排水工程中氣體防爆設(shè)計的探討

王萍

[上海市政工程設(shè)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(huán)境很多，雨污水中富含有機物質(zhì)，這些有機物質(zhì)在厭氧環(huán)境下會分解，分解后的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)污水處理廠水解酸化車間發(fā)生爆炸[1]，就是可燃氣體所致。

排水工程要做好氣體防爆設(shè)計，首先需要了解有關(guān)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(nèi)，產(chǎn)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(shè)計，就是采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，讓爆炸三要素不同時成立，從而避免爆炸的發(fā)生，并且技術(shù)措施應(yīng)力求既合規(guī)、安全，又經(jīng)濟合理。

排水工程中的氣體防爆設(shè)計一般按如下步驟進行：易燃易爆物質(zhì)確定、第一次預(yù)防措施、釋放源確定、危險區(qū)域劃分、爆炸性環(huán)境的設(shè)計。

1 易燃易爆物質(zhì)確定

作為設(shè)計人員，首先需要了解工程中相關(guān)氣體的物質(zhì)特性，是否有易燃易爆氣體（或蒸氣）存在。氣體的物質(zhì)特性可以參照國標(biāo)GB/T 3836.11—2017[2]，該標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)特性參數(shù)。表1為排水工程中部分常見易燃氣體的特征參數(shù)，供設(shè)計人員參考。

表1 排水工程中常見易燃氣體的特征參數(shù)

2 第一次預(yù)防措施

當(dāng)確定工程中具有易燃易爆氣體存在時，首先應(yīng)該采取“第一次預(yù)防措施”?！暗谝淮晤A(yù)防措施”指優(yōu)化工藝流程及布置，或采取通風(fēng)措施，最大限度地避免、減少、限制爆炸三要素同時出現(xiàn)。

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(zhì)。

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

（4）以氮氣或其他惰性氣體覆蓋設(shè)備。

（5）宜采取安全連鎖。例如在可燃氣體容易積聚的地點，應(yīng)設(shè)置在線氣體測量儀器，當(dāng)氣體（或蒸氣）濃度接近預(yù)設(shè)值（一般不超過燃燒下限值的50%），應(yīng)該能夠確保發(fā)出報警和聯(lián)動信號或可靠地切斷電源。

（6）聚合反應(yīng)時，在有可能發(fā)生事故時采取加入阻聚劑等化學(xué)藥品的方法，防止爆聚現(xiàn)象。

2.2 通風(fēng)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(shè)置機械通風(fēng)裝置。

（3）向爆炸危險環(huán)境內(nèi)部分室內(nèi)場所（例如控制室）通風(fēng)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(fēng)口要在安全場所取風(fēng)。

3 釋放源確定

在采取了“第一次預(yù)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(qū)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(qū)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(jù)可燃氣體（或蒸氣）釋放的頻數(shù)和持續(xù)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(xù)級釋放源，其次是一級釋放源，再次是二級釋放源。

4 危險區(qū)域劃分

氣體爆炸危險區(qū)域的分區(qū)（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(qū)域劃分。危險區(qū)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(qū)域的通風(fēng)情況和安全連鎖措施等方面考慮。

在工程設(shè)計時，一般應(yīng)繪制爆炸危險區(qū)域劃分圖，用不同的圖例標(biāo)識出各級危險區(qū)域的平面范圍和立面范圍。這是做好防爆設(shè)計的關(guān)鍵步驟。然而，在區(qū)域劃分時經(jīng)常有一些誤區(qū)。

誤區(qū)一：爆炸危險區(qū)域劃分只是電氣專業(yè)的事。由于沒有排水行業(yè)防爆設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，目前設(shè)計人員參閱的主要是《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》（GB 50058—2014）[3]（以下簡稱“GB 50058”），有些設(shè)計人員只看標(biāo)準(zhǔn)名稱，就以為防爆只是電氣專業(yè)的事，與其他專業(yè)無關(guān)。實際上防爆設(shè)計是個系統(tǒng)工程，與每一個專業(yè)都有關(guān)系，在確定爆炸危險區(qū)域時，應(yīng)該召開各專業(yè)的評審會議，細致討論，有時門窗稍作調(diào)整，就可以大幅減少危險區(qū)域。

誤區(qū)二：爆炸危險區(qū)域電氣裝置要采用防爆型，其他機械設(shè)備沒關(guān)系。實際上，很多機械裝置在運轉(zhuǎn)過程中也會產(chǎn)生點燃能量，需要采用符合危險場所要求的防爆設(shè)備。

誤區(qū)三：有了爆炸危險區(qū)域劃分圖，在非劃分區(qū)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(shè)計和安裝，非危險區(qū)域可以使用非防爆結(jié)構(gòu)的電氣裝置，但是不能以爆炸危險區(qū)域范圍作為能不能使用明火（或其他火源）的依據(jù)。因為其他火源與電氣設(shè)備還是有區(qū)別的。在爆炸危險區(qū)域范圍內(nèi)及其周邊都應(yīng)該制定并嚴(yán)格執(zhí)行動火管理制度。

劃分危險區(qū)域之后，工程設(shè)計需要采取對應(yīng)的安全措施，且安全措施必須與危險區(qū)域的等級相適應(yīng)。

5 排水工程中常見的氣體爆炸性環(huán)境

排水工程中常見的氣體爆炸危險區(qū)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(shè)備間（參見CJJ/T 120—2018第3.2.1條文說明）。

當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)中列出的僅是典型場所，具體工程還應(yīng)根據(jù)實際情況予以判定。

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

6 關(guān)于排水工程中部分場所氣體防爆措施的探討

雨水調(diào)蓄工程在防洪排澇中起著重要作用，很多雨水調(diào)蓄設(shè)施與綠地、廣場等空間結(jié)合，暴雨積水期間起到調(diào)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(guī)模地建設(shè)雨水調(diào)蓄工程，提高城市防洪防澇系統(tǒng)的韌性。雨水在密閉空間中儲存一定時間后,在厭氧環(huán)境下也會生成硫化氫（H2S）、甲烷（CH4）等可燃氣體。那調(diào)蓄池的氣體防爆設(shè)計該如何考慮呢?

《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174—2017）[6]（以下簡稱“GB 51174”）第4.4.22條規(guī)定：“調(diào)蓄池可能出現(xiàn)可燃氣體的區(qū)域,應(yīng)采取防爆措施?！闭堊⒁?，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(xiàn)甲烷、硫化氫的區(qū)域，都應(yīng)采取防爆措施。GB 50058要求可能存在爆炸性氣體混合物區(qū)域時，應(yīng)開展電氣防爆設(shè)計。如果把GB 51174中提到的“防爆措施”理解為GB 50058中規(guī)定的電氣防爆設(shè)計要求，那GB 51174的要求比其他規(guī)范高多了。

但是“防爆措施”這一詞語在各規(guī)范的術(shù)語解釋中均不曾涉及，也就是規(guī)范中并沒有明確定義，因而設(shè)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?！埃?）調(diào)蓄池的透氣井設(shè)置在工作區(qū)域內(nèi),工作區(qū)域設(shè)置防火標(biāo)志，以避免明火接觸池內(nèi)產(chǎn)生的可燃氣體,造成爆炸?！睆娬{(diào)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(fēng)裝置,確保爆炸性氣體混合物的濃度在爆炸下限值以下?！睆娬{(diào)“第一次預(yù)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(nèi)。這兩個措施都比較好理解?！埃?）采取電氣防爆和其他措施,確保爆炸性氣體混合物的區(qū)域內(nèi)不產(chǎn)生或出現(xiàn)足以點燃可燃氣體混合物的火花、電弧或高溫?！痹O(shè)計人員對這條說明的解讀分歧比較大。部分設(shè)計人員認(rèn)為根據(jù)這條規(guī)范，調(diào)蓄池內(nèi)可能出現(xiàn)可燃氣體的區(qū)域就應(yīng)進行爆炸性氣體環(huán)境的電力裝置設(shè)計。當(dāng)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(shè)備市面上較難采購到相應(yīng)防爆結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，設(shè)計了工程施工也比較麻煩。

筆者經(jīng)歷了多個調(diào)蓄池的設(shè)計、施工、調(diào)試，對調(diào)蓄池的運維也進行了較長時間的跟蹤，總結(jié)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(yīng)該貼合工程實際，既重視工程合規(guī)性，滿足安全要求，又要考量工程建設(shè)和運維的經(jīng)濟合理性。當(dāng)工程采取了條文說明中（2）建議的“第一次預(yù)防措施”之后，已經(jīng)確保了調(diào)蓄池可燃氣體濃度控制在爆炸下限之內(nèi)。空氣中的可燃氣體（或蒸汽）的濃度低于爆炸下限，則氣體環(huán)境就不會產(chǎn)生爆炸。也就是說，當(dāng)采取了“第一次預(yù)防措施”之后，調(diào)蓄池不存在條文說明中（1）所說的爆炸性氣體混合物的區(qū)域，因而無須進行爆炸性氣體環(huán)境的電力裝置設(shè)計，從合規(guī)性角度看，已經(jīng)滿足了GB 51174的要求。

例如，某工程調(diào)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(shè)置，分別為預(yù)報、警報、高報。甲烷氣體測定儀預(yù)報值為10%LEL，預(yù)報聯(lián)動開啟通風(fēng)風(fēng)機，值班人員應(yīng)及時到現(xiàn)場巡檢確認(rèn)；警報值可為25%LEL，警報值班人員應(yīng)采取應(yīng)急安全處理措施。采取應(yīng)急安全處理措施后，如果甲烷氣體濃度繼續(xù)上升至高報值50%LEL時，則聯(lián)動強切除風(fēng)機及照明之外所有用電設(shè)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(shè)定[7]。GBZ 2.1[8]所規(guī)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(yù)報值可為MAC的1/2，聯(lián)動開啟通風(fēng)風(fēng)機，值班人員應(yīng)及時到現(xiàn)場巡檢確認(rèn)；警報值可為MAC，值班人員應(yīng)采取應(yīng)急安全處理措施。硫化氫氣體LEL（爆炸下限）系4%（也有規(guī)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(shè)定是合理的。GBZ 2.1所規(guī)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(yù)報值可為PC-STEL的1/2，聯(lián)動開啟通風(fēng)風(fēng)機，值班人員應(yīng)及時到現(xiàn)場巡檢確認(rèn)?？刹捎肞C-STEL作為警報值，值班人員應(yīng)采取應(yīng)急安全處理措施。在采取上述“第一次預(yù)防措施”之后，確保了調(diào)蓄池可燃氣體濃度控制在爆炸下限之內(nèi)，該調(diào)蓄池不進行爆炸危險區(qū)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(fù)荷等級按照一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，采用UPS供電。考慮到風(fēng)機和照明在事故狀態(tài)下也需要繼續(xù)工作，該調(diào)蓄池的風(fēng)機、燈具均采用隔爆型，風(fēng)機配電裝置和照明配電裝置均按爆炸危險區(qū)域進行電氣設(shè)計。需要說明的是，這里風(fēng)機、照明的防爆設(shè)計屬于設(shè)計人員人為提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，用較少的費用進一步提高安全系數(shù)，并非基于爆炸危險區(qū)域的劃分。

7 結(jié) 語

排水工程中氣體防爆設(shè)計非常重要，把它做好是工程建設(shè)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(yán)格的防爆措施來設(shè)計，這樣既造成工程浪費，又給運行維護增加額外負(fù)擔(dān)。工程設(shè)計是個系統(tǒng)工程，設(shè)計人員需要針對具體情況進行分析判斷，力求設(shè)計合規(guī)、安全、經(jīng)濟合理。