上海燃?xì)馄謻|銷售有限公司 劉春艷

天然氣調(diào)壓站防爆設(shè)計(jì)探討

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文章根據(jù)天然氣爆炸物釋放源的類型，采取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)措施，劃分了調(diào)壓站的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。并根據(jù)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的類型，選擇防爆電氣設(shè)備，設(shè)計(jì)了防爆電氣線路。

天然氣 調(diào)壓站 防爆

0 概述

燃?xì)庹{(diào)壓站是燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中的重要設(shè)施，在燃?xì)廨斉溥^程中燃?xì)獠豢杀苊獾貢墓艿馈㈤y門和法蘭接口等處漏出，與空氣中的氧氣混合后形成爆炸性混合物，如果當(dāng)時(shí)現(xiàn)場有點(diǎn)火源，就會產(chǎn)生爆炸事故的危險(xiǎn)。

工程上采用的防爆安全措施一般分兩類，第一類稱為一次防爆措施，如建筑物的防爆設(shè)計(jì)，通風(fēng)設(shè)施等；第二類稱為二次防爆措施，如選用防爆電氣設(shè)備等。這些措施都需要增加工程的投資，且設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用都高于普通電氣產(chǎn)品費(fèi)用，日常運(yùn)行和維護(hù)難度也比普通電氣設(shè)備難度大。如何在設(shè)計(jì)中正確劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，按級選用防爆電氣設(shè)備，事關(guān)企業(yè)的安全和工程投資的合理性。

本文將以天然氣調(diào)壓站為例，介紹燃?xì)庹{(diào)壓站通風(fēng)措施及防爆電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

由于爆炸性物質(zhì)的物理性質(zhì)、出現(xiàn)的方式、涉及的范圍、存在的概率和持續(xù)的時(shí)間各不相同，發(fā)生爆炸的可能性及危害程度也都不一樣，因此，根據(jù)爆炸性物質(zhì)出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間正確劃定爆炸危險(xiǎn)場所區(qū)域，將有助于對防爆電氣設(shè)備的選型，和采取其他必要的安全技術(shù)措施。

爆炸危險(xiǎn)場所的劃分首先要查找和確定釋放源，根據(jù)釋放源的等級，劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，然后再結(jié)合釋放源所在處的通風(fēng)條件調(diào)整區(qū)域劃分。

1.1 查找和確定釋放源

根據(jù)國家規(guī)范規(guī)定，釋放出爆炸危險(xiǎn)物質(zhì)的可能性大小分為以下四個(gè)級別：

(1)連續(xù)級釋放源是指連續(xù)釋放或短時(shí)頻繁釋放的釋放源。如：燃?xì)庹{(diào)壓站中超壓時(shí)用來釋放燃?xì)獾姆派⒐艿取?/p>

(2)第一級釋放源是指正常運(yùn)行時(shí)周期或偶爾釋放的釋放源。如：設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，會釋放燃?xì)獾恼{(diào)壓器和閥門等的密封處。

(3)第二級釋放源是指在正常運(yùn)行下不會釋放，即使釋放也僅是不經(jīng)常且短時(shí)釋放的釋放源。如：法蘭、連接體和管道接頭；在正常運(yùn)行中不可能向空間釋放燃?xì)獾陌踩y、排氣孔和其他開口處。

(4)多級釋放源由上述兩種或三種級別釋放源組成的釋放源。

1.2 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分是根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時(shí)間確定的，分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。

1.2.1 存在連續(xù)級釋放源的區(qū)域可劃為0區(qū)

0區(qū)是指爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長時(shí)間存在的場所，即在正常情況下，爆炸性氣體混合物，連續(xù)地、短時(shí)間頻繁地出現(xiàn)或長時(shí)間存在的場所。一般情況下，除了封閉的空間，如密閉的容器等內(nèi)部氣體空間外，很少存在0區(qū)場所。

1.2.2 存在第一級釋放源的區(qū)域可劃為1區(qū)

1區(qū)是指在正常運(yùn)行時(shí)，可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場所。

1.2.3 存在第二級釋放源的區(qū)域可劃為2區(qū)。

2區(qū)是指在正常運(yùn)行時(shí)，不可能出現(xiàn)爆炸氣體環(huán)境，如果出現(xiàn)也是偶爾發(fā)生且僅是短時(shí)間存在的場所。然后應(yīng)根據(jù)通風(fēng)條件調(diào)整區(qū)域劃分。當(dāng)通風(fēng)良好時(shí)，應(yīng)降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級；當(dāng)通風(fēng)不良時(shí)應(yīng)提高爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級。燃?xì)庹{(diào)壓場站包括天然氣門站、高中壓調(diào)壓站、進(jìn)出站閥井以及用于實(shí)現(xiàn)燃?xì)庥?jì)量的計(jì)量室。在燃?xì)庹{(diào)壓場站設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用通風(fēng)設(shè)計(jì)，可采取以下通風(fēng)措施：

(1)露天場站。在遠(yuǎn)離居民區(qū)的位置設(shè)計(jì)成露天場站，并采取適當(dāng)?shù)慕翟胍舸胧?。如：金山地區(qū)的天然氣門站。

(2)敞開式建筑物。在建筑物的墻壁和/或屋頂開口，其尺寸和位置保證建筑物內(nèi)部通風(fēng)效果等效于露天場站。如：浦東地區(qū)的世博1號高中壓調(diào)壓站。

(3)非敞開式建筑物。體積大于1.5 m3的調(diào)壓柜，在調(diào)壓柜上蓋設(shè)置不小于上蓋或最大柜壁面積的50%的爆炸泄壓口。建有永久性的開口，使其具有自然通風(fēng)的條件，在柜體上部設(shè)置4%柜底面積的通風(fēng)口。如：浦東地區(qū)高中壓調(diào)壓室。

燃?xì)庹{(diào)壓計(jì)量站的防爆分區(qū)見表1和圖1～3。

表1 天然氣門站、高中壓調(diào)壓站、計(jì)量室防爆分區(qū)

圖1 通風(fēng)良好調(diào)壓室防爆分區(qū)示意

圖2 無人值守燃?xì)庹{(diào)壓室防爆分區(qū)示意

圖3 地下調(diào)壓室和閥室防爆分區(qū)示意

2 防爆電氣設(shè)備的選型

2.1 防爆電氣設(shè)備的選型原則

(1)安全。安全是選用的首要原則，選用防爆電氣設(shè)備須與爆炸場所的區(qū)域等級和爆炸性混合物的級別、組別相適應(yīng)，否則就不能保證安全。

(2)符合法規(guī)。選用防爆電氣設(shè)備必須遵守國家有關(guān)安全法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)環(huán)境適應(yīng)。防爆電氣設(shè)備規(guī)定的環(huán)境條件溫度范圍為：-20～+40℃，溫度過高或過低都需采取特殊的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等措施。

(4)方便維護(hù)。防爆電氣設(shè)備使用期間的維護(hù)和保養(yǎng)是確保安全可靠的重要保證。在相同的功能要求的條件下，選擇結(jié)構(gòu)越簡單越好。此外還須考慮同一工程項(xiàng)目內(nèi)使用防爆電氣設(shè)備的互換性，便于維護(hù)管理。必要時(shí)，還應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行要求，如連續(xù)運(yùn)行的自動化系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用本質(zhì)安全型產(chǎn)品。

(5)經(jīng)濟(jì)合理。選擇防爆電氣設(shè)備，不僅要考慮價(jià)格，還需對設(shè)備的可靠性、壽命、運(yùn)行費(fèi)用、耗能、維修時(shí)的備件等作分析平衡，才能選擇最佳的防爆電氣設(shè)備。

2.2 電氣設(shè)備防爆型式

爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備可根據(jù)區(qū)域類別選型，電氣設(shè)備的防爆型式如表2所示。

表2 電氣設(shè)備防爆型式

3 燃?xì)庹{(diào)壓場站防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以浦東地區(qū)唐鎮(zhèn)高中壓調(diào)壓站為例，介紹燃?xì)飧咧袎赫{(diào)壓站電氣設(shè)備與電路設(shè)計(jì)。唐鎮(zhèn)站位于顧唐路、唐龍路路口，站區(qū)占地30×30 m，建設(shè)規(guī)模為20 000 m3/h，調(diào)壓站設(shè)計(jì)進(jìn)口壓力1.6 MPa，出口壓力0.1 MPa，工況進(jìn)口壓力0.6 MPa，出口壓力0.1 MPa。

3.1 燃?xì)庹{(diào)壓系統(tǒng)中的電氣設(shè)備

燃?xì)庹{(diào)壓系統(tǒng)由進(jìn)口單元A、過濾計(jì)量單元B、調(diào)壓單元C和出口單元D構(gòu)成，如圖4所示。

由于在調(diào)壓柜箱體上采取了通風(fēng)窗和防爆泄壓頂，可以認(rèn)為調(diào)壓柜內(nèi)為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域2區(qū)，調(diào)壓系統(tǒng)中的地下集污池劃分為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域1區(qū)。

圖4 燃?xì)飧咧袎赫{(diào)壓站流程

燃?xì)庹{(diào)壓系統(tǒng)中的電氣設(shè)備主要由顯示監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、燃?xì)庑孤┍O(jiān)測系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、電伴熱裝置、照明系統(tǒng)以及防爆接線箱構(gòu)成。

SCADA系統(tǒng)是對門站、高中壓站的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、測量、設(shè)備控制、參數(shù)調(diào)節(jié)以及報(bào)警功能的系統(tǒng)。主要用于監(jiān)測進(jìn)出口壓力、進(jìn)出口溫度以及過濾器壓差，電氣設(shè)備為進(jìn)出口壓力變送器、進(jìn)出口溫度變送器和過濾器壓差變送器。

燃?xì)庑孤┍O(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測可燃?xì)怏w濃度并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的系統(tǒng)，電氣設(shè)備為點(diǎn)型可燃?xì)怏w探測器。探測器在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號，報(bào)警設(shè)定值為燃?xì)庠诳諝庵?5%爆炸下限。

計(jì)量系統(tǒng)包括用于實(shí)現(xiàn)專門計(jì)量的全套計(jì)量儀表和其他設(shè)備，電氣設(shè)備為體積修正儀。體積修正儀通過讀取工況體積低頻脈沖信號，測量工況壓力和工況溫度，計(jì)算壓縮因子k和修正系數(shù)C，然后計(jì)算得到燃?xì)鈽?biāo)況體積、標(biāo)況流速和工況流速。

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—2006)，調(diào)壓裝置應(yīng)根據(jù)燃?xì)饬髁?、壓力降等工藝條件確定設(shè)置加熱裝置，目的是防止在天然氣調(diào)壓降溫后產(chǎn)生凝析水或可能的水化物。本方案采用了電伴熱裝置，通過在外部使用的伴熱板、伴熱墊和相關(guān)元件，可提高或保持管道及相關(guān)設(shè)備內(nèi)的燃?xì)鉁囟取?/p>

照明系統(tǒng)用于設(shè)備巡視、檢修及數(shù)據(jù)采集時(shí)提供光源，電氣設(shè)備為防爆燈。

3.2 燃?xì)庹{(diào)壓站防爆系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

燃?xì)庹{(diào)壓站防爆系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)為本安系統(tǒng)。本安系統(tǒng)由本安現(xiàn)場設(shè)備、關(guān)聯(lián)設(shè)備(也稱安全柵)和連接電纜三部分組成，如圖5所示。

圖5 本安系統(tǒng)組成

本安電氣設(shè)備包括簡單設(shè)備，如伴熱板、伴熱墊和相關(guān)元件；本安電氣設(shè)備即安裝于現(xiàn)場的本安設(shè)備，如壓力變送器、溫度變送器和壓差變送器等。

關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)是從控制室設(shè)備配置角度考慮，該部分電氣回路必須具備無論系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)還是事故狀態(tài)，均能夠?qū)陌踩珗鏊姆潜景不芈穫鞯轿ｋU(xiǎn)場所的本安設(shè)備的能量抑制在點(diǎn)火極限(最小點(diǎn)燃能量)以下的保護(hù)功能。關(guān)聯(lián)設(shè)備的防爆標(biāo)志等級必須不低于本安現(xiàn)場設(shè)備的防爆標(biāo)志的等級。建議采用隔離型安全柵，以防構(gòu)成本安系統(tǒng)的電路將可能存在的兩個(gè)接地點(diǎn)而產(chǎn)生的地電位差所形成的地電流。

由于連接電纜存在分布電容和分布電感，連接電纜成為儲能元件。當(dāng)它們的儲能達(dá)到爆炸性氣體混合物的最小點(diǎn)燃能量時(shí)，電路一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致點(diǎn)燃的危險(xiǎn)，因此表征連接電纜本安性能的基本參數(shù)是電纜最大允許分布電容Ce和電感Le，其關(guān)系如下：

式中：Ck和Lk分別為電纜單位長度分布電容和電感；L為實(shí)際配線長度。

由于電纜分布電容反比于芯線間距。電纜芯間距離越小，即電纜越細(xì)，電容越大。電纜分布電感正比于電纜芯線間距。電纜分布電感隨電纜尺寸的增大而增大。所以用于本安系統(tǒng)中連接本安現(xiàn)場設(shè)備與安全柵的連接電纜，符合以下條件。

(1)連接電纜規(guī)格：連接電纜為銅芯絞線，且每根芯線的截面積不小于15 mm2。

(2)連接電纜長度的限制：在本安系統(tǒng)中，現(xiàn)場本安儀表和連接電纜同為安全柵的負(fù)載，當(dāng)安全柵與現(xiàn)場本安儀表選定后，也就決定了連接電纜的長度。這也限制了控制室與現(xiàn)場電氣設(shè)備的距離。

本安系統(tǒng)現(xiàn)場布線，從控制室到現(xiàn)場的本安電纜與非本安電纜分別敷設(shè)在各自的匯線槽內(nèi)，中間用隔板分開。從現(xiàn)場接線盒或匯線槽引到本安儀表的電纜敷設(shè)在鋼管內(nèi)。

4 結(jié)語

在燃?xì)飧咧袎赫{(diào)壓站設(shè)計(jì)中，要充分考慮以下幾點(diǎn)：應(yīng)正確劃分爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，合理地按級選用防爆電氣設(shè)備；應(yīng)盡量采用通風(fēng)設(shè)計(jì)，降低防爆等級；既要做到合規(guī)也要做到合理，因地制宜，綜合利用場站，合理布置。

Discussion on Explosion-proof Design of NG Regulation Station

Shanghai Pudong Gas Co., Ltd. Liu Chunyan

This paper discusses the division of explosion danger zone in natural gas station according to the sources of natural gas release and ventilation. On this basis, it describes the explosion-proof equipment selection and electrical circuit design.

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