化工設計中混合氣體環境爆炸危險區域劃分方法探討

王婉露

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

化工生產中有各類危險系數較高的生產裝置， 裝置所用物料一般都會存在火災性、爆炸性的危險因素。 在化工企業的設計中，合理繪制危險區域劃分圖，能夠有效減小危險區域，為后期的設備選型等提供重要的依據。 隨著化工產品的不斷發展，易燃易爆的物質越來越復雜，在實際設計中多為混合性的物質。 在混合性物質的影響下，危險區域劃分的要求也越來越精細，以此保證生產裝置的安全性和經濟性[1]。

2 爆炸性氣體環境危險區域的劃分

2.1 爆炸危險的產生

爆炸危險的產生應同時具備以下兩個條件[2]：（1）存在易燃氣體或易燃液體的蒸氣或薄霧，且其濃度應在爆炸極限內；（2）存在能夠點燃爆炸性混合物的火花、電弧或高溫。

2.2 爆炸性氣體環境危險區域的劃分

在一個工程項目中，大多數設備（如泵、管道、容器、貯罐等）的內部基本都含有易燃易爆性的物料，這些物料均應視為潛在的釋放源，如易燃性氣體或者液體的取樣點、閥門的泄漏點等。 在這些設備中也有部分設備內含有的易燃易爆型物料但不會向周圍投放的，如焊接完全的管道等，則可視為非釋放源。

根據爆炸性氣體混合物出現的頻繁程度和持續時間，可以將爆炸性氣體環境分為以下4 類：（1）0 區：連續或者長期出現爆炸性氣體混合物的環境；（2）1 區：在正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物的環境；（3）2 區：在正常運行時不太可能出現爆炸性氣體混合物的環境， 或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環境；（4）附加2 區：指的是釋放出大量的易燃物并且這些易燃物已經逐步擴散到周圍15 m 以外的環境，應劃分出附加2 區。 還應結合環境的通風條件，當環境的通風條件良好時，可適當降低爆炸危險區域的等級；若通風條件不佳時，應適當提高爆炸危險區域的等級。 在實際的生產中，大多數的情況屬于2 區，根據GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》中的要求，在設計中應盡量采取合理的措施減少1 區的出現。

3 釋放源的定義及劃分

根據GB 50058—2014 《爆炸危險環境電力裝置設計規范》，釋放源的定義為：可釋放出能形成爆炸性混合物的物質所在的部位或地點。

釋放源應按照可燃物質的釋放頻繁程度和持續時間的長短進行劃分，分為3 類：（1）連續釋放源：連續釋放或者預計長期釋放的釋放源。 如油、水分離器等直接與空間接觸的可燃液體表面等。 （2）一級釋放源：正常運行時，預計可能周期性或偶爾釋放的釋放源。 例如，在正常運行時會釋放可燃易爆物質的壓縮機等設備的密封處；正常運行時，會向周圍環境釋放可燃易爆物質的取樣點等。 （3）二級釋放源：在正常運行時，預計不可能釋放，當出現釋放時，僅是偶爾和短期釋放的釋放源。 例如，正常運行時，不能出現釋放可燃易爆物質的壓縮機等設備的密封處，正常運行時，不會釋放可燃易爆物質的法蘭、管道接頭等。

4 爆炸危險區域的劃分

4.1 爆炸危險區域劃分的原則

首先， 應先根據下列的釋放源的不同等級來確定劃分區域：（1）存在連續釋放源的應劃為0 區；（2）存在第一級釋放源的應劃為1 區；（3）存在第二級釋放源的應劃為2 區。

其次， 還應確認爆炸性物質的爆炸上限極限值及爆炸下限極限值、引燃溫度、閃點、比重等物理特性[3]。 爆炸下限值是影響劃分等級的重要條件，在正常工況下，混合物的濃度有可能達到爆炸下限值時，應劃分為1 區；特別的對于存在時間較長或者頻繁出現的，根據規范要求可劃為0 區；只有在不正常工況下偶爾有可能達到爆炸下限濃度的， 根據規范要求可劃為2 區。 除此之外，設備所處環境不同的通風條件也對危險區域的劃分有比較重要的影響。 在較好的通風條件下，在爆炸危險區域內可以讓可燃物質的濃度在較短時間內稀釋到其爆炸下限值的25%以下時，就可以定義為通風良好的環境。

4.2 爆炸性氣體混合物的分級、分組

爆炸性氣體混合物，根據GB/T 3836.1—2021《爆炸性環境 第1 部分：設備 通用要求》，采用IEC 使用的按最大實驗安全間隙（MESG）或最小點燃電流比（MICR）分級，具體詳見《爆炸危險環境電力裝置設計規范》中的內容。 從規范中可看出，從ⅡA 到ⅡC，隨著防爆電氣設備的最大試驗安全間隙和最小點燃電流比的逐級減小，其防爆要求逐級提高。

Ⅱ類電氣設備的溫度組別、 最高表面溫度和氣體或蒸汽引燃溫度之間的關系，滿足GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》中的規定。 引燃溫度是指易燃性物質的氣體或蒸汽與空氣形成的混合物的規定條件下被熱表面引燃的最低溫度。 從該規范中可看出，電氣設備的防爆要求是隨著引燃溫度的逐級降低而逐級提高的。

5 混合性氣體的爆炸危險區域劃分實例分析

5.1 實例1

某項目中的變換裝置， 根據工藝專業提供的危險區域劃分條件可知，在該裝置內的可燃物質是未變換氣，其中主要的可燃介質為氫氣（ⅡCT1）、一氧化碳（ⅡAT1）、硫化氫（ⅡBT3）以及少量的氨氣。 根據規范要求以及一般劃分習慣，劃分結果如圖1 所示（圖中僅為部分裝置的危險區域劃分）。

圖1 危險區域劃分圖（一）（單位：mm）

按照GB 50058—2014 《爆炸危險環境電力裝置設計規范》 計算混合氣體的相對密度。 將混合氣體看作是一個集合體，根據條件，可以算出該混合物相對于空氣的相對密度約為0.6，小于規范中給出的0.8，因此該混合氣體輕于空氣，據此做出來的危險區域劃分圖如圖2 所示（圖中僅為部分裝置的危險區域劃分）。

圖2 危險區域劃分圖（二）（單位：mm）

對比以上兩種方案， 本文認為第二種設計更符合規范的要求，混合氣體作為危險物質時，混合氣體應視為一個整體。第一種方式是將混合氣體中所有成分單獨拿出來作為一個危險物質進行分析，但在實際生產中一旦發生混合氣體泄漏，不可能是單獨的氣體分別往外泄漏。 對比圖1 和圖2 可以看出，圖1 中繪制的危險區域大于圖2 中繪制的危險區域， 對于放置在該裝置周圍的無釋放源的設備，原本選擇普通型即可，在第一種劃分方法中，這些設備被劃入危險區域范圍，使普通型設備變成了防爆型設備，增加了成本，降低了項目的經濟性。

5.2 實例2

某項目中的煤氣化裝置， 根據工藝專業提供的危險區域劃分條件在該裝置內的可燃物質是粗煤氣， 其中包括一氧化碳（ⅡAT1）、氫氣（ⅡCT1）、二氧化碳、水蒸氣以及少量的硫化氫（ⅡBT3）和硫化碳。根據規范及一般劃分的習慣做出的圖如圖3 所示（圖中僅為部分裝置的危險區域劃分）。

圖3 實例2 危險區域劃分圖（一）（單位：mm）

同樣， 若將混合氣體看作是一個集合體， 按照GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》可以算出該混合物相對于空氣的相對密度約為0.82， 在規范的修訂說明中說明對于相對密度在0.8～1.2 的氣體或者蒸汽，可以視為相對密度比空氣重的物質， 據此制作的危險區域劃分圖如圖4所示（圖中僅為部分裝置的危險區域劃分）。

圖4 實例2 危險區域劃分圖（二）（單位：mm）

對比圖3 與圖4 可以發現，圖4 中沒有4.5 m 范圍的防爆區域， 整個裝置的防爆區域只是一個15 m 范圍的防爆區域，相對于圖3，圖4 降低了設備的防爆等級。

通過以上兩個實例分析，當易燃物質是混合氣體時，應將其視為一個整體， 通過危險區域劃分條件中各種易燃物質在整個混合物質中所占的百分比計算出整個混合氣體相對于空氣的相對密度， 根據規范的要求來判斷其相對密度是否重于空氣，最終完成了危險區域劃分圖的繪制，這樣可以降低設備的防爆等級， 節約成本。 在工藝專業提出危險區域劃分條件時，若有易燃物質是混合氣體，應盡量要求工藝專業標明在混合氣體中各主要易燃物質的摩爾百分比， 這樣才能計算出混合物質相對于空氣的密度。 同時明確主要易燃物質的爆炸極限，若一種易燃物質在混合物中的百分比含量不高，遠達不到該物質的爆炸極限，則可以不作為危險介質。

6 結語

綜上所述，在劃分混合性氣體危險區域時，需知道爆炸性氣體在整個混合性氣體中的摩爾百分比。 為了提高項目的經濟性，可以根據混合性氣體相對空氣的密度劃分；若遇到部分混合性氣體無法給出主要易燃易爆物質的摩爾百分比， 只能分析每個易燃物質的防爆等級， 將每個易燃物質單獨地看作是危險物質。 通過計算混合氣體的相對密度繪制出的危險區域劃分圖，相較于將每一種物質均視為危險介質而言，可能會出現降低其防爆等級的情況，從后期的設備選型等方面來看，提高了項目的經濟性。