油氣回收系統防爆通風機的點燃危險評估*

李 娜

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

在各種油氣回收處理方法中，正確地收集并輸送油氣是裝置順利運行的根本保障。作為采集油氣的源頭，抽氣設備是否能夠安全運轉直接影響了整個油氣回收系統的安全可靠程度。工作原理簡單的單級離心式通風機是油氣回收裝置中普遍的通用抽氣設備，內部輸送的介質是油氣與空氣的混合物，混合氣在爆炸極限范圍以內，因此風機內部長期處于易燃易爆的氣體環境。如果該類通風機內部爆炸，釋放出的能量通過管道向外部傳播，一方面會導致后端油氣回收裝置起火爆炸，另一方面會造成罐頂油氣連通的管道發生回火，招致更大的危險。盡管國家對服務于此類爆炸場所的轉動設備有嚴格規定，國內在整體防爆風機研發方面仍處于起步階段。要保證設備在正常運行和故障情況下均具備防火防爆特性，就應該確保風機結構在運行過程中不存在潛在點燃源，例如機械火花、零部件摩擦或撞擊、高溫熱表面以及靜電、電氣火花等。因此，研發整體防爆風機能夠保障裝置及人身安全，對提升石油化工儲運罐區VOCs治理油氣連通整體防爆安全有重大意義。

1 國內外防爆風機現狀

作為石油、化工、煤炭等工業的重要配套設備，通風機被廣泛地使用于涉及爆炸性氣氛的危險場所，GB 3836-2010和GB 25286-2010系列標準，分別規定了潛在爆炸性環境用電氣和非電氣設備設計、制造、檢驗和標志標識的基本方法和要求[1，2]，國內針對防爆通風機的結構、制造、安裝安全和驗收已有相應的規范GB 26410-2011[3]，但本標準內并不包含任何針對不同危險區域防爆安全的風機結構設計方法和技術條款。雖然風機制造廠家目前已經考慮到諸如靜電、機械摩擦、碰撞火花、熱表面等常見的潛在點燃源，也采取了相應的防護措施，如對動部件添加無火花防護罩、對軸承采用密封、冷卻防止干摩擦或高溫表面等，但這些都是基于機械常識或使用周期的考慮而對設備加以安全防護的保護方法，并沒有從防爆安全本質的角度，依據GB 25286-2010系列標準去全面梳理通風機在正常運行以及故障運行時可能產生的點燃源。

國內取得防爆通風機認證資格的風機制造商也大多是參照爆炸性環境下電氣防爆系列標準GB 3836-2010制定的，導致國內通風機防爆認證局限在電動機防爆，對非電氣類部分的防爆根本沒有涉及。事實上，防爆風機作為機電一體化的動設備，既有電氣部分產生的點燃源，又有非電氣部分產生的點燃源，比如相對運動的部件之間發生動或靜摩擦、相互碰撞產生炙熱顆粒導致機械火花或高溫表面等現象，因此防爆風機的非電氣部分也必須進行點燃危險辨識、評估，以具備安全可靠的防爆性能。

歐洲標準化委員會自從2007年推出了防爆通風機標準，經過不斷地更新與修訂，現行的標準為BS EN 14986-2017[4]，該標準從非電氣、電氣兩方面對整體防爆通風機的適用范圍、設計準則、防爆分級、結構參數、試驗方法等做出了詳細的規定。

2 潛在爆炸環境區域分類

爆炸性危險區域主要以爆炸物質在這一危險區域內出現的頻繁程度和持續時間來劃分[5]。除煤礦外，我國的防爆危險區域分成爆炸性氣體區域和可燃性粉塵區域，參見表1。

進行爆炸環境分類時，風機的內部和外部可能有不同的分級。油氣回收裝置中，防爆通風機內部輸送的介質是油氣與空氣的混合物，混合爆炸性氣體在爆炸極限范圍以內，并且連續長期出現，因此風機內部可以劃分為0區危險場所。如果通風機的出口和進口處的軸密封和柔性連接處不能保證絕對氣密，會有少量油氣擴散到外部環境，空曠的外部環境和良好的通風條件使得爆炸性混合氣體得到一定的稀釋，將其濃度降低至爆炸極限范圍的下限以外，此類場景則可以將通風機外部歸類為1區。如果制造商能夠保證通風機外殼和軸封的密閉性，實現百分之百零泄漏，那么防爆通風機外部將不可能出現或者只有在故障時短暫出現爆炸性氣體，外部可以劃分為2區場所。

表1 危險區域等級劃分

3 點燃危險評估

非電氣防爆安全與電氣類防爆的最大區別在于，標準中沒有完整的技術要求一覽表，而是要求對機械設備結構和零部件開展點燃危險評定[6]。在GB 25285.1-2010[7]中列出的非電氣設備點燃源種類分別有：熱表面、火焰和熱氣體(熱顆粒)、機械產生的火花、電氣設備、雜散電流、靜電、雷電、104～3×1012Hz射頻電磁波、3×1011～3×1015Hz電磁波、電離輻射、超聲波、絕熱壓縮和沖擊波以及放熱反應[8-11]。由此可見，引起非電氣類設備點燃的原因包羅范圍廣泛，必須根據待認證設備的結構特征和工作特性去分析這些點燃危險出現的可能性[12]。

離心通風機的工作原理簡單。電動機帶動風機葉輪高速旋轉，輪中葉片之間的氣體獲得離心力也跟著旋轉，并在離心力的作用下甩出這些氣體，通過排氣口排出，同時在葉輪中間形成了一定的負壓，由于入口呈負壓，外界氣體在大氣壓的作用下立即補入，從而在葉輪連續旋轉下不斷排出和補入氣體，達到連續通風的目的[13]。通風機作為機電一體的動設備，在結構上主要分為動力、傳動、工作及防護系統四大部分，防爆通風機與常規通風機在結構和功能上一致，機械部分主要包括聯軸器、軸承、外殼、葉輪、集流器、傳動軸、防護罩、密封等部件。這些部件可能在運轉的過程中產生潛在點燃源，應該從防爆安全本質分別依據點燃源種類開展分析，并提出相應的防爆設計方案，達到降低點燃爆炸風險的需要。

3.1 機械火花

機械部件在正常運轉或故障工況下，由于金屬部件間或同其他硬質材料間相互摩擦、碰撞或在高應力下突然破壞均有可能產生機械火花[14]。最容易產生機械火花的部位是動靜部件相對運動的位置，比如風機的外殼與葉輪間隙空間不足，運行時相互摩擦形成機械火花。高速轉動、溫度、震動等都會造成間隙發生變化。預防機械撞擊摩擦的措施主要應考慮設備的材質，在易產生危險點燃源的部位應采用碰撞無火花的特殊材料組，通過控制鋁、鈦、鎂和鋯的總含量來合理選材[15]。在歐洲標準中規定了防點燃風機在設計制造時，適用于不同氣體爆炸組別的部分材料組，配對材料組均可用于旋轉部件，以使其機械應力性能符合風機的防爆設計和壽命要求。防爆通風機具備的潛在危險源和預防措施見表2。

表2 防爆通風機主要機械火花點燃源危險辨識

3.2 高溫熱表面

機械部件之間的摩擦熱量如果長時間積聚，處理不好會產生高溫，形成高溫熱表面，從而成為爆炸環境的潛在點燃源[14]。為了防止高溫熱表面轉變為有效點燃源，主要采取的措施是在設備中加入傳感器，探測即將發生的危險條件，在潛在危險轉變為有效點燃源之前，條件惡化的早期階段就啟動控制措施。此類控制裝置既可以在設備正常運行過程中連續運轉，也可以只用來監測異常工況中臨近危險的過高溫度[17]。由高溫熱表面引起的危險源和預防措施見表3。

表3 防爆通風機主要熱表面點燃源危險辨識

3.3 靜電

當設備上有非金屬部件或者輸送不導電物料時，應當特別注意電荷積蓄產生靜電放電。因此，設備上有非金屬部件時，應合理選材并對非金屬材料進行抗靜電處理，防止電荷積聚[8]。此外，導體尖端的電荷特別密集，尖端附近的電場特別強，易發生尖端放電，葉輪要具備平滑的表面。表4列出了關于可能產生的靜電危險分析及預防措施。

表4 防爆通風機主要靜電放電點燃源危險辨識

4 油氣回收防爆通風機的結構要求

應用于罐頂油氣連通有機氣體回收裝置的風機從0區直接提取爆炸性混合氣，屬于永久性或長期存在爆炸環境，即使在設備很少發生故障的情況下，也必須設定防止點火源的最高安全要求。材料方面，如果內部爆炸，暴露于熱應力和機械應力的部件必須由不含輕金屬或金屬合金的金屬材料制成。結構方面，應在罕見故障下仍具備更高的保護水平，除了以上提到的潛在點燃源和預防措施外，還必須滿足表5中的以下要求。

表5 防爆通風機其他類點燃源危險辨識

圖1 油氣回收防爆風機爆炸測試平臺

由于導致管道上負載增加的條件非常依賴于通風機的幾何形狀和操作條件，無法系統性地評估阻火器的熄滅火焰安全性，因此只能結合特定的通風機來開展0區防爆風機的測試認證，圖1顯示了0區防爆風機爆炸測試的試驗裝置示例。每一次爆炸測試都應在待測風機吸入口和出氣口點燃混合氣，任何入口或出口部分都不允許出現火焰傳播，從而證明該設備符合危險0區防爆標準。

5 結語

防爆通風機除了具備一般通風機所必需的安全性能以外，還必須具有防爆特性。通風機機械部件的防爆特性與電氣部件同等重要，因此，應按照GB 25286.1-2010[19]的相關要求，系統地開展了關于設備整體防爆性能的梳理，通過點燃危險辨識與評估，采取相對應的防護措施和管理方法，最大限度地降低防爆通風機的風險，還提出了應用于油氣回收裝置的0區防爆通風機結構特殊設計和測試方法保障設備安全穩定運行。同時，在國家環保要求日益嚴格的背景下，確保用于潛在爆炸環境下的風機設備安全防爆對設備及其人身安全有重大意義，此類防爆通風機具有非常廣闊的應用前景。