發電廠制氫站電氣設計探討

陸建鶯，牛 麗

(國核電力規劃設計研究院，北京 100094)

氫氣具有密度小，熱傳導率高的特點，發電機采用氫冷卻可提高發電機效率。當發電廠發電機冷卻方式為“水氫氫”或全氫冷時，需為其設置供氫系統。寧東矸石電廠2×330MW機組采用自備氫氣站的供氫方式，該制氫站主要建筑有氫氣貯存罐間、電解間、輔助間、化驗間、電氣控制間等，其中電解間、氫氣貯存罐間存在爆炸危險，火災危險性類別為甲級，爆炸危險類別為Q-2。發電廠一旦發生火災或者爆炸事故，輕則毀壞電廠設備及建筑物，重則中斷電力供應，且恢復時間長，將對人們的生產、生活造成巨大影響，并造成重大經濟損失。因此，制氫站的安全設計對發電廠的安全運行至關重要。

1 制氫站照明設計要點

1.1 照明箱

按照規程規定，在有爆炸危險的場所，不應裝設照明配電箱，應將其裝設在附近正常環境的場所。本工程將照明箱裝于電氣控制間，既保證照明箱安全性，又滿足了就近控制的要求，照明箱安裝高度以箱底距地面1.5m為宜。該照明配電箱的防爆出線回路，應裝設雙極開關。

選擇照明箱型號時，應考慮留有適量的備用回路(約占照明箱回路數的1/4至1/3)。應急照明充電檢測回路可加裝單相開關，工作時閉合，檢修時打開，接線方式見圖1。

圖1 應急照明回路接線方式

1.2 防爆燈具

有爆炸危險的房間，其光源應使用防爆熒光燈等高效光源，燈具宜裝在較低處，并不得裝在氫氣釋放源的正上方。

安裝于制氫站圍墻以內、制氫站房間外的工廠燈、吸頂燈、開關等均需選用防爆型，以避免或減輕發生事故時遭到破壞。如果建筑物房間內有吊頂，應避免燈具安裝的位置與吊頂柵格沖突(該工程電氣控制間裝有吊頂)。燈具不宜裝在電氣、儀控等盤柜正上方。

1.3 燈具開關

在有爆炸危險的場所，不宜裝設開關及插座，當需要裝設時，應選用防爆型開關及插座。防爆燈配置雙極開關，且開關裝于室外進行控制。

1.4 照明線路

發電廠和變電站照明設計規程規定：在有爆炸危險或有可能受到機械損傷的場所，照明線路應采用銅芯絕緣導線穿鋼管明敷。管內敷設多組照明導線時，導線的總數不應超過6根。在有爆炸危險的場所，管內敷設的導線根數不應超過4根。

對于防爆應急照明回路，照明箱出線共4根線，其中防爆照明3根(一根為專用接零線)，應急照明充電線1根。裝有防爆燈具的回路與非防爆回路分開布置。不同類型回路的照明箱接線見圖2。

圖2 不同類型回路接線方式

由于防爆回路中裝有防爆應急照明燈具，因此，需要在防爆設計的基礎上加裝單相開關，如圖2中防爆回路所示。由照明箱引至氫氣罐間的照明回路，也需進行防爆安全保護，可穿水煤氣管引至氫氣罐間門口。

2 制氫站電纜敷設

電纜設計規范中規定：有防爆、防火要求的明敷電纜，應采用埋砂敷設的電纜溝。因此，寧東矸石電廠制氫站采用電纜溝敷設電纜。

寧東制氫站電氣控制間設置一臺壁掛式氫氣檢漏報警儀，電解間風機、貯氫罐間風機均與氫氣檢漏報警儀連鎖，當空氣中氫氣濃度超過0.4%時，連鎖裝置啟動。

有火災及爆炸危險的房間內不宜設計電纜溝與廠區電纜溝接口，應使電纜溝出口端閉合，以避免發生火災與爆炸危險時造成事故蔓延。

3 防雷設計

發電廠和變電所有爆炸危險且爆炸后可能波及發電廠和變電所內主設備或嚴重影響發供電的建筑物，應用獨立避雷針保護，并應采取防止雷電感應的措施。

首先應根據避雷針高度和建筑物高度計算保護范圍半徑，當采用單根避雷針時，地面上保護范圍計算公式如下：

r = 1.5hp

式中：r為保護半徑/m；h為避雷針的高度/m；P為高度影響系數。

按照規程規定，h≤30m時，P=1；30m＜h≤120m時，P=5.5/；h＞120m時，取其等于120m，本工程中獨立避雷針的高度為30m。

制氫站內被保護建筑物高度hx水平面上的保護半徑按以下公式計算：

⑴ hx≥0.5h時，

rx= (h-hx) p = hαP

式中：rx為避雷針在hx平面上的保護半徑/m；hx為被保護建筑物的高度/m；ha為避雷針的有效高度/m。

⑵ hx＜0.5h時，

rx= (1.5h-2hx) p

按照《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》、《氫氣站設計規范》等規定，避雷針安裝位置的確定需遵循以下原則：

①獨立避雷針及集中接地裝置與道路的距離或建筑物的出入口等不宜小于3m，否則采取均壓措施，或鋪設礫石或瀝青地面，也可鋪設混凝土地面。

②獨立避雷針接地裝置(埋深1.5m)與接地網及地下管道的地中距離不小于3m。

③避雷針與罐體呼吸閥的水平距離不應小于3m。

④避雷針的保護范圍邊緣高出呼吸閥頂部不應小于2m。

⑤避雷針與自然通風口的水平距離，不應少于1.5m，與強迫通風口的距離不應少于3m，與放空管口的距離不應少于5m，避雷針的保護范圍應高出管口1m以上。

本工程中，制氫站圍墻外側置有兩個點火油罐，安裝了兩支等高避雷針對其進行保護。為了達到聯合保護、擴大保護范圍的目的，在滿足制氫站建筑保護范圍的條件下，制氫站區域的避雷針盡量靠近油罐方向，以配合油罐區域避雷針進行聯合保護。計算表明，聯合保護取得了良好的防雷效果。

制氫站區域大門旁需安裝一套觸摸式靜電消除器，用于消除進入制氫站人員身體攜帶的靜電，減少人體靜電對制氫站設備造成的危險。

4 接地設計

接地按用途可分為工作接地、保護接地、雷電保護接地、防靜電接地4種，為了保護建筑物和電氣設備的安全，需通過接地裝置將雷電流、靜電等導入大地。寧東矸石電廠土壤電阻率為85～95Ω·m。

⑴ 設計時需遵照以下原則：

①水平接地體與建筑物外墻的距離不宜小于1.5m。

②室內接地線沿建筑物墻壁水平敷設時，離地面宜保持 200～250mm的距離，不沿墻時埋入地面，接地線與建筑物墻壁間應有10～15mm的間隙。

③室內接地體至少兩點與室外接地體牢固焊接。

④垂直接地極的間距不應小于其長度的兩倍，水平接地極的間距不宜小于5m。

⑤獨立避雷針宜設獨立的接地裝置。當其接地電阻超過10Ω或者其接地裝置與主接地網之間距離不能滿足《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》DL/T620-1997中7.1.11b)要求時，其接地裝置可與主接地網連接，見圖3，避雷針通過集中接地裝置與接地網相連。

圖3 獨立避雷針接地布置圖

⑥貯氫罐的四周應設閉合環形接地體(接地電阻不應超過30Ω)，罐體的接地點不應少于兩處，接地點間距不應大于30m。

⑦人工接地網外緣應閉合，外緣各角應做成圓弧形，圓弧的半徑不宜小于均壓帶間距的一半。

⑧為便于施工，設計時垂直接地體的位置盡量避免與水平接地體的交接處重合。

⑵ 對接地裝置進行施工時，應注意以下事項：

①接地扁鋼埋深1.5m。

②在接地線引進建筑物的入口處，應設標志。明敷的接地線表面應涂15～100mm寬度相等的綠色和黃色相間的條紋。

③不能保持良好電氣接觸的閥門、法蘭、彎頭等管道連接處也應跨接，跨接線采用直徑不小于8mm的圓鋼；

④金屬罐罐體鋼板的接縫、罐頂與罐體之間以及所有管、閥與罐體之間應保證可靠的電氣連接。

⑤接地裝置邊緣處的道路或入口處應設帽檐式均壓帶，需鋪設礫石或瀝青路面。

⑥為了防止接地線遭受機械損傷，在接地線與電纜管道或鐵道交叉處及其他有可能使接地線遭受機械損傷之處，均應用管子或角鋼加以保護。

⑦管道及金屬橋臺應在其始端、末端、分支處以及每隔50m處設防靜電接地，鶴管應在兩端接地；

⑧凈距小于100mm的平行或交叉管道，應每隔20m用金屬線跨接。

5 制氫站防火封堵措施

由于氫氣密度比空氣小，且擴散速度快，一旦發生泄露易積聚在設備、容器、建筑物的頂部。純氫在空氣中遇到明火會燃燒，進而引起火災甚至爆炸；氫氣與空氣(或氧氣)達到一定的混合比，遇明火也會發生爆炸[1]。

發電廠火災多發生在電纜溝和電纜隧道內，電纜通過電纜溝道分布到機房、主控室和室外設備，一旦發生險情，將造成起火迅速，火勢兇猛，極易蔓延擴大，且煙氣有毒，撲救困難，直接對人員生命構成威脅。因此，除執行安全操作外，發電廠做好有效的防火措施至關重要。

需要對電纜通道進行防火封堵的部位如下：

⑴ 各類表盤與配電屏的電纜孔洞及各層樓板的電纜留孔；

⑵ 輔助車間內部電纜通道通向廠區的所有接口；

⑶ 各輔助車間的電纜進入表盤的洞孔；

⑷ 廠區電纜溝道和隧道直線段不大于100m為一個防火分隔點；

⑸ 廠區大型排管的人孔井的管口；

⑹ 廠區電纜構筑物中的高壓電纜中間接頭和終端頭等。

按照以上規定，制氫站區域需要進行封堵的部位有：電纜溝穿建筑物墻的洞口、盤柜底部電纜出入口。

由于阻火包價格相對較低，在施工時常用于室外電纜溝的封堵。但阻火包存在煙密性差，浸水后防火性能失效的缺點，因此，從安全性與經濟性綜合考慮，可使用阻火包、防火灰泥、礦棉共同進行封堵。

盤柜底部電纜留口宜使用防火涂層板系統進行封堵，其表面涂刷一定厚度的防火涂料，縫隙處以防火密封膠填充。為保證防火涂層板系統的牢固性，其下方使用圓鋼進行支撐與固定。

6 結論

本文結合工程設計標準與工程施工標準，以神華寧煤寧東矸石電廠一期2×330MW機組工程制氫站為例，全面概述了發電廠自備制氫站的電氣設計要點。

由于制氫站的安全直接關系到整個發電廠的安全運行，本文重點針對設計過程中的防火防爆設計進行了總結，對照明燈具與照明線路的防爆設計、電纜防爆設計、制氫站區域的防雷與接地設計、防火封堵設計等作了詳細介紹，以確保電氣部分設計的合理性，從而提高電廠運行的安全性。

[1]王立國.發電廠氫系統著火爆炸的防止對策[J].電力安全技術，2001，3(5).

[2]穆冬梅.氫冷發電機供氫系統方案選擇[J].中國電力，2001，34(6).

[3]余浩.火電廠供氫系統方案選擇[J]，電力勘測設計，2008，12(6).