化工企業(yè)危險區(qū)域劃分及電氣設備選擇

王芙蓉 福陸 (中國)工程建設有限公司 上海201103

化工企業(yè)的生產、加工、處理、貯存等裝置中通常存在易燃或易爆的化學物料，因此這些場所會被定義為爆炸或火災危險場所，區(qū)域內的電氣設備應依據(jù)國家標準《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》GB 50058－92進行選擇。但是如果一個裝置由于它的原料、產品有易燃物質，就把整個裝置都認定為爆炸危險場所，既不經濟，又不恰當。另一方面，化工的物料復雜多變，并不是所有物料的特性都能與國標中的例子很明確地對應起來，可能模棱兩可，也可能對電氣設備的要求很苛刻，造成防爆設備選擇困難，若市場上沒有相應設備供應，將給工程帶來很多困難。這種情況下，危險區(qū)域劃分和設備選擇更需要仔細分析設計基礎條件。化工工程中，爆炸性氣體危險環(huán)境居多，本文僅對爆炸性氣體危險環(huán)境進行分析。

1 爆炸的形成

爆炸的形成因素和過程見圖1。

圖1 爆炸的形成因素和過程

這里有幾個重要的概念將重點分析。

閃點:在標準試驗條件下，可燃液體能放出足量的蒸氣并在液體表面處與空氣形成能發(fā)生閃燃的氣體混合物的液體最低溫度。

引燃溫度:在標準試驗條件下，可燃物質不需要外來火源即發(fā)生燃燒的最低溫度，也稱為自燃點。

點火源:主要有明火、赤熱表面、電氣火花、靜電火花、沖擊和摩擦等等。

2 爆炸性氣體危險環(huán)境劃分及防爆電氣設備的選擇

在化工工程設計時，工藝人員應提供設計條件，包括釋放源的位置，物料的名稱、級別、組別、閃點、沸點、引燃溫度、操作溫度、壓力、釋放速度等信息。電氣設計依據(jù)國標規(guī)范，結合設計條件對爆炸和火災危險區(qū)域做等級劃分之后，選擇相應的電氣設備，包括旋轉電機、低壓變壓器類、低壓開關和控制器類、燈具類、信號及報警裝置類、儀表等。

爆炸性危險環(huán)境的劃分，其根本源自對釋放源的分析和判斷，應首先明確以下內容。

2.1 爆炸性氣體危險環(huán)境的級別

按釋放源的級別和通風條件，爆炸性氣體危險環(huán)境分為0區(qū)，1區(qū)，2區(qū)。

0區(qū):連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

1區(qū):在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

2區(qū):在正常運行時不可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

危險區(qū)域的范圍，應按GB50028－1992第二章第三節(jié)確定。

2.2 爆炸性氣體混合物的爆炸級別

依照最大試驗安全間隙或最小點燃電流 (最小引爆火花能量)來區(qū)分爆炸性氣體混合物的級別，分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三個級別，相應的最小引爆火花能量，見表1。

2.3 爆炸性氣體混合物的組別或引燃溫度

這是易燃性物質的氣體或蒸氣與空氣形成的混合物在規(guī)定條件下被熱表面引燃的最低溫度。從組別T1到T6隨著引燃溫度的降低，其電氣設備的防爆要求逐級提高。

表1 爆炸性氣體混合物的級別 (mJ)

2.4 周圍環(huán)境對防爆電氣設備的選型要求

防爆設備的防爆型式應適用于其所在的爆炸危險區(qū)域。適用區(qū)域見表2。

表2 防爆型式與適用區(qū)域

周圍環(huán)境條件的不同，在防爆電氣設備選型時應同時考慮。在考慮以上幾條基本要求后，進行爆炸危險區(qū)域劃分，結合安全可靠、經濟合理的原則，選擇能滿足要求的防爆電氣產品。

3 案例分析

3.1 物料引燃溫度低的案例

二氯硅烷 (Dichlorosilane以下簡稱DCS)，多存在多晶硅的生產裝置中，設備存在二級釋放源，如閥門、法蘭等。DCS的特性是極易燃，引燃溫度為44℃左右，并且有很強的水解性。

針對這種物料的危險區(qū)域劃分及設備選擇有多種觀點。①DCS極易燃，應劃為火災危險區(qū)域，而非爆炸危險區(qū)域;②鑒于DCS的危險性，以及泄漏時釋放的壓力、速度、環(huán)境等不確定因素，DCS泄漏有可能會發(fā)生爆炸，應選擇T6組別的設備 (電機、部分儀表無法滿足);③劃分為爆炸危險區(qū)域，選擇T4或者更低組別的設備。

DCS易燃，同時還具有另一個重要特性——水解性，一旦泄漏，就會與空氣中的潮氣劇烈地反應，水解成鹽酸氣體伴有氫氣，并形成白霧，產生大量的熱量。這些熱量在化工裝置里具有危險性，如果同時有其他的爆炸危險性物料泄漏進入熱輻射的區(qū)域 (DCS釋放源附近)，可能成為其他物質的點火源，而發(fā)生爆炸。因此，第一種觀點判定為非爆炸危險區(qū)域欠妥。

DCS水解反應之后，物料已經發(fā)生變化，原來的DCS已經不存在;即使存在少量未完全反應的也會被水解的熱量引燃，徹底燃燒。所以第二種觀點，擔心DCS形成爆炸性混合物，過于謹慎的選擇T6組別的設備是沒有意義的。

筆者認為第三種觀點是有充足判據(jù)的，根據(jù)工藝技術專利商的經驗及運行中發(fā)生泄漏的實際情況證明，這個選擇也是正確的。

結合專利商的經驗，本案例采取以下措施:

(1)工藝、通風、建筑上采取一次防爆措施，本著消除0區(qū)，避免1區(qū)，減少2區(qū)的原則，合理布置設備，盡量減少閥門、法蘭等釋放源的數(shù)量，采用焊接連接方式。

(2)將DCS釋放源周圍15m劃分為爆炸危險區(qū)域2區(qū)，按照裝置內除DCS外的物料的最高級別和組別確定區(qū)域的級別和組別。

(3)爆炸危險區(qū)域內的電機、開關箱、照明、儀表等應按照相關標準規(guī)范防爆要求選擇相應的防爆設備。

3.2 閃點明顯高于最高操作溫度

石油天然氣行業(yè)標準《導熱油加熱爐系統(tǒng)規(guī)范》SY/T 0524－2008第4.6.3條規(guī)定:導熱油加熱爐系統(tǒng)運行區(qū)域為非防爆區(qū)。但規(guī)范中沒有給出具體解釋，定義為非防爆區(qū)的理由和判據(jù)。

筆者參讀了美國國家標準《危險區(qū)域內的可燃液體、氣體和蒸汽分類 (用于電氣設備選擇及安裝)》NFPA 497－2008第 4.2.7.3條、4.4.2條，指出IIIB類的液體 (閃點等于或高于93℃的液體)即使在高溫下也幾乎不會變成氣相而形成可燃性氣體混合物，而且也幾乎不會被正確安裝、正常維護的通用電氣設備引燃。IIIB類的液體在泄漏時會迅速地冷卻至閃點以下。因此，幾乎不需要定義危險區(qū)域。

實際上，如果閃點明顯高于易燃液體的最高操作溫度，就不會形成爆炸性氣體混合物，也不需要劃分爆炸危險區(qū)域。導熱油加熱爐就是最典型的例子。導熱油型號不同，閃點有所不同，在200℃左右，但不論是何種型號的導熱油，工藝流程上其閃點肯定高于最高操作溫度。因此，導熱油加熱爐的運行區(qū)域屬于非爆炸危險區(qū)域。

其他閃點高于93oC或閃點明顯高于易燃液體的最高操作溫度的情況，同理可判定為非爆炸危險區(qū)域。

3.3 內部明火的設備

燃氣鍋爐使用的燃氣主要有天然氣、焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣。鍋爐存在釋放源，如閥門密封處，法蘭、連接件和管道接頭，放散管、取樣口、吹掃口，壓力、溫度等傳感器與燃氣管道連接處。本案例的爭議點在于，鍋爐附近是否應劃為非爆炸危險區(qū)。

3.3.1 劃為非爆炸危險區(qū)的條件

《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》GB 50058－92第2.2.2條中有一條: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(qū)域內易燃物質的引燃溫度的設備附近，劃為非爆炸危險區(qū)域。筆者尚未見到現(xiàn)行國家標準對確定非爆炸危險區(qū)域的范圍的明確規(guī)定。參照石油化工行業(yè)標準，確認使用明火的設備 (有穩(wěn)定的、持續(xù)的外露火焰)附近或熾熱部件的表面溫度超過區(qū)域內易燃物質引燃溫度的設備附近為非爆炸危險區(qū)域，但該區(qū)域亦僅為設備周圍1.5m范圍。

符合以下兩種條件之一時可確認為非爆炸危險區(qū)域。

(1)有穩(wěn)定的、持續(xù)的外露火焰。

(2)有穩(wěn)定的、持續(xù)的熾熱表面，且其表面溫度超過燃氣的引燃溫度。

《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》GB 50160－2008為確定設備、建筑物平面布置的防火間距，提出“明火設備”的概念，即第2.0.8條: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。條文說明第5.2.1條中亦明確指出:明火設備主要指明火加熱爐、廢氣焚燒爐、乙烯裂解爐等。

而針對第二項條件，燃氣鍋爐常見燃氣的引燃溫度:天然氣550℃，焦爐煤氣450～650℃，高爐煤氣550～650℃，轉爐煤氣550～630℃。也就是說，設備表面溫度應超過燃氣的引燃溫度450～650℃才能滿足該條件。

3.3.2 鍋爐附近不屬于非爆炸危險區(qū)的判據(jù)

(1)燃氣鍋爐附近不存在穩(wěn)定的或持續(xù)的外露火焰。

爐膛是鍋爐設備的燃燒室，是一個四周用磚墻砌成 (或用混凝土澆成)的相對密閉空間，爐膛與爐外連通的僅有點火孔、看火孔、人孔、防爆門等。這些與爐外連通的孔均設有爐門，正常情況封閉或關閉。故燃氣鍋爐附近不存在穩(wěn)定的或持續(xù)的外露火焰。

(2)燃氣鍋爐外部未經證實不能確認存在超過易燃物質引燃溫度的赤熱表面。

因為爐膛溫度很高，最里面的墻使用能耐高溫的耐火磚，為了高溫爐膛保溫，防止熱量散失，耐火磚外面采用保溫磚。與高溫火焰接觸的一層采用耐火混凝土，耐火混凝土外面再澆一層保溫混凝土，再外面用硅石保溫磚。

爐墻等采用絕熱性能良好的材料筑成并有效保溫，且具有相當?shù)暮穸龋勺畲笙薅确乐範t墻、構架、管道、門孔向周圍環(huán)境散熱造成的熱損失，提高鍋爐效率。故燃氣鍋爐外部，未經證實不能確認存在穩(wěn)定的、持續(xù)的、超過易燃物質引燃溫度的赤熱表面。

因此，鍋爐周圍不能判定為非爆炸危險區(qū)域。

3.3.3 爆炸危險區(qū)域劃分

燃氣管道上的釋放源應按常規(guī)方式劃分爆炸危險區(qū)域。一般屬于第二級釋放源，即預計在正常運行下不會釋放，即使釋放也僅是偶爾短時釋放的釋放源。按上文介紹的爆炸性氣體危險環(huán)境劃分方法，燃氣釋放源附近應劃為爆炸危險區(qū)域2區(qū)。對于燃氣重于空氣的 (如高爐煤氣、轉爐煤氣等)，爆炸危險區(qū)域的范圍還應劃分附加2區(qū)。

3.3.4 爆炸危險區(qū)域內的電氣設備選擇

爆炸危險區(qū)域內的電氣裝置，如配套輔機設備、電氣控制箱柜、消防控制箱、照明、傳感器、接線及接線盒等的設計安裝必須符合相關標準規(guī)范防爆要求。

4 結語

對于國標規(guī)范的理解和使用，不能流于形式。如果工程設計中遇到的實際情況，在規(guī)范中沒有明確可對應的條款，或對規(guī)范理解不充分時，不能只依據(jù)以往經驗做判斷。結合爆炸形成的條件，分析物料的閃點和引燃溫度，是否存在點火源，是否能形成爆炸，這才是科學的分類依據(jù)。

1 NFPA 497-2008，危險區(qū)域內的可燃液體、氣體和蒸氣分類 (用于電氣設備選擇及安裝)。