蔣 航， 孫 磊， 劉 育

(國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

由于氫氣的密度較小，并且其熱傳導(dǎo)效率非常高，因此發(fā)電機(jī)組常會(huì)利用氫冷卻來(lái)提升發(fā)電機(jī)的工作效率。當(dāng)發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組冷卻模式為“水氫”或全氫冷時(shí)，必須為其提供氫氣供應(yīng)系統(tǒng)。本工程制氫站的關(guān)鍵建筑物有氫氣的儲(chǔ)存罐間、分解生產(chǎn)間、化學(xué)檢驗(yàn)間、電氣管控間等，其中氫氣儲(chǔ)存罐間和分解生產(chǎn)間有著非常高的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，火災(zāi)危險(xiǎn)級(jí)別較高，爆炸危險(xiǎn)類(lèi)別為Q-2[1]。制氫站一旦發(fā)生火災(zāi)或者爆炸事故，輕則毀壞發(fā)電廠設(shè)備及建筑物，重則中斷電力供應(yīng)，且恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)各行業(yè)的生產(chǎn)、生活帶來(lái)極大的干擾作用，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在發(fā)電廠的安全運(yùn)行過(guò)程中，制氫站的安全設(shè)計(jì)有著極其重要的作用。

1 氫氣來(lái)源及特性

氫氣的來(lái)源較多，但多數(shù)情況下是利用化石能源、含氫物、化學(xué)品生產(chǎn)副產(chǎn)品的氫氣回收、電解水制氫等方法制造氫氣。在利用化石原料制氫的方式當(dāng)中，主要包含煤氣化制氫法、天然氣制氫和甲醇分解的方法；含氫元素物質(zhì)的制氫手段有電解水和水解硼氫物等；化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)副產(chǎn)品氫氣的回收主要有強(qiáng)堿和輕油裂解。分析以上幾種制氫方法的經(jīng)濟(jì)性，電解水的制氫方法是成本最低的，電解水的電力資源可來(lái)源于太陽(yáng)能或風(fēng)能或其它能源。電解水制氫氣的機(jī)理非常簡(jiǎn)單，只需要在放有氫氧化鈉的電解池中通入直流電，溶液中的水分子會(huì)在電極上產(chǎn)生水的電解反應(yīng)，其電化學(xué)反應(yīng)式為：

陰極：2H2O+2eH2↑+2OH-

(1)

陽(yáng)極：2OH-2eH2O+1/2O2↑

(2)

總反應(yīng)式：2H2O=2H2↑+O2↑

(3)

水分子在電解池中分解成O2和H2，然后在分離裝置進(jìn)行分離，氣體通過(guò)分離器后經(jīng)過(guò)洗滌、冷凝、去除水分后，氫氣被送到純化設(shè)備中，最終在儲(chǔ)存設(shè)備中保存。

2 發(fā)電廠制氫站風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的劃分

區(qū)域的劃分是對(duì)會(huì)產(chǎn)生爆炸風(fēng)險(xiǎn)的地點(diǎn)進(jìn)行研究和分類(lèi)的一種手段，有利于適當(dāng)選取和設(shè)置危險(xiǎn)區(qū)域中的電氣裝置，從而實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的目標(biāo)，并將氫氣的級(jí)別和溫度加入到考查范圍中[2]。在運(yùn)用可燃物的眾多場(chǎng)所中，并不能保障爆炸危險(xiǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)，也不能保證設(shè)施永遠(yuǎn)不會(huì)變成火源。因此，必須依照制氫站所在區(qū)域的爆炸風(fēng)險(xiǎn)程度，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分。

2.1 分區(qū)

全球各地對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的分區(qū)不盡相同，但大體上可劃分為兩大體系：中國(guó)和大部分歐洲國(guó)家所參照的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的分區(qū)模式；而以歐美等國(guó)為代表等國(guó)家則常使用北美的劃分模式。依據(jù)爆炸氣體環(huán)境出現(xiàn)的概率和持續(xù)時(shí)間，將危險(xiǎn)場(chǎng)所劃分為下列幾個(gè)區(qū)域：

0區(qū)：爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)時(shí)間存在的場(chǎng)所；

1區(qū)：在正常運(yùn)行的情況下，可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場(chǎng)所；

2區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)，不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，如果出現(xiàn)也是偶爾發(fā)生并且僅是短時(shí)間存在的場(chǎng)所[3]。

2.2 釋放等級(jí)

連續(xù)級(jí)釋放源：連續(xù)釋放或預(yù)計(jì)長(zhǎng)期釋放的釋放源。比如，持續(xù)對(duì)空氣敞開(kāi)或長(zhǎng)時(shí)間對(duì)大氣開(kāi)放的易燃液體上方的區(qū)域。

2.2.1 一級(jí)釋放源

在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，估計(jì)會(huì)釋放的釋放源頭。比如：在一般工作的情況下，估計(jì)釋放可燃物的泵、壓縮機(jī)或閥門(mén)的密閉處；在一般操作情況下，估計(jì)可燃物會(huì)釋放到空氣中的樣本采集點(diǎn)。

2.2.2 二級(jí)釋放源

在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，一般不存在釋放的可能，但其釋放也僅僅是在非常短的時(shí)間內(nèi)完成釋放的源頭。比如：在裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，估計(jì)可燃物不可能釋放的泵、壓縮機(jī)和閥門(mén)處；在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，估計(jì)可燃物不可能釋放的法蘭、銜接件和管道處。

2.3 制氫站風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的劃分

在開(kāi)展危險(xiǎn)區(qū)域劃分的過(guò)程中，第一步要鑒別釋放源和明確釋放源的級(jí)別，并研究會(huì)影響風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的類(lèi)別和其他要素，然后明確區(qū)域種類(lèi)(0區(qū)、1區(qū)、2區(qū))，最終明確風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的范疇。本工程制氫站使用的是電解水的制氫方法，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的劃分參照了《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058-2014的標(biāo)準(zhǔn)在該標(biāo)準(zhǔn)中明確表示其不適合用在使用電能進(jìn)行制造并與生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)連接的電解、電鍍等設(shè)備區(qū)域。多數(shù)情況下會(huì)依據(jù)《爆炸性環(huán)境第14部分:場(chǎng)所分類(lèi)爆炸性氣體環(huán)境》 GB3836.14-2014和《石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝區(qū)域一級(jí)、0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)區(qū)域劃分推薦作法》SYT6671-2006的規(guī)定進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的分類(lèi)，制氫站的風(fēng)險(xiǎn)物為H2，釋放源為管道的法蘭。通過(guò)對(duì)釋放頻次、累積釋放量和通風(fēng)率等參數(shù)，研究計(jì)算并明確風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的范疇。

3 發(fā)電廠制氫站防爆電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 照明設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1.1 照明配電箱

依據(jù)規(guī)范章程規(guī)定，在有爆炸風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所，不應(yīng)裝設(shè)照明配電箱，需要把照明配電箱安裝在附近的一般環(huán)境中。本工程制氫站照明設(shè)計(jì)時(shí)把照明配電箱安裝在電氣控制室中，既保證了照明配電箱的安全性，又滿足了就近控制的要求。照明配電箱的設(shè)置高度常以其底部距離地面1.5 m的高度為最佳，在照明配電箱當(dāng)中對(duì)于防爆區(qū)照明的回路必須安裝有雙極開(kāi)關(guān)。選擇照明配電箱型號(hào)時(shí)，應(yīng)考慮留有適量的備用回路(約占照明配電箱回路數(shù)的1/4至1/3)。應(yīng)急照明充電檢測(cè)回路可加裝單相開(kāi)關(guān)，工作時(shí)閉合，檢修時(shí)打開(kāi)，接線方式如圖1所示。

圖1 應(yīng)急照明回路接線方式

3.1.2 防爆燈具

對(duì)于存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，其光源必須選用具有防爆功能的熒光燈等作為光源，且安裝在較低，并嚴(yán)禁安裝在氫氣釋放源頭的上方區(qū)域。設(shè)置在制氫站圍墻中、制氫站站外的燈具、吸頂燈、開(kāi)關(guān)等都必須使用具有防爆功能的器具，從而可以有效防止或降低事故所導(dǎo)致的破壞性。

3.1.3 燈具開(kāi)關(guān)

在存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域中，不可以安裝開(kāi)關(guān)及插座，如有必要安裝時(shí)，必須選擇使用具有防爆功能的開(kāi)關(guān)及插座。防爆燈需要配備雙極開(kāi)關(guān)，并且該開(kāi)關(guān)需要安裝在室外方便實(shí)現(xiàn)操控。

3.1.4 照明線路

依據(jù)制氫站的照明設(shè)計(jì)規(guī)范，處在爆炸風(fēng)險(xiǎn)或極有可能遭受沖擊的區(qū)域內(nèi)，照明系統(tǒng)的線路電纜必須使用銅芯導(dǎo)線進(jìn)行明敷。在管道內(nèi)鋪設(shè)多條照明線路的情況下，線路的總條數(shù)不可以大于六條。同時(shí)在爆炸風(fēng)險(xiǎn)極高的區(qū)域中，管道中鋪設(shè)的導(dǎo)線總數(shù)不可以大于四根。而在防爆應(yīng)急的照明線路當(dāng)中，照明配電箱的線路總數(shù)為4根，在這當(dāng)中具有防爆功能的照明線路3根(一根為接地線)，照明線路1根。安裝有防爆光源的線路需要與無(wú)防爆功能的線路分開(kāi)鋪設(shè)。不同種類(lèi)照明回路可按圖2所示安裝。

圖2 不同類(lèi)型回路接線方式

因?yàn)樵诰哂蟹辣δ艿木€路當(dāng)中安裝有防爆功能的應(yīng)急照明系統(tǒng)，所以，必須在防爆設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上再安裝單相開(kāi)關(guān)，如圖2所示。從而照明配電箱到氫氣罐之間的照明線路，也必須進(jìn)行相應(yīng)的防爆安全設(shè)計(jì)，可以穿過(guò)水煤氣管道直接連接到氫氣罐室的門(mén)口。

3.2 電纜敷設(shè)

在電纜鋪設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)中，具有防爆、防火需要的明鋪線路，必須使用埋砂鋪設(shè)的線纜溝。所以，在本工程的制氫站中所使用的線纜溝中必須采用充砂的方法進(jìn)行線纜的鋪設(shè)。同時(shí)，在具有風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi)所采用的線纜中不可有接頭存在。在制氫站的電氣控制室中，還需要安裝一臺(tái)氫氣泄漏報(bào)警器，電解室中的風(fēng)機(jī)、貯氫室中的風(fēng)機(jī)都需要與氫氣泄漏報(bào)警器相連接，當(dāng)氫氣濃度大于0.4%時(shí)，連接裝置啟動(dòng)。同時(shí)，在存在火災(zāi)及爆炸風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域中，有線纜溝與廠區(qū)線纜溝之間的接口必須做好隔火墻等措施，從而防止出現(xiàn)火災(zāi)與爆炸等事故時(shí)導(dǎo)致危險(xiǎn)區(qū)域的擴(kuò)大。

3.3 防雷設(shè)計(jì)

制氫站在很大程度上具有一定的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，并且在發(fā)生爆炸后會(huì)嚴(yán)重影響建筑中的設(shè)備，那么，需要采用獨(dú)立的防雷保護(hù)設(shè)計(jì)，并應(yīng)采取防止雷電感應(yīng)的措施。首先，根據(jù)避雷針高度和建筑物高度計(jì)算保護(hù)范圍半徑，當(dāng)使用單根避雷針的時(shí)候，地面上保護(hù)范圍計(jì)算公式如下：

r=1.5hp

(4)

式中r為保護(hù)半徑/m；h為避雷針的高度/m；p為高度影響系數(shù)。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，h≤30 m時(shí)，P=1；30 m120 m時(shí)，取其等于120 m。在文中的制氫站中，其獨(dú)立避雷針的高度為30 m。

制氫站內(nèi)被保護(hù)建筑物高度hx水平面上的保護(hù)半徑按以下公式計(jì)算：

hx≥0.5h時(shí)，rx=(h-hx)p=Δhp

(5)

式中rx為避雷針在hx平面上的保護(hù)半徑/m；hx為被保護(hù)建筑物的高度/m；Δh為避雷針的有效高度/m。

hx<0.5h時(shí)，rx=(1.5h-2hx)p

(6)

按照《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》GB/T50064-2014、《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50177-2005等規(guī)定，避雷針安裝位置的確定需遵循以下原則：

(1)單獨(dú)的避雷針以及接地裝置與道路或建筑物入口和出口的間距等都不應(yīng)小于3.5 m，否則需要使用均壓方法，或再鋪設(shè)瀝青等，同時(shí)也能在地面鋪設(shè)混凝土；

(2)獨(dú)立避雷針接地裝置(埋深1.5m)與接地網(wǎng)及地下管道的地中距離不小于3 m；

(3)避雷針與罐體呼吸閥的水平距離不應(yīng)小于3 m；

(4)避雷針的保護(hù)范圍邊緣高出呼吸閥頂部不應(yīng)小于2 m；

(5)避雷針與自然通風(fēng)口的水平距離，不應(yīng)小于1.5 m，與強(qiáng)迫通風(fēng)口的距離不應(yīng)小于3 m，與放空管口的距離不應(yīng)小于5 m，避雷針的保護(hù)范圍應(yīng)高出管口1 m以上。本工程中，制氫站圍墻外側(cè)布置有兩個(gè)點(diǎn)火油罐，安裝了兩支等高避雷針對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。為了達(dá)到聯(lián)合保護(hù)、擴(kuò)大保護(hù)范圍的目的，在滿足本制氫站建筑保護(hù)范圍的條件下，制氫站區(qū)域的避雷針在滿足安全距離的情況下可靠近油罐方向，以進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)。通過(guò)計(jì)算表明，聯(lián)合保護(hù)能取得良好的防雷效果。制氫站區(qū)域大門(mén)旁需安裝一套觸摸式靜電消除器，用于消除進(jìn)入制氫站人員身體攜帶的靜電，減少人體靜電對(duì)制氫站設(shè)備造成的危險(xiǎn)。

3.4 接地設(shè)計(jì)

接地按用途可分為工作接地、保護(hù)接地、雷電保護(hù)接地、防靜電接地4種，為了保護(hù)建筑物和電氣設(shè)備的安全，需通過(guò)接地裝置將雷電流、靜電等導(dǎo)入大地。某發(fā)電廠土壤電阻率為85～95 Ω·m。

3.4.1 設(shè)計(jì)時(shí)需遵照以下原則

(1)水平接地體與建筑物外墻的距離不宜小于1.5 m；

(2)建筑中接地線順著房屋外墻水平鋪設(shè)的過(guò)程中，距離地面的間距需要維持200～250 mm之間，不沿墻進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)，接地線與房屋的外墻需要保持在10～15 mm的距離；

(3)室內(nèi)接地體至少兩點(diǎn)與室外接地體牢固焊接；

(4)垂直接地極的間距不應(yīng)小于其長(zhǎng)度的兩倍，水平接地極的間距不宜小于5 m；

(5)單獨(dú)的避雷針適合安裝單獨(dú)的接地設(shè)備。當(dāng)它的接地阻值高于10Ω或者其接地設(shè)備與主接地設(shè)備間距無(wú)法達(dá)到《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》DL/T620-1997中7.1.11b)條的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其接地設(shè)備會(huì)與主接地設(shè)備相連接，如圖3所示，避雷針利用集中接地設(shè)備的引線與接地網(wǎng)相連接；

圖3 獨(dú)立避雷針接地布置圖

(6)儲(chǔ)存罐的周邊需要設(shè)立環(huán)形閉合接地設(shè)施(接地阻值不宜大于30 Ω)，儲(chǔ)存罐的接地點(diǎn)需要大于或等于兩個(gè)，接地點(diǎn)之間的距離不要超過(guò)40 m；

(7)人工接地網(wǎng)外緣應(yīng)閉合，外緣各角應(yīng)做成圓弧形，圓弧的半徑不宜小于均壓帶間距的一半；

(8)為便于施工，設(shè)計(jì)時(shí)垂直接地體的位置盡量避免與水平接地體的交接處重合。

3.4.2 對(duì)接地裝置進(jìn)行施工時(shí)的注意事項(xiàng)

(1)接地扁鋼埋深1.5 m；

(2)在接地線進(jìn)入建筑入口的地方，需要設(shè)立標(biāo)識(shí)。明鋪的接地線，在其表面需要涂上1.5～10 cm寬的綠、黃條紋；

(3)無(wú)法維持正常電氣接觸的閥門(mén)、法蘭、彎頭等連接件也需要使用跨接的方法，接地方法中所使用的圓鋼，其半徑不得小于4 mm；

(4)金屬罐罐體鋼板的接縫、罐頂與罐體之間以及所有管、閥與罐體之間應(yīng)保證可靠的電氣連接；

(5)接地設(shè)備的周邊道路或入口，需要設(shè)立帽檐式的均壓帶，同時(shí)在路面上鋪設(shè)礫石或?yàn)r青；

(6)為了避免接地線遭到機(jī)械的損害，需要在接地線與電線管路以及其他會(huì)導(dǎo)致接地線受到機(jī)械破壞的地方，都需要使用管子或角鋼進(jìn)行保護(hù)；

(7)管道及金屬橋臺(tái)應(yīng)在其始端、末端、分支處以及每隔50 m處設(shè)防靜電接地，鶴管應(yīng)在兩端接地；

(8)凈距小于100 mm的平行或交叉管道，應(yīng)每隔20 m用金屬線跨接。

3.5 防火封堵

因?yàn)闅錃獾拿芏扰c空氣相比而言較小，并且其擴(kuò)散的速度較快，如果出現(xiàn)氫氣泄露的事故極易聚集在設(shè)備、容器、房屋的頂部。純氫氣具有在空氣當(dāng)中遇火會(huì)燃燒甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)氫氣與空氣的混合比到達(dá)一定程度時(shí)，遇火也可能引發(fā)爆炸。因此，除執(zhí)行安全操作外，發(fā)電廠做好有效的防火措施至關(guān)重要。

需要對(duì)電纜通道進(jìn)行防火封堵的部位如下：

(1)各類(lèi)表盤(pán)與配電屏的電纜孔洞及各層樓板的電纜留孔；

(2)輔助車(chē)間內(nèi)部電纜通道通向廠區(qū)的所有接口；

(3)各輔助車(chē)間的電纜進(jìn)入表盤(pán)的洞孔；

(4)廠區(qū)電纜溝道和隧道直線段不大于100 m為一個(gè)防火分隔點(diǎn)；

(5)廠區(qū)大型排管的人孔井的管口；

(6)廠區(qū)電纜構(gòu)筑物中的高壓電纜中間接頭和終端頭等。

依據(jù)上述的規(guī)定，制氫站的范圍內(nèi)必須開(kāi)展封堵的位置有：線纜溝貫穿房屋外墻的洞口、柜底線纜出入口。

因阻火包有著較差的煙密性，浸水之后其防火功能會(huì)失效，所以，從安全性與穩(wěn)定性的角度出發(fā)，可以采用阻火包、防火泥、礦棉等一同進(jìn)行封堵。柜底的線纜出入口需要采用防火涂層板進(jìn)行封堵，其表面有著一定厚度的防火涂層，間隙處使用防火密封膠進(jìn)行封堵。為了確保防火涂層板的穩(wěn)定性，在其下方常采用圓鋼進(jìn)行支持與鞏固。

4 結(jié) 論

氫氣冷卻性良好，同時(shí)又是燃點(diǎn)低易爆炸的氣體。因而，制氫站設(shè)計(jì)者要對(duì)氫氣的性質(zhì)完全了解，所有的設(shè)計(jì)思路都要圍繞安全這一原則。在首要考慮留出足夠安全范圍的基礎(chǔ)上，再通過(guò)減少導(dǎo)線和埋砂進(jìn)一步增大安全性，最后再選擇能在安全范圍內(nèi)能有效工作的電氣設(shè)備，以保證制氫裝置在安全范圍內(nèi)有效可靠發(fā)揮其作用。在此設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上再去考慮諸如造價(jià)、效率、能耗才有意義。