煉油廠含氫爆炸性氣體混合物的分級

于小輝，劉瑞萍，梁興煒

煉油廠含氫爆炸性氣體混合物的分級

于小輝，劉瑞萍，梁興煒

（中國石油工程建設公司華東設計分公司， 山東 青島 266071）

煉油廠工藝裝置在生產過程中會產生大量爆炸危險氣體，需要選擇合理的防爆電氣及工藝設備以保證安全生產。本文對爆炸性氣體混合物的分級方法進行了分析，特別是對于IIC級的劃分進行了重點論述，根據標準 NFPA 497-2008提供的爆炸性混合氣體的最大安全試驗間隙計算公式進行了統計推算，結合標準IEC60079-20所列物質的最大安全試驗間隙，給出了含氫爆炸性混合氣體的分級方法，論證了按照氫氣體積比25%判斷含氫爆炸危險性混合氣體是否為IIC級是可行和經濟的。解決了業界爭議多年的IIB級和IIC級劃分的氫氣含量百分比的問題，對煉油工程設計有很大的借鑒作用。

爆炸性氣體；分級；氫氣；IIC級

對于生產、加工、處理、轉運或貯存過程中出現或可能出現爆炸性氣體混合物環境時，應進行爆炸性氣體環境的電力裝置設計[1]。煉油廠工藝裝置主要有：常減壓、催化裂化、重整、加氫、焦化及環保裝置等，這些裝置在對原油進行加工時，會產生大量的爆炸性氣體混合物，如果出現特定的環境條件就會發生爆炸，造成人員傷害和財產損失，所以工程設計中對爆炸危險區域的劃分非常重要，這是確定電氣設備的防爆等級、工藝裝置間距等設計參數的關鍵依據，同時也是工藝裝置HAZOP分析的重要參考文件。如何進行爆炸危險區域劃分，目前國內外相關規范已經有了比較全面的規定，但是具體到某些領域或某些特定的環境還沒有明確的條文規定，例如：煉油廠工藝裝置如何對含氫爆炸性氣體混合物進行分級，將其劃分為IIC級時氫氣體積百分比是多少，該問題在業界存在較大爭議。本文對該問題進行了詳細分析，并給出了結論，對煉油設計有很大的借鑒作用。

1 國內外防爆標準介紹

目前，國際上流行的防爆標準主要有[2]：

（1）IEC(國際電工協會)標準：IEC60079。

（2）用于歐洲共同體和鄰近國家的歐洲標準：EN50014～EN50020以及EN50039。

（3）用于美國和北美洲的美國國家電氣法規：NEC。

各主要工業化國家基于上述標準之一，均分別建立了自己的國家標準。如：德國的VDE0170/0171，英國的BS5345/5501等。

應該指出的是，歐洲標準和大多數歐洲國際的標準和IEC標準均屬同一體系，只是在具體條款和實施辦法上更具體、更細一些。同樣，我國的國家標準GB50058和GB3836也是在IEC基礎上建立的。因而，我國國標同IEC和大多數歐洲國家的標準是吻合的[2]。

同樣需要指出的是，NEC實際上是一種用于安裝的規范。它是隸屬于NFPA（美國國家防火協會）下面的一個標準。對于防爆電氣設備的結構，NEC尚需引用NFPA以及其他標準化組織的一些有關規范[2]。

2 爆炸性氣體混合物的分級原則

2.1 爆炸性氣體混合物的MESG和MICR

根據電氣設備適用于某種氣體或蒸汽環境的要求，將該氣體或蒸汽進行分類或分級，使由隔爆外殼“d”保護的設備或由本質安全型“i”保護的電氣設備按此類別和級別制造，以便保證設備相應的防爆安全性能。

最大試驗安全間隙（MESG）是指：在標準規定的實驗條件下，殼內所有濃度的被試驗氣體或蒸汽與空氣的混合物點燃后，通過25mm長的接合面均不能點燃殼外爆炸性氣體混合物的外殼空腔兩部分之間的最大間隙。最小點燃電流比（MICR）是指：在規定條件下，能點燃最易點燃混合物的最小電流與試驗室的甲烷的最小點燃電流值之比[3]。

爆炸性氣體混合物，應按其最大試驗安全間隙（MESG）或最小點燃電流比（MICR）分級。爆炸性氣體混合物是指：在大氣條件下，氣體、蒸汽、薄霧狀的可燃性物質與空氣混合，點燃后，燃燒將在整個范圍內傳播的混合物[3]。

當符合表1的條件時，只需按測定的最大試驗安全間隙（MESG）或最小點燃電流比（MICR）進行分級，大多數氣體可以按此原則分級[1]。

表1 最大試驗安全間隙（MESG）或最小點燃電流比（MISR）分級Table 1 Maximum experimental safe gap (MESG)&minimum ignition current ratio(MISR)

2.2 爆炸性氣體MESG值的測定

按照GB3836.11-2008《爆炸性環境 第11部分：由隔爆外殼“d”保護的設備 最大試驗安全間隙測定方法》，在常溫常壓條件下，將一個具有規定容積、規定隔爆結合面長度和可調間隙的標準外殼置于實驗箱內，在外殼與實驗箱內同時充以已知濃度的爆炸性氣體混合物，點燃標準外殼內部的氣體混合物，觀察標準外殼內部的氣體混合物是否被點燃爆炸，通過調整爆炸外殼間隙和改變氣體混合物的濃度，測出在任何濃度下都不出現爆炸現象的最大間隙，該間隙就是氣體混合物最大實驗安全間隙。表2為一些常見爆炸性氣體的MESG值和最易傳爆的混合物濃度。由表2可見，氣體中氫氣的MESG值較小，說明含氫氣體的混合物較易爆炸[4,5]。

表2 爆炸性氣體的MESG值[4]Table 2 MESG for explosive gases

3 單組分與多組分氣體混合物的分級

3.1 單組分氣體混合物的分級

單組分氣體的分級，相對比較容易，標準IEC60079-20《氣體和蒸汽分類用材料特性—試驗方法和數據》中對于大多數氣體都有明確的實驗數據，只需按測定的最大試驗安全間隙（MESG）或最小點燃電流比（MICR）進行分級。

3.2 多組分氣體混合物的分級

對于多組分和蒸汽混合物的分級，一般應通過試驗專門測定其最大試驗安全間隙（MESG）或最小點燃電流比（MICR），才能確定其級別。在工程設計過程中，每臺化工設備、容器或反應器中所含的各種爆炸危險介質的組成成分不同、各成分間的配比不同，不可能通過對每臺設備中的氣體樣品進行專門試驗。所以，需要一種估算方法來解決多組分氣體的分級問題[1]。

標準NFPA497-2008《危險(分類)區域中有關電氣設備的氣體、蒸氣和粉塵的分類》的附件B中專門介紹了一種用于確定混合氣體分級的估算方法。

混合氣體的MESG可以用式(1)估算[6]：

式中：MESGmix—混合氣體的最大試驗安全間隙,mm;

MESGi—混合氣體中各組分的最大試驗安全間隙,mm;

Xi—混合氣體中各組分的體積分數,%。此數據由工藝專業給出，要根據設備中混合介質在氣態時，最大工況情況下，各組分所占的體積百分比。

根據上述公式計算出混合氣體的 MESG，然后比照表1，就可以確定混合氣體的級別。

4 煉廠中含氫工藝裝置中爆炸性混合氣體的分級

4.1 研究煉油廠環境中含氫爆炸性混合氣體分級的必要性

對于工藝用電設備，例如機泵、壓縮機等，爆炸性氣體的級別是確定設備防爆等級一個指標，目前國內外的防爆設備廠只生產IIB、IIC類電氣設備，如果氣體分級為IIA級，設備一般選用IIB類，三種類別的關系見表3。

表3 氣體分級與電氣設備類別Table 3 Explosive gases classification and electrical equipment category

IIC類設備較IIB類設備造價要高15%～20%，合理選擇設備防爆等級對于降低工程投資尤為重要。爆炸危險級別為IIC級的組分主要有氫、乙炔、二硫化碳和硝酸乙酯[2]。煉油工藝流程中，以上四種氣體，只有氫氣可能存在，所以對煉油廠內的含氫爆炸性混合氣體的分級，氫氣的含量是一個關鍵因素。氫氣在爆炸性混合氣體中的體積比大于多少，該混合氣體級別應為IIC級，目前還沒有一個公認的數值，有的設計人員認為應該按照氫氣的爆炸下限（體積比4%）來判斷該混合氣體是否為IIC級，這樣的話，煉油裝置內的IIC級的設備就會非常多，提高了工程造價,不經濟。要保證煉油裝置能夠安全運行，又要降低工程造價，所以有必要對含氫爆炸性混合氣體分級進行研究。

4.2 煉油廠環境中含氫爆炸性混合氣體分級方法

根據 NFPA497-2008提供的公式（1）和IEC60079-20《氣體和蒸汽分類用材料特性—試驗方法和數據》提供的MESG數據，對煉廠環境的氣體分級進行了歸納總結，得出了一個判斷含氫爆炸性混合氣體級別的氫氣體積比。

以下為統計歸納過程：

假設條件：爆炸性混合氣體只有氫氣一種 IIC級成分，其他成分都為 IIB或 IIA級。查IEC60079-20，氫氣的MESG為0.28。除氫氣外的其他氣體混合物的綜合MESG為Y。

當氫氣體積比為25%時，根據式（1）：

根據表 1，MESGmix＜0.5時，該爆炸性混合氣體應為IIC級。此時： Y＜0.67。

同理,當氫氣體積比為20%時，得出Y＜0.62。

同理,當氫氣體積比為10%時，得出Y＜0.58。

查標準IEC60079-20，只有五種IIB級組分的MESG＜0.67，具體見表4[7]。

表4 MESG＜0.67的IIB級物質Table 4 MESG＜0.67 IIB level material

煉油流程中表4中所列物質很少存在，即使存在也是少量的，所以按照氫氣體積比25%為界來確定含氫爆炸性氣體混合物的級別是可行的。如果20%或10%來確爆炸級別，從設計安全裕量角度來說是更加保守，但是考慮設備造價問題，按照25%來判斷爆炸危險性混合物級別是更加經濟的。這樣的話在煉油主裝置中，只有加氫、重整等含大量氫裝置存在IIC級用設備，常減壓、催化、焦化等裝置一般就可以按照IIB級進行設備選擇，大大降低的了工程投資。

5 結 論

（1）介紹了國內外各種防爆標準以及我國防爆標準與其相互關系。

（2）介紹了單組分與多組分氣體混合物的分級方法的區別，重點敘述了多組分氣體混合物的分級方法。

（3）對煉油廠內含氫爆炸性混合氣體如何進行級別劃分進行了論述，根據相關標準對該問題進行分析，得出了含氫爆炸性混合氣體IIB和IIC級劃分的通用依據，論證了按照氫氣體積比 25%為判斷含氫爆炸危險性混合氣體是否為IIC級是可行的。該結論的得出，減少了煉油廠內IIC級設備的數量，降低了工程造價，對今后的煉油設計有較大借鑒作用。

［1］ GB50058-2014.爆炸危險環境電力裝置設計規范[S].

［2］馬承宗.歐美電氣設備防爆標準與其主要差別[J].煉油化工自動化,1994,6:3-10.

［3］ GB3836.12-2008 爆炸性環境第12部分：氣體或蒸汽混合物按照最大試驗安全間隙或最小點燃電流比分級[S].

［4］ 胡敏,趙玉川,董立萍,李淑紅.用于混合介質的阻火器爆炸級別探討[J].煉油技術與工程,2008,38(6):57-59.

［5］ GB3836.11-2008 爆炸性環境第 11部分：由隔爆外殼“d”保護的設備 最大試驗安全間隙測定方法[S].

［6］ NFPA 497-2008 危險(分類)區域中有關電氣設備的氣體、蒸氣和粉塵的分類[S].

［7］ IEC60079-20氣體和蒸汽分類用材料特性—試驗方法和數據[S].

Study on Grading of Explosive Gas Mixture With Hydrogen in Oil Refinery

YU Xiao-hui，LIU Rui-ping，LIANG Xing-wei
（China Petroleum Engineering & Construction Corp. East-China Design Branch, Shandong Qingdao 266071，China）

Refinery process equipments will produce a large number of explosive gases, so reasonable explosion-proof electrical and process equipments need be chosen to ensure the safety of production. In this paper, grading methods of explosive gas mixture were analyzed and compared, especially the division of IIC grade. Based on the maximum experimental safe gap (MESG) calculation formula for mixture explosive gas in the standard NFPA 497-497and MESG data in standard IEC60079-20, grading method of the explosive gas mixture with hydrogen was concluded. The method to determine IIC grade mixture explosion gas with hydrogen according as the volume of hydrogen is higher than 25% or not is feasible and economic, which can solve the issue how to grade mixture explosive gas with hydrogen.

Explosive gas; Grading; Hydrogen; IIC

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）04-0777-03

2014-10-28

于小輝（1982-），男，山東濟南人，工程師，碩士研究生，2008年畢業于中國石油大學（北京）控制理論與控制工程專業，研究方向：石化企業工廠供電。