排水工程中氣體防爆設計的探討

王萍

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

排水工程包含污水和雨水工程，對雨污水進行收集、輸送、處理、再生或處置。排水工程中厭氧環境很多，雨污水中富含有機物質，這些有機物質在厭氧環境下會分解，分解后的產物里含有硫化氫（H2S）、甲烷（CH4）等氣體。污泥在厭氧消化時有機物分解會產生污泥氣，也稱作沼氣。污泥氣中含量最多的是甲烷（CH4），其次是二氧化碳，并有少量的硫化氫（H2S）等。硫化氫（H2S）、甲烷（CH4）均為可燃氣體，在特定條件下有爆炸危險。2020年7月11日晚，遼寧省阜新市氟產業開發區污水處理廠水解酸化車間發生爆炸[1]，就是可燃氣體所致。

排水工程要做好氣體防爆設計，首先需要了解有關爆炸的基本概念。氣體爆炸的基本條件包括：（1）必須有易燃氣體（或蒸氣）存在。（2）氣體（或蒸氣）與空氣或氧氣混合，濃度在燃燒下限和上限范圍內，產生易燃或可引燃混合物。（3）混合物必須被引燃。上述簡稱“爆炸三要素”。做好防爆設計，就是采取適當的技術措施，讓爆炸三要素不同時成立，從而避免爆炸的發生，并且技術措施應力求既合規、安全，又經濟合理。

排水工程中的氣體防爆設計一般按如下步驟進行：易燃易爆物質確定、第一次預防措施、釋放源確定、危險區域劃分、爆炸性環境的設計。

1 易燃易爆物質確定

作為設計人員，首先需要了解工程中相關氣體的物質特性，是否有易燃易爆氣體（或蒸氣）存在。氣體的物質特性可以參照國標GB/T 3836.11—2017[2]，該標準給出了氣體（或蒸氣）的分類原則、分類方法、試驗方法，同時給出了常見可燃性氣體（或蒸氣）的物質特性參數。表1為排水工程中部分常見易燃氣體的特征參數，供設計人員參考。

表1 排水工程中常見易燃氣體的特征參數

2 第一次預防措施

當確定工程中具有易燃易爆氣體存在時，首先應該采取“第一次預防措施”。“第一次預防措施”指優化工藝流程及布置，或采取通風措施，最大限度地避免、減少、限制爆炸三要素同時出現。

2.1 工藝流程及布置方面的措施

（1）在工藝流程比選時，宜選用壓力較低和溫度較低的方案。

（2）宜用密閉的容器限制可燃物質。

（3）在進行工藝布置時，充分考慮把爆炸危險區域的范圍限制到最小；用廠房或界區分隔不同等級的爆炸危險區域或危險區與非危險區。

（4）以氮氣或其他惰性氣體覆蓋設備。

（5）宜采取安全連鎖。例如在可燃氣體容易積聚的地點，應設置在線氣體測量儀器，當氣體（或蒸氣）濃度接近預設值（一般不超過燃燒下限值的50%），應該能夠確保發出報警和聯動信號或可靠地切斷電源。

（6）聚合反應時，在有可能發生事故時采取加入阻聚劑等化學藥品的方法，防止爆聚現象。

2.2 通風措施

（1）直接露天布置工藝裝置，或采取開敞式方式布置。

（2）設置機械通風裝置。

（3）向爆炸危險環境內部分室內場所（例如控制室）通風維持正壓，防止可燃氣體進入，形成正壓室。注意維持正壓的通風口要在安全場所取風。

3 釋放源確定

在采取了“第一次預防措施”之后，需要檢視和確定釋放源。如果工程雖然涉及可燃氣體，但是不存在釋放源，就無須劃分爆炸危險區域。例如遠離閥門的沼氣輸送主干管部分，雖然輸送的是可燃氣體，但是管道密封沒有釋放源，無須劃分爆炸危險區域。

如果檢視下來存在釋放源，就一定要判定釋放源的級別。釋放源的級別根據可燃氣體（或蒸氣）釋放的頻數和持續釋放的時間長短來進行分類，一般分成3種：級別最危險的是連續級釋放源，其次是一級釋放源，再次是二級釋放源。

4 危險區域劃分

氣體爆炸危險區域的分區（Zone）有0級、1級、2級。但凡存在釋放源的工程，都要進行爆炸危險區域劃分。危險區域的范圍需要從釋放源的危險級別、危險源的釋放速率、該區域的通風情況和安全連鎖措施等方面考慮。

在工程設計時，一般應繪制爆炸危險區域劃分圖，用不同的圖例標識出各級危險區域的平面范圍和立面范圍。這是做好防爆設計的關鍵步驟。然而，在區域劃分時經常有一些誤區。

誤區一：爆炸危險區域劃分只是電氣專業的事。由于沒有排水行業防爆設計標準，目前設計人員參閱的主要是《爆炸危險環境電力裝置設計規范》（GB 50058—2014）[3]（以下簡稱“GB 50058”），有些設計人員只看標準名稱，就以為防爆只是電氣專業的事，與其他專業無關。實際上防爆設計是個系統工程，與每一個專業都有關系，在確定爆炸危險區域時，應該召開各專業的評審會議，細致討論，有時門窗稍作調整，就可以大幅減少危險區域。

誤區二：爆炸危險區域電氣裝置要采用防爆型，其他機械設備沒關系。實際上，很多機械裝置在運轉過程中也會產生點燃能量，需要采用符合危險場所要求的防爆設備。

誤區三：有了爆炸危險區域劃分圖，在非劃分區域焊接、吸煙、明火都是安全的。雖然GB 50058對場所分類的目的在于電氣裝置的選擇、設計和安裝，非危險區域可以使用非防爆結構的電氣裝置，但是不能以爆炸危險區域范圍作為能不能使用明火（或其他火源）的依據。因為其他火源與電氣設備還是有區別的。在爆炸危險區域范圍內及其周邊都應該制定并嚴格執行動火管理制度。

劃分危險區域之后，工程設計需要采取對應的安全措施，且安全措施必須與危險區域的等級相適應。

5 排水工程中常見的氣體爆炸性環境

排水工程中常見的氣體爆炸危險區域主要有下列場所。

（1）可能泄漏污泥氣的場所，如污泥氣貯罐、污泥氣壓縮機房、污泥氣閥門控制間、污泥氣管道層等（參見GB 50014—2021[4]第8.3.18條），污泥消化池、沼氣柜、沼氣過濾間、沼氣火炬（參見CJJ/T 120—2018[5]第3.2.3條文說明）。

（2）甲醇儲罐及投加設備間（參見CJJ/T 120—2018第3.2.1條文說明）。

當然，標準中列出的僅是典型場所，具體工程還應根據實際情況予以判定。

另外，按照規范要求，污水處理廠內的制氧站、氨庫、高濃度二氧化氯制備場所也應參照爆炸危險區域要求進行設計（參見CJJ/T 120—2018第3.2.3條文說明）。

6 關于排水工程中部分場所氣體防爆措施的探討

雨水調蓄工程在防洪排澇中起著重要作用，很多雨水調蓄設施與綠地、廣場等空間結合，暴雨積水期間起到調蓄作用，其余時間作為景觀休閑場所。目前很多城市都在大規模地建設雨水調蓄工程，提高城市防洪防澇系統的韌性。雨水在密閉空間中儲存一定時間后,在厭氧環境下也會生成硫化氫（H2S）、甲烷（CH4）等可燃氣體。那調蓄池的氣體防爆設計該如何考慮呢?

《城鎮雨水調蓄工程技術規范》（GB 51174—2017）[6]（以下簡稱“GB 51174”）第4.4.22條規定：“調蓄池可能出現可燃氣體的區域,應采取防爆措施。”請注意，這里的用詞是“可燃氣體”，而非“爆炸性氣體混合物”。甲烷、硫化氫都是可燃氣體，按條文的字面意思，只要是可能出現甲烷、硫化氫的區域，都應采取防爆措施。GB 50058要求可能存在爆炸性氣體混合物區域時，應開展電氣防爆設計。如果把GB 51174中提到的“防爆措施”理解為GB 50058中規定的電氣防爆設計要求，那GB 51174的要求比其他規范高多了。

但是“防爆措施”這一詞語在各規范的術語解釋中均不曾涉及，也就是規范中并沒有明確定義，因而設計人員也見仁見智。GB 51174第4.4.22條的條文解釋提到了防爆措施的具體做法。“（3）調蓄池的透氣井設置在工作區域內,工作區域設置防火標志，以避免明火接觸池內產生的可燃氣體,造成爆炸。”強調運行管理措施，避免明火。“（2）防止爆炸性氣體混合物的形成或減小爆炸性氣體混合物的濃度和滯留時間。如采用可靠有效的機械通風裝置,確保爆炸性氣體混合物的濃度在爆炸下限值以下。”強調“第一次預防措施”，采取安全連鎖措施，將氣體濃度控制在爆炸下限之內。這兩個措施都比較好理解。“（1）采取電氣防爆和其他措施,確保爆炸性氣體混合物的區域內不產生或出現足以點燃可燃氣體混合物的火花、電弧或高溫。”設計人員對這條說明的解讀分歧比較大。部分設計人員認為根據這條規范，調蓄池內可能出現可燃氣體的區域就應進行爆炸性氣體環境的電力裝置設計。當然，這個要求明顯高于GB 50058，而且實際工程中部分電動的工藝機械設備市面上較難采購到相應防爆結構的產品，設計了工程施工也比較麻煩。

筆者經歷了多個調蓄池的設計、施工、調試，對調蓄池的運維也進行了較長時間的跟蹤，總結下來我們對GB 51174第4.4.22條的解讀不能只是簡單看字面意思，而是應該貼合工程實際，既重視工程合規性，滿足安全要求，又要考量工程建設和運維的經濟合理性。當工程采取了條文說明中（2）建議的“第一次預防措施”之后，已經確保了調蓄池可燃氣體濃度控制在爆炸下限之內。空氣中的可燃氣體（或蒸汽）的濃度低于爆炸下限，則氣體環境就不會產生爆炸。也就是說，當采取了“第一次預防措施”之后，調蓄池不存在條文說明中（1）所說的爆炸性氣體混合物的區域，因而無須進行爆炸性氣體環境的電力裝置設計，從合規性角度看，已經滿足了GB 51174的要求。

例如，某工程調蓄池配置了甲烷、硫化氫、氨氣氣體測定儀。報警值一般按2級或3級設置，分別為預報、警報、高報。甲烷氣體測定儀預報值為10%LEL，預報聯動開啟通風風機，值班人員應及時到現場巡檢確認；警報值可為25%LEL，警報值班人員應采取應急安全處理措施。采取應急安全處理措施后，如果甲烷氣體濃度繼續上升至高報值50%LEL時，則聯動強切除風機及照明之外所有用電設備的電源。硫化氫和氨氣均為有毒可燃氣體，爆炸性有毒氣體的報警值一般以毒性的要求設定[7]。GBZ 2.1[8]所規定的硫化氫（H2S）MAC為10 mg/m3（最高容許濃度，約等于6.6×106）。硫化氫預報值可為MAC的1/2，聯動開啟通風風機，值班人員應及時到現場巡檢確認；警報值可為MAC，值班人員應采取應急安全處理措施。硫化氫氣體LEL（爆炸下限）系4%（也有規范為4.3%，這里取保守值），即40 000×106，遠遠高于MAC，說明以毒性的要求設定是合理的。GBZ 2.1所規定氨的PC-STEL（短時間接觸容許濃度）為30 mg/m3，約39.529×106，遠遠低于爆炸下限（LEL）15%。氨的預報值可為PC-STEL的1/2，聯動開啟通風風機，值班人員應及時到現場巡檢確認。可采用PC-STEL作為警報值，值班人員應采取應急安全處理措施。在采取上述“第一次預防措施”之后，確保了調蓄池可燃氣體濃度控制在爆炸下限之內，該調蓄池不進行爆炸危險區域劃分。同時為了提高安全保障，甲烷、硫化氫、氨氣氣體測定儀均采用了冗余配置，并且氣體測定儀的供電負荷等級按照一級負荷中特別重要的負荷，采用UPS供電。考慮到風機和照明在事故狀態下也需要繼續工作，該調蓄池的風機、燈具均采用隔爆型，風機配電裝置和照明配電裝置均按爆炸危險區域進行電氣設計。需要說明的是，這里風機、照明的防爆設計屬于設計人員人為提高設計標準，用較少的費用進一步提高安全系數，并非基于爆炸危險區域的劃分。

7 結 語

排水工程中氣體防爆設計非常重要，把它做好是工程建設和運行安全的前提。但是也不能一看到可燃氣體，就不分青紅皂白，按照最嚴格的防爆措施來設計，這樣既造成工程浪費，又給運行維護增加額外負擔。工程設計是個系統工程，設計人員需要針對具體情況進行分析判斷，力求設計合規、安全、經濟合理。