基于API505标准的推荐做法如图2所示。图2API505标准的推荐做法可以看出，采用IP15规范确立的危险区域范围要比采用API505规范确立的危险区域范围小。针对不同的项目，我们要选择合适的规范，合理地进行爆炸危险分区。2爆炸危险分区存在问题由于我国汽车CNG、LNG加气站的场区较小，甚至很多都是加油站改造的，这样就不可避免地造成有些设备、管线、阀门等离围墙很近，若按照GB501562012进行爆炸危险区域划分，就会将爆炸危险区域划到围墙外。在某项目审查过程中，将此种情况评定为第2类错误。但根据加气站的现状，由于场地有限，扩大场区面积，调整设备、阀门等的布置都无法完成。相关规范对于这种情况没有说明，笔者认为，此种情况应将爆炸危险区域划到围墙以内。CNG、LNG较空气轻，又有围墙遮挡，围墙外可定义为非爆炸危险区域。考虑到节能减排，节省投资等因素，未来更多的项目会涉及爆炸危险区域在建筑红线外的情况，工程师需要根据以往的工作经验，对具体情况进行分析，保证合理地划分危险区域。3防爆电气设备选型31防爆设备分类类煤矿井下用电气设备类工厂用电气设备III类燃爆性粉尘、纤维环境用电气设备7。32防爆类型本质安全型IA、IB浇封型MA、MB隔爆型D增安型E正压型P充油型O充砂型Q无火花型N特殊型S。适用于0区的有IA、MA等适用于1区的有IA、MA、D、E、IB、MB、O、Q等适用于2区的有IA、MA、D、E、IB、MB、O、Q、N、P等由此可见，用于0区的电气设备可用于1区和2区，用于0区、1区的电气设备可用于2区。最常用的防爆型式是“D”、“I”8。33气体等级国标等同采用IEC6007910，对于类爆炸性物质矿井甲烷不分级，对于类爆炸性物质按其不同的点燃特性进行分级，按其最大实验安全间隙和最小点燃电流比分为A、B、C三个级别，其中C级别的气体最易被火花点燃。而NEC500将爆炸性气体分为A、B、C、D四个组，其中A组的气体最易被火花点燃。规范中各组的代表性可燃物质见表2。表2爆炸性气体级别对比IEC/国标NEC可燃物质CA乙炔CB氢气BC乙烯AD丙烷34温度组别爆炸性气体的分组是根据各种气体的引燃温度划分的。ICE6007910/GB3836142000将爆炸性气体按其引燃温度分为T1至T6六个组别。而NEC500对组别的划分更为细致将T2组别进一步细化为T2、T2A、T2B、T2C、T2D五个组别将T3组别进一步细化为T3、T3A、T3B、T3C四个组别将T4组别进一步细化为T4、T4A两个组别T1、T5、T6组别分别与IEC6007910/GB3836142000保持一致。需要指出的是温度组别为T1的气体引燃温度最高，但却最不容易被点燃而温度组别为T6的气体引燃温度最低，但却最易被点燃。因此，当选择T6温度组别的防爆电气设备时，必能满足T1T5温度组别的要求。35防爆标志按IEC/GB3836和IEC标准制造的防爆电气设备的防爆标志的构成EX防爆等级爆炸性气体分组温度级别。例如，EXDCT4，表示此产品属C类T4温度组别的隔爆型防爆电气设备。而按NEC标准制造的防爆电气设备的防爆标志的构成爆炸性物质分类爆炸危险区爆炸性气体分级爆炸性气体分组温度组别。例如，CLASSDIVISION1GROUPSCT3A，表示此产品适用于级1区爆炸性气体环境，属C组T3A温度组别的防爆电气设备。36防爆设备选用方法及原则1根据具体项目，选用恰当的标准和规范，根据工艺流程、相关设备进行分析，确定释放源，划分爆炸危险区域。2依据所在爆炸危险环境内的爆炸性气体混合物选择防爆设备的防爆类型、气体等级、温度组别，并应按危险程度较高的气体组分来选择。3防爆设备还应根据现场实际情况，选择恰当的防护等级。4防爆设备选型及使用过程中存在问题41设计时提高等级在进行国内外石油天然气项目设计时，在2区环境的设备经常就直接选择EXDBT4，不依据具体项目进行分析，似乎防爆等级只有DBT4。实际上，当释放源是柴油时，在2区选择防爆电气设备，选择DAT3设备就可满足要求。不过，对于较低级别的设备，有时厂家也很少做。42防爆与防护的混淆一些人认为，在选取设备防爆等级后，设备能在含有爆炸危害性气体的环境中正常工作，那么它的密封性能一定非常好，就不需要对防护等级进行要求，安装在户外露天场所也不会有问题。有的则是防爆等级与防护等级不匹配，例如，规定设备为DBT4，IP42，这样，在搞设备卫生时，常用水冲洗设备，造成设备内部渗水受潮，电气绝缘性能下降，设备寿命降低，甚至损坏。设备防护等级达到IP54及以上才可用于室外露天场所，防护等级达到IP55及以上才可以喷水冲洗，这些都与设备防护有关系9。43防爆设备的施工爆炸危险环境是一种特殊的环境，防爆设备不能简单地凭经验安装、使用，应严格遵循设备说明书，以免出现安全隐患，甚至出现事故。现场常见的问题有1进线电缆与预留口不匹配。爆炸危险环境的电缆载流量是额定电流的125倍，电源与设备一般相距较远，考虑电缆压降等问题，电缆截面就会增大，厂家预留进线口较小，造成电缆无法引入。2接线完成后，未将多余的进出线口封堵或封堵不严。3密封橡胶圈损坏而不更换，或用密封胶泥来堵塞。设备内部发生爆炸时，密封胶泥会因爆炸产生的压力而冲出，不能起到防爆作用。4隔爆型产品检修开盖后，忘记安装或弄丢压紧弹簧垫圈、平垫。5配线钢管等未能进行有效封堵，造成爆炸危险气体的串通10。5结束语在国内外的项目设计过程中，需要规范、合理地划分爆炸危险区域。根据危险区域的等级和范围，以及爆炸性物质的级别、组别选择恰当的防爆设备，并对现场的施工进行有效的指导和监督，这样才能节省投资，达到节能减排、保障安全的目的。参考文献1梁金明分析石化企业爆炸危险环境电气设计的若干问题J科技论坛，2012183663672唐海洋，张剑，杨承山，刘磊爆炸性环境用防爆电气设备选型及电气线路的设计J电气防爆，2007136403GB500582014，爆炸危险环境电力装置设计规范S4INSTITUTEOFPETROLEUMMODELCODEOFSAFEPRACTICEINTHEPETROLEUMINDUSTRY，PART15AREACLASSIFICATIONCODEFORPETROLEUMINSTALLATIONSS5APIP500ECOMMENDEDPRACTICEFORCLASSIFICATIONOFLOCATIONSFORELECTRICALINSTALLATIONSATPETROLEUMFACILITIES