于小輝，劉瑞萍，梁興煒

煉油廠含氫爆炸性氣體混合物的分級(jí)

于小輝，劉瑞萍，梁興煒

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司， 山東 青島 266071）

煉油廠工藝裝置在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量爆炸危險(xiǎn)氣體，需要選擇合理的防爆電氣及工藝設(shè)備以保證安全生產(chǎn)。本文對(duì)爆炸性氣體混合物的分級(jí)方法進(jìn)行了分析，特別是對(duì)于IIC級(jí)的劃分進(jìn)行了重點(diǎn)論述，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) NFPA 497-2008提供的爆炸性混合氣體的最大安全試驗(yàn)間隙計(jì)算公式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)推算，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)IEC60079-20所列物質(zhì)的最大安全試驗(yàn)間隙，給出了含氫爆炸性混合氣體的分級(jí)方法，論證了按照氫氣體積比25%判斷含氫爆炸危險(xiǎn)性混合氣體是否為IIC級(jí)是可行和經(jīng)濟(jì)的。解決了業(yè)界爭(zhēng)議多年的IIB級(jí)和IIC級(jí)劃分的氫氣含量百分比的問(wèn)題，對(duì)煉油工程設(shè)計(jì)有很大的借鑒作用。

爆炸性氣體；分級(jí)；氫氣；IIC級(jí)

對(duì)于生產(chǎn)、加工、處理、轉(zhuǎn)運(yùn)或貯存過(guò)程中出現(xiàn)或可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物環(huán)境時(shí)，應(yīng)進(jìn)行爆炸性氣體環(huán)境的電力裝置設(shè)計(jì)[1]。煉油廠工藝裝置主要有：常減壓、催化裂化、重整、加氫、焦化及環(huán)保裝置等，這些裝置在對(duì)原油進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的爆炸性氣體混合物，如果出現(xiàn)特定的環(huán)境條件就會(huì)發(fā)生爆炸，造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失，所以工程設(shè)計(jì)中對(duì)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分非常重要，這是確定電氣設(shè)備的防爆等級(jí)、工藝裝置間距等設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)鍵依據(jù)，同時(shí)也是工藝裝置HAZOP分析的重要參考文件。如何進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范已經(jīng)有了比較全面的規(guī)定，但是具體到某些領(lǐng)域或某些特定的環(huán)境還沒(méi)有明確的條文規(guī)定，例如：煉油廠工藝裝置如何對(duì)含氫爆炸性氣體混合物進(jìn)行分級(jí)，將其劃分為IIC級(jí)時(shí)氫氣體積百分比是多少，該問(wèn)題在業(yè)界存在較大爭(zhēng)議。本文對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了結(jié)論，對(duì)煉油設(shè)計(jì)有很大的借鑒作用。

1 國(guó)內(nèi)外防爆標(biāo)準(zhǔn)介紹

目前，國(guó)際上流行的防爆標(biāo)準(zhǔn)主要有[2]：

（1）IEC(國(guó)際電工協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)：IEC60079。

（2）用于歐洲共同體和鄰近國(guó)家的歐洲標(biāo)準(zhǔn)：EN50014～EN50020以及EN50039。

（3）用于美國(guó)和北美洲的美國(guó)國(guó)家電氣法規(guī)：NEC。

各主要工業(yè)化國(guó)家基于上述標(biāo)準(zhǔn)之一，均分別建立了自己的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。如：德國(guó)的VDE0170/0171，英國(guó)的BS5345/5501等。

應(yīng)該指出的是，歐洲標(biāo)準(zhǔn)和大多數(shù)歐洲國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)均屬同一體系，只是在具體條款和實(shí)施辦法上更具體、更細(xì)一些。同樣，我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50058和GB3836也是在IEC基礎(chǔ)上建立的。因而，我國(guó)國(guó)標(biāo)同IEC和大多數(shù)歐洲國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)是吻合的[2]。

同樣需要指出的是，NEC實(shí)際上是一種用于安裝的規(guī)范。它是隸屬于NFPA（美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)）下面的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于防爆電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)，NEC尚需引用NFPA以及其他標(biāo)準(zhǔn)化組織的一些有關(guān)規(guī)范[2]。

2 爆炸性氣體混合物的分級(jí)原則

2.1 爆炸性氣體混合物的MESG和MICR

根據(jù)電氣設(shè)備適用于某種氣體或蒸汽環(huán)境的要求，將該氣體或蒸汽進(jìn)行分類或分級(jí)，使由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備或由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的電氣設(shè)備按此類別和級(jí)別制造，以便保證設(shè)備相應(yīng)的防爆安全性能。

最大試驗(yàn)安全間隙（MESG）是指：在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，殼內(nèi)所有濃度的被試驗(yàn)氣體或蒸汽與空氣的混合物點(diǎn)燃后，通過(guò)25mm長(zhǎng)的接合面均不能點(diǎn)燃?xì)ね獗ㄐ詺怏w混合物的外殼空腔兩部分之間的最大間隙。最小點(diǎn)燃電流比（MICR）是指：在規(guī)定條件下，能點(diǎn)燃最易點(diǎn)燃混合物的最小電流與試驗(yàn)室的甲烷的最小點(diǎn)燃電流值之比[3]。

爆炸性氣體混合物，應(yīng)按其最大試驗(yàn)安全間隙（MESG）或最小點(diǎn)燃電流比（MICR）分級(jí)。爆炸性氣體混合物是指：在大氣條件下，氣體、蒸汽、薄霧狀的可燃性物質(zhì)與空氣混合，點(diǎn)燃后，燃燒將在整個(gè)范圍內(nèi)傳播的混合物[3]。

當(dāng)符合表1的條件時(shí)，只需按測(cè)定的最大試驗(yàn)安全間隙（MESG）或最小點(diǎn)燃電流比（MICR）進(jìn)行分級(jí)，大多數(shù)氣體可以按此原則分級(jí)[1]。

表1 最大試驗(yàn)安全間隙（MESG）或最小點(diǎn)燃電流比（MISR）分級(jí)Table 1 Maximum experimental safe gap (MESG)&minimum ignition current ratio(MISR)

2.2 爆炸性氣體MESG值的測(cè)定

按照GB3836.11-2008《爆炸性環(huán)境 第11部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備 最大試驗(yàn)安全間隙測(cè)定方法》，在常溫常壓條件下，將一個(gè)具有規(guī)定容積、規(guī)定隔爆結(jié)合面長(zhǎng)度和可調(diào)間隙的標(biāo)準(zhǔn)外殼置于實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，在外殼與實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)同時(shí)充以已知濃度的爆炸性氣體混合物，點(diǎn)燃標(biāo)準(zhǔn)外殼內(nèi)部的氣體混合物，觀察標(biāo)準(zhǔn)外殼內(nèi)部的氣體混合物是否被點(diǎn)燃爆炸，通過(guò)調(diào)整爆炸外殼間隙和改變氣體混合物的濃度，測(cè)出在任何濃度下都不出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象的最大間隙，該間隙就是氣體混合物最大實(shí)驗(yàn)安全間隙。表2為一些常見爆炸性氣體的MESG值和最易傳爆的混合物濃度。由表2可見，氣體中氫氣的MESG值較小，說(shuō)明含氫氣體的混合物較易爆炸[4,5]。

表2 爆炸性氣體的MESG值[4]Table 2 MESG for explosive gases

3 單組分與多組分氣體混合物的分級(jí)

3.1 單組分氣體混合物的分級(jí)

單組分氣體的分級(jí)，相對(duì)比較容易，標(biāo)準(zhǔn)IEC60079-20《氣體和蒸汽分類用材料特性—試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)》中對(duì)于大多數(shù)氣體都有明確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只需按測(cè)定的最大試驗(yàn)安全間隙（MESG）或最小點(diǎn)燃電流比（MICR）進(jìn)行分級(jí)。

3.2 多組分氣體混合物的分級(jí)

對(duì)于多組分和蒸汽混合物的分級(jí)，一般應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)專門測(cè)定其最大試驗(yàn)安全間隙（MESG）或最小點(diǎn)燃電流比（MICR），才能確定其級(jí)別。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，每臺(tái)化工設(shè)備、容器或反應(yīng)器中所含的各種爆炸危險(xiǎn)介質(zhì)的組成成分不同、各成分間的配比不同，不可能通過(guò)對(duì)每臺(tái)設(shè)備中的氣體樣品進(jìn)行專門試驗(yàn)。所以，需要一種估算方法來(lái)解決多組分氣體的分級(jí)問(wèn)題[1]。

標(biāo)準(zhǔn)NFPA497-2008《危險(xiǎn)(分類)區(qū)域中有關(guān)電氣設(shè)備的氣體、蒸氣和粉塵的分類》的附件B中專門介紹了一種用于確定混合氣體分級(jí)的估算方法。

混合氣體的MESG可以用式(1)估算[6]：

式中：MESGmix—混合氣體的最大試驗(yàn)安全間隙,mm;

MESGi—混合氣體中各組分的最大試驗(yàn)安全間隙,mm;

Xi—混合氣體中各組分的體積分?jǐn)?shù),%。此數(shù)據(jù)由工藝專業(yè)給出，要根據(jù)設(shè)備中混合介質(zhì)在氣態(tài)時(shí)，最大工況情況下，各組分所占的體積百分比。

根據(jù)上述公式計(jì)算出混合氣體的 MESG，然后比照表1，就可以確定混合氣體的級(jí)別。

4 煉廠中含氫工藝裝置中爆炸性混合氣體的分級(jí)

4.1 研究煉油廠環(huán)境中含氫爆炸性混合氣體分級(jí)的必要性

對(duì)于工藝用電設(shè)備，例如機(jī)泵、壓縮機(jī)等，爆炸性氣體的級(jí)別是確定設(shè)備防爆等級(jí)一個(gè)指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外的防爆設(shè)備廠只生產(chǎn)IIB、IIC類電氣設(shè)備，如果氣體分級(jí)為IIA級(jí)，設(shè)備一般選用IIB類，三種類別的關(guān)系見表3。

表3 氣體分級(jí)與電氣設(shè)備類別Table 3 Explosive gases classification and electrical equipment category

IIC類設(shè)備較IIB類設(shè)備造價(jià)要高15%～20%，合理選擇設(shè)備防爆等級(jí)對(duì)于降低工程投資尤為重要。爆炸危險(xiǎn)級(jí)別為IIC級(jí)的組分主要有氫、乙炔、二硫化碳和硝酸乙酯[2]。煉油工藝流程中，以上四種氣體，只有氫氣可能存在，所以對(duì)煉油廠內(nèi)的含氫爆炸性混合氣體的分級(jí)，氫氣的含量是一個(gè)關(guān)鍵因素。氫氣在爆炸性混合氣體中的體積比大于多少，該混合氣體級(jí)別應(yīng)為IIC級(jí)，目前還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的數(shù)值，有的設(shè)計(jì)人員認(rèn)為應(yīng)該按照氫氣的爆炸下限（體積比4%）來(lái)判斷該混合氣體是否為IIC級(jí)，這樣的話，煉油裝置內(nèi)的IIC級(jí)的設(shè)備就會(huì)非常多，提高了工程造價(jià),不經(jīng)濟(jì)。要保證煉油裝置能夠安全運(yùn)行，又要降低工程造價(jià)，所以有必要對(duì)含氫爆炸性混合氣體分級(jí)進(jìn)行研究。

4.2 煉油廠環(huán)境中含氫爆炸性混合氣體分級(jí)方法

根據(jù) NFPA497-2008提供的公式（1）和IEC60079-20《氣體和蒸汽分類用材料特性—試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)》提供的MESG數(shù)據(jù)，對(duì)煉廠環(huán)境的氣體分級(jí)進(jìn)行了歸納總結(jié)，得出了一個(gè)判斷含氫爆炸性混合氣體級(jí)別的氫氣體積比。

以下為統(tǒng)計(jì)歸納過(guò)程：

假設(shè)條件：爆炸性混合氣體只有氫氣一種 IIC級(jí)成分，其他成分都為 IIB或 IIA級(jí)。查IEC60079-20，氫氣的MESG為0.28。除氫氣外的其他氣體混合物的綜合MESG為Y。

當(dāng)氫氣體積比為25%時(shí)，根據(jù)式（1）：

根據(jù)表 1，MESGmix＜0.5時(shí)，該爆炸性混合氣體應(yīng)為IIC級(jí)。此時(shí)： Y＜0.67。

同理,當(dāng)氫氣體積比為20%時(shí)，得出Y＜0.62。

同理,當(dāng)氫氣體積比為10%時(shí)，得出Y＜0.58。

查標(biāo)準(zhǔn)IEC60079-20，只有五種IIB級(jí)組分的MESG＜0.67，具體見表4[7]。

表4 MESG＜0.67的IIB級(jí)物質(zhì)Table 4 MESG＜0.67 IIB level material

煉油流程中表4中所列物質(zhì)很少存在，即使存在也是少量的，所以按照氫氣體積比25%為界來(lái)確定含氫爆炸性氣體混合物的級(jí)別是可行的。如果20%或10%來(lái)確爆炸級(jí)別，從設(shè)計(jì)安全裕量角度來(lái)說(shuō)是更加保守，但是考慮設(shè)備造價(jià)問(wèn)題，按照25%來(lái)判斷爆炸危險(xiǎn)性混合物級(jí)別是更加經(jīng)濟(jì)的。這樣的話在煉油主裝置中，只有加氫、重整等含大量氫裝置存在IIC級(jí)用設(shè)備，常減壓、催化、焦化等裝置一般就可以按照IIB級(jí)進(jìn)行設(shè)備選擇，大大降低的了工程投資。

5 結(jié) 論

（1）介紹了國(guó)內(nèi)外各種防爆標(biāo)準(zhǔn)以及我國(guó)防爆標(biāo)準(zhǔn)與其相互關(guān)系。

（2）介紹了單組分與多組分氣體混合物的分級(jí)方法的區(qū)別，重點(diǎn)敘述了多組分氣體混合物的分級(jí)方法。

（3）對(duì)煉油廠內(nèi)含氫爆炸性混合氣體如何進(jìn)行級(jí)別劃分進(jìn)行了論述，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析，得出了含氫爆炸性混合氣體IIB和IIC級(jí)劃分的通用依據(jù)，論證了按照氫氣體積比 25%為判斷含氫爆炸危險(xiǎn)性混合氣體是否為IIC級(jí)是可行的。該結(jié)論的得出，減少了煉油廠內(nèi)IIC級(jí)設(shè)備的數(shù)量，降低了工程造價(jià)，對(duì)今后的煉油設(shè)計(jì)有較大借鑒作用。

［1］ GB50058-2014.爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

［2］馬承宗.歐美電氣設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)與其主要差別[J].煉油化工自動(dòng)化,1994,6:3-10.

［3］ GB3836.12-2008 爆炸性環(huán)境第12部分：氣體或蒸汽混合物按照最大試驗(yàn)安全間隙或最小點(diǎn)燃電流比分級(jí)[S].

［4］ 胡敏,趙玉川,董立萍,李淑紅.用于混合介質(zhì)的阻火器爆炸級(jí)別探討[J].煉油技術(shù)與工程,2008,38(6):57-59.

［5］ GB3836.11-2008 爆炸性環(huán)境第 11部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備 最大試驗(yàn)安全間隙測(cè)定方法[S].

［6］ NFPA 497-2008 危險(xiǎn)(分類)區(qū)域中有關(guān)電氣設(shè)備的氣體、蒸氣和粉塵的分類[S].

［7］ IEC60079-20氣體和蒸汽分類用材料特性—試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)[S].

Study on Grading of Explosive Gas Mixture With Hydrogen in Oil Refinery

YU Xiao-hui，LIU Rui-ping，LIANG Xing-wei
（China Petroleum Engineering & Construction Corp. East-China Design Branch, Shandong Qingdao 266071，China）

Refinery process equipments will produce a large number of explosive gases, so reasonable explosion-proof electrical and process equipments need be chosen to ensure the safety of production. In this paper, grading methods of explosive gas mixture were analyzed and compared, especially the division of IIC grade. Based on the maximum experimental safe gap (MESG) calculation formula for mixture explosive gas in the standard NFPA 497-497and MESG data in standard IEC60079-20, grading method of the explosive gas mixture with hydrogen was concluded. The method to determine IIC grade mixture explosion gas with hydrogen according as the volume of hydrogen is higher than 25% or not is feasible and economic, which can solve the issue how to grade mixture explosive gas with hydrogen.

Explosive gas; Grading; Hydrogen; IIC

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）04-0777-03

2014-10-28

于小輝（1982-），男，山東濟(jì)南人，工程師，碩士研究生，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）控制理論與控制工程專業(yè)，研究方向：石化企業(yè)工廠供電。