發(fā)表時(shí)間： 2023-04-17 19:31:34
作者： 萬(wàn)收蘭 (中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司)
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摘要：文中提出了煉油化工裝置爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分及防爆電氣設(shè)備選型設(shè)計(jì)中的幾個(gè)瓶頸問(wèn)題，對(duì)比了國(guó)內(nèi)和國(guó)外不同體系標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，指出國(guó)標(biāo)中由于相關(guān)內(nèi)容的籠統(tǒng)規(guī)定及由此帶來(lái)在工程設(shè)計(jì)中執(zhí)行的不明確性及設(shè)備選型時(shí)的困擾，進(jìn)而對(duì)比北美標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定，由其設(shè)備工藝參數(shù)數(shù)值上的明確界定著手，分析了這些規(guī)定在理論上的相容相通性。并調(diào)研國(guó)內(nèi)已運(yùn)行多年的裝置的做法及實(shí)際運(yùn)行情況,得出設(shè)計(jì)中可參考API或NFPA系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定來(lái)明確是否劃分危險(xiǎn)區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域范圍及防爆設(shè)備選型等相關(guān)結(jié)論，可用于指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：煉化裝置 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域 附加2區(qū) 熱油單元 ⅢB類(lèi)液體 閃點(diǎn) 最高允許表面溫度 粉塵厚度
煉化裝置爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分及設(shè)備防爆選型，通常依據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB/T 3836《爆炸性氣體環(huán)境》系列和GB 12476《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備》系列規(guī)范。這些規(guī)范在多年來(lái)的升版更新中，大部分內(nèi)容是修改采用或等同采用IEC規(guī)范。這使工程設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造的通用性和國(guó)際化有了方便可靠的準(zhǔn)則和依據(jù)。但國(guó)標(biāo)也有一些不盡完善之處，比如有關(guān)附加2區(qū)劃分，國(guó)標(biāo)中對(duì)此相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定只是很籠統(tǒng)的一句話，并未針對(duì)介質(zhì)的壓力、流量、容積等工藝參數(shù)做明確的分區(qū)進(jìn)而確定劃多大范圍。因此在工程設(shè)計(jì)中還會(huì)參考NFPA和API的相關(guān)規(guī)定。
1、煉化裝置爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分
石化行業(yè)的各類(lèi)生產(chǎn)裝置，在多年來(lái)的工程設(shè)計(jì)中，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分遇到一些因國(guó)標(biāo)規(guī)范規(guī)定不明確、難執(zhí)行、工藝裝置專(zhuān)利商要求不同而按不同規(guī)則執(zhí)行等問(wèn)題，給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困擾。
1.1 爆炸性氣體環(huán)境劃分附加2區(qū)的問(wèn)題
GB 50058—2014中有關(guān)附加2區(qū)劃分的規(guī)定為3.3.1條第3款，原條文規(guī)定:當(dāng)高揮發(fā)性液體可能大量釋放并擴(kuò)散到15 m以外時(shí)，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的范圍應(yīng)劃分為附加2區(qū)[1]。國(guó)標(biāo)里只是這么一句簡(jiǎn)單的規(guī)定，并沒(méi)有從工藝參數(shù)的上給出明確的界定，多年來(lái)，就是否劃分附加2區(qū)一直存在分歧，工程設(shè)計(jì)中很不方便執(zhí)行。對(duì)此問(wèn)題，GB 50058—2014有可參考圖例如圖1所示，此圖和API 505—2018的圖21完全相同。
圖1 劃分附加2區(qū)的圖例
API 505—2018中對(duì)此有一些工藝參數(shù)可參考，根據(jù)API 505—2018規(guī)范中Figure.D.2的溫度-壓力關(guān)系曲線圖[2]，將物料按其揮發(fā)性強(qiáng)弱分為4類(lèi)。根據(jù)數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，第1類(lèi)對(duì)應(yīng)于GB 50058—2014中的高揮發(fā)性液體[1]3。按該圖，在大量釋放(釋放速率為0.19～0.38 m3/min)的情況下，高揮發(fā)性液體會(huì)按30 m的半徑劃分危險(xiǎn)區(qū)域，具體還需根據(jù)具體工藝設(shè)備的壓力和容積參數(shù)共同確定。表1為API 505—2018中規(guī)定的非封閉場(chǎng)所、有良好通風(fēng)、處理比空氣重氣體的標(biāo)準(zhǔn)泵為釋放源設(shè)備時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域劃分半徑 [2]153，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)泵類(lèi)設(shè)備，揮發(fā)性為1類(lèi)的介質(zhì)在高壓力(大于3.4 MPa)的情況下，其流量為中流量(0.38～1.90 m3/min)或高流量(大于1.90 m3/min)時(shí)，需要按30.5 m的半徑劃2區(qū)。確定了30.5 m的半徑，具體劃分圖參考規(guī)范后面的圖D.3確定其空間高度。依此畫(huà)出來(lái)的圖形就是API 505—2018的圖21。
表1 危險(xiǎn)區(qū)域劃分半徑規(guī)定
注：低壓力(≤689.5 kPa),中壓力(689.5～3 447.5 kPa),高壓力(≥3 447.5 kPa)。
這些工藝參數(shù)在NFPA 497—2021中也有明確界定，當(dāng)滿足大容積和高流量時(shí)，在中壓力或高壓力情況下，都需按半徑30.48 m劃分危險(xiǎn)區(qū)[3]。
因此，對(duì)是否劃分附加2區(qū)，API 505—2018和NFPA 497—2021用于界定的工藝參數(shù)及其畫(huà)出的圖例都是相同的。
1.2 聚烯烴裝置擠壓機(jī)熱油單元是否劃分氣體爆炸危險(xiǎn)區(qū)的問(wèn)題
聚烯烴裝置中用來(lái)加熱的熱油，其閃點(diǎn)一般為160～200 ℃，引燃溫度一般為300～450 ℃[4]，工作溫度比引燃溫度低幾十?dāng)z氏度。熱油系統(tǒng)中的法蘭和閥門(mén)作為可能泄漏的釋放點(diǎn)，依據(jù) GB 50058—2014第3.3.1條第4款規(guī)定，需劃為氣體爆炸危險(xiǎn)區(qū)。原文規(guī)定：當(dāng)可燃液體閃點(diǎn)高于或等于60 ℃時(shí)，在物料操作溫度高于可燃液體閃點(diǎn)的情況下，可燃液體可能泄漏時(shí)，其爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的范圍宜適當(dāng)縮小，但不宜小于4.5 m[1]12。
國(guó)內(nèi)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需遵從國(guó)標(biāo)規(guī)范規(guī)定，何況是有關(guān)安全的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分問(wèn)題。當(dāng)確定劃分危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，對(duì)處在此危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的熱油加熱器，要求必須為防爆設(shè)備，其防爆等級(jí)和溫度組別須滿足所在區(qū)域介質(zhì)的危險(xiǎn)級(jí)別。但是當(dāng)采用歐洲生產(chǎn)的熱油單元時(shí)，其成套的電加熱器通常采用ATEX防爆認(rèn)證，ATEX認(rèn)證時(shí)對(duì)電加熱器溫度組別是按電加熱器的工作溫度認(rèn)證，而并不是按其暴露在空氣中的設(shè)備表面溫度認(rèn)證。這就導(dǎo)致其設(shè)備溫度組別認(rèn)證為T(mén)1。防爆認(rèn)證溫度組別為T(mén)1的設(shè)備，說(shuō)明其允許最高表面溫度可以達(dá)到450 ℃，高于熱油的引燃溫度。為了使設(shè)計(jì)和設(shè)備選型合理，熱油單元成套廠商又要求用戶使用引燃溫度高于 450 ℃的熱油。但有的用戶不同意使用引燃溫度太高的熱油，項(xiàng)目實(shí)施中經(jīng)常會(huì)因此問(wèn)題多次討論確認(rèn)，耗費(fèi)很多時(shí)間精力。
另一方面，在做過(guò)或在做的一些工程項(xiàng)目中，如果業(yè)主為北美企業(yè)，或工藝裝置為北美的專(zhuān)利商，業(yè)主或?qū)＠虝?huì)要求熱油單元不劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)。不劃的理由是NFPA或API規(guī)定。以NFPA的規(guī)定闡述說(shuō)明，按NFPA 30—2021，熱油依據(jù)其閃點(diǎn)被歸類(lèi)為ⅢB類(lèi)可燃液體[5]。NFPA 497—2021的4.2.7.3條規(guī)定Ⅲ B類(lèi)液體當(dāng)加熱時(shí)很少會(huì)汽化為足夠數(shù)量的可燃?xì)怏w而在空氣中形成可燃混合氣。通過(guò)正確的安裝及有目的維護(hù)電氣設(shè)備，熱油幾乎不會(huì)被點(diǎn)燃。當(dāng)ⅢB類(lèi)液體泄漏出來(lái)后，會(huì)很快冷卻到其閃點(diǎn)之下，因此幾乎不需要考慮劃分為爆炸危險(xiǎn)區(qū)。
針對(duì)熱油系統(tǒng)的實(shí)際情況，由于要實(shí)現(xiàn)加熱的目的，正常工作時(shí)，熱油處在爐體和管道組成的封閉系統(tǒng)中，法蘭及閥門(mén)等可能泄漏處有很?chē)?yán)格的密封措施，泄漏的可能性很小，考慮保溫以達(dá)到所需的工作溫度，熱油加熱器從設(shè)計(jì)制造上要保證整個(gè)系統(tǒng)要能保持所需要的工作溫度而不能有較大的熱損失，意味著即使有泄漏的情況出現(xiàn)，也不會(huì)是快速地大量的泄漏，少量泄漏出來(lái)的物料會(huì)很快冷卻到其閃點(diǎn)之下，所以不劃危險(xiǎn)區(qū)實(shí)際上是沒(méi)有問(wèn)題的。這也就是國(guó)內(nèi)外在有部分項(xiàng)目對(duì)熱油不劃危險(xiǎn)區(qū)，但幾十年來(lái)依然能安全運(yùn)行的原因。
另外通過(guò)分析熱油加熱器實(shí)際制造及設(shè)計(jì)圖紙，可以分析其實(shí)際表面溫度。圖2為某工程項(xiàng)目熱油加熱器的設(shè)計(jì)圖紙的一小部分，從圖2可以看出，電加熱器的主要加熱元件(圖中法蘭盤(pán)右邊的部分)是泡在熱油里的，包裹著熱油的還有很厚的爐體外殼及外面的絕緣保溫層。因此熱油加熱器暴露在空氣中的只有圖中法蘭盤(pán)左邊的部分，主要是電源接線盒，還有一段過(guò)渡段。現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這部分表面溫度，只有幾十?dāng)z氏度。因此把電加熱器的溫度組別按其工作溫度認(rèn)證為T(mén)1是不準(zhǔn)確的。
圖2 某工程項(xiàng)目熱油加熱器的部分設(shè)計(jì)圖紙
1.3 粉塵場(chǎng)所防爆電氣設(shè)備的表面最高溫度確定
煉化行業(yè)聚烯烴裝置中的爆炸性粉塵通常為聚乙烯或聚丙烯粉塵及添加劑粉塵，添加劑粉塵通常為硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、抗氧化劑等。這些粉塵都是可燃性粉塵。其各種粉塵的引燃溫度如表2所示。
表2 聚烯烴裝置常用的粉塵物料及其引燃溫度
對(duì)于聚乙烯或聚丙烯粉塵區(qū)域，其物料引燃溫度比較高，5 mm厚粉塵層的狀態(tài)下就會(huì)熔融。確定電氣設(shè)備表面溫度組別時(shí)，按國(guó)標(biāo)GB/T 3836.15—2017《爆炸性環(huán)境 第15部分：電氣裝置的設(shè)計(jì)、選型和安裝》規(guī)定，用粉塵云的引燃溫度乘2/3的值確定設(shè)備表面溫度就行。
對(duì)于添加劑粉塵，按GB 50058—2014規(guī)定以廠房為區(qū)域做粉塵劃分，主要添加劑粉塵介質(zhì)的引燃溫度如表2所示，考慮到粉塵積聚為粉塵層后引燃溫度會(huì)下降，因此需要用介質(zhì)中5 mm厚粉塵層最低引燃溫度減去75 ℃后的值，或用 GB/T 3836.15—2017中的圖例所示粉塵層厚度與引燃溫度關(guān)系曲線圖[6]，如圖3所示，對(duì)照出來(lái)粉塵層的引燃溫度，兩者取較低值來(lái)要求設(shè)備的溫度組別。綜合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及添加劑物料特性，第二種方法即曲線對(duì)照取值法通常是更嚴(yán)格的確定方法。該方法考慮比較嚴(yán)重的積聚情況，在圖中取10 mm厚度處，物料最低引燃溫度按在250～320 ℃之間，為圖中最下面的曲線，其在 10 mm 粉塵層的引燃溫度為145 ℃左右。因此一般對(duì)設(shè)備溫度組別按135 ℃要求。
圖3 最高允許表面溫度與粉塵層厚度關(guān)系曲線
實(shí)際生產(chǎn)中，各企業(yè)都有嚴(yán)格的粉塵清掃管規(guī)定，以防止粉塵積聚，粉塵層都不會(huì)積聚到 10 mm 的厚度，因此根據(jù)此方法得到的設(shè)備表面最高溫度是一個(gè)足夠安全的值。
2、結(jié) 論
(1)國(guó)標(biāo)里對(duì)劃分爆炸性氣體危險(xiǎn)區(qū)只有一句定性的說(shuō)明，對(duì)于工程項(xiàng)目中是否劃分，可參考NFPA 497或API 505中根據(jù)介質(zhì)的工藝參數(shù)判斷確定。
(2)多年來(lái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及對(duì)國(guó)內(nèi)外已建成裝置幾十年的運(yùn)行情況跟蹤確認(rèn)，熱油單元可不劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)。
(3)爆炸性粉塵場(chǎng)所電氣設(shè)備的溫度組別，在混合性粉塵介質(zhì)情況下，須按其中介質(zhì)最低引燃溫度和是否可能積聚粉塵層的可能性，要求設(shè)備最高允許表面溫度。
(4)不管?chē)?guó)標(biāo)、IEC，NFPA還是API的相關(guān)規(guī)定，都不能做到全面，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)規(guī)范的有些規(guī)定不宜生搬硬套，可根據(jù)實(shí)際情況及工程經(jīng)驗(yàn)做適當(dāng)調(diào)整。
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[6] 全國(guó)防爆電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).爆炸性環(huán)境:第15部分電氣裝置的設(shè)計(jì)、選型和安裝：GB/T 3836.15—2017[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017:15.
