城市綜合管廊中爆炸危險區域劃分的分析和建議

褚 震 杰

[上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司, 上?！?00125]

0　引　言

城市綜合管廊又叫共同溝,是實施統一規定、設計、施工和維護,建于城市地下用于敷設所有的給排水、熱力、燃氣、電力、通信及廣電等基礎市政管線的市政公共設施,有著避免道路重復開挖、延長各類管線使用壽命、減少資源損耗等優勢。隨著國家大力推行城市綜合管廊的建設,全國各地新建項目此起彼伏,但針對城市地下綜合管廊設計的規范方面還有所欠缺,尤其是燃氣艙中敷設的燃氣管道,其存在威脅人身安全的可能性。

本文結合國家防爆安全的相關標準,對城市綜合管廊中燃氣艙的電氣設計進行探討和研究。

1　設計依據

城市綜合管廊電氣設計的國家規范依據是GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》[1],關于防爆設計的描述在第7.3.4條第4項“天然氣管道艙內的電氣設備應符合現行國家標準《爆炸危險環境電力裝置設計規范》GB 50058有關爆炸性氣體環境 2區的防爆規定”。

2　電氣專業在劃分爆炸危險區域時責任

在設計階段嚴格按照規范要求,避免設計上的隱患。電氣設計在整個項目的爆炸危險區域劃分中起到承上啟下的樞紐作用。首先是接收、分析工藝專業提供的有關可燃氣體性能、設備及環境條件等專業性的技術參數;然后嚴格按照國家標準進行防爆區域圖的繪制,在得到工藝專業的確認后將此防爆區域圖提供給其他相關專業,給其他設備防爆選型提供依據;最后在會簽階段,確認其他專業防爆設備選型的準確性。

3　爆炸危險區域劃分電氣設計的一般步驟

(1) 城市綜合管廊設計中爆炸危險區域劃分的必要性。爆炸危險區域劃分是為了保障人身和財產的安全,應因地制宜地采取防范措施。城市綜合管廊燃氣艙作為地下密封結構,一旦發生爆炸事故,將會產生大量的能量;其作為一個貫通城市的市政建筑,發生事故時容易對人身和財產造成巨大的危害?；诜辣O計的初衷,貫徹預防為主的方針,對城市綜合管廊燃氣艙進行爆炸危險區域劃分設計有利于保障人身和財產的安全。

(2) 釋放源?？舍尫懦瞿苄纬杀ㄐ曰旌衔锏奈镔|所在的部位或地點稱為釋放源。城市綜合管廊燃氣艙中敷設的燃氣管道存儲、輸送大量可燃氣體,其管道連接的法蘭、接口等連接和轉彎處容易不密封或損壞,可認為其為釋放源;出于安全考慮,結合城市綜合管廊燃氣艙通長密封的特性,將整個燃氣管定義為釋放源更安全、可靠。

(3) 防爆危險區域的劃分。根據GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》[2]中第1.0.4條“爆炸危險區域的劃分應由負責生產工藝加工介質性能、設備和工藝性能的專業人員和安全、電氣專業的工程技術人員共同商議完成”。而GB 3836.14—2014《爆炸性環境 第14部分:場所分類 爆炸性氣體環境》[3]中提到“場所分類應由懂得可燃性物料性能的相關性和重要性、熟悉設備和工藝性能的專業人員進行”。

因此,電氣專業進行爆炸危險區域的設計時需由工藝專業提供可燃性物料性能和環境等資料(GB 3836.14—2014中危險場所分類數據表C.1、表C.2)作為設計依據

根據GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》中第3.2.3條釋放源分級規定,燃氣管道符合第3項“二級釋放源應為在正常運行時,預計不可能釋放,當出現釋放時,僅是偶爾和短期釋放的釋放源?！?/p>

燃氣管道中可燃性物質通常為天然氣,其主要成分為甲烷,還含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等,根據GB 50058—2014續表C,甲烷可燃性氣體分級級別為IIA,引燃溫度組別為T1;少量混合氣體中,硫化氫級別最高,為IIB,引燃溫度組別為T3,出于安全考量,可按照混合氣體考慮燃氣級別為IIB,引燃溫度組別為T3。

通風等級的評定應由暖通專業進行界定,通風的有效性影響到危險區域等級的劃分。燃氣艙為地下建筑,其自然通風忽略不計,故燃氣艙的通風有效性取決于其人工通風的可靠性和有效性。一般在設計上考慮有效臺數的備用風機;在電氣設計上考慮采用就地雙切箱進行供電;在故障情況下風機能繼續正常工作,且設計時滿足規范要求的每平方米地板每分鐘至少提供0.3 m3的空氣或至少1 h換氣6次(假定燃氣艙的通風有效性良好)。

危險場所的區域范圍一般根據GB 50058—2014附錄B的典型示意圖進行劃分,或由工藝專業直接提供。燃氣艙釋放源為燃氣管道,可燃性介質為比空氣輕的天然氣,在假定其通風良好的情況下,危險場所的區域范圍可參考典型示意圖中第13及15項進行劃分。其他艙室為無釋放源的生產裝置區與燃氣艙間,采用非燃燒體的實體墻隔開,結合典型示意圖的前置條件以及劃分規定,綜合燃氣艙的實際環境條件及特性。以某兩艙管廊項目為例,綜合管廊標準段爆炸危險區域劃分如圖1所示。

圖1　綜合管廊標準段爆炸危險區域劃分

綜合管廊標準斷面爆炸危險區域劃分如圖2所示。

綜合管廊的標準段有實體墻隔開,僅燃氣艙整艙劃為2區,其他艙室按照非爆炸危險區域考慮。對于聯通燃氣艙的進排風口,除了燃氣艙劃為2區,上部的通風井同樣劃為2區考慮;而地面以上為露天部分,自然通風良好;進風口處地表以上類似于正壓空間,可燃氣體不易溢出[4-5];排風口處其內部的機械通風持續運行,可燃氣體排出后在地表以上被吹散,不易聚集,所以爆炸危險區域劃分圖中將地表以上劃為非爆炸危險區域。標準段內部分節點會考慮設置排水泵,泵坑根據GB 50058—2014中“在障礙物、凹坑和死角處,應局部提高爆炸危險區域等級”條款,將其局部提高為1區,其余區域均按照2區考慮。

圖2　綜合管廊標準斷面爆炸危險區域劃分

爆炸危險區域劃分圖由電氣專業繪制完成后,由提資的工藝專業進行確認可燃氣體的相關參數運用的正確性,確認無誤后,爆炸危險區域劃分圖將作為整個項目防爆區域劃分以及防爆設備選擇的依據。

(4) 對爆炸危險區域劃分圖的后續設計運用。爆炸危險區域劃分圖完成后,由電氣專業以提資的形式給到各個設計專業,各個專業以此為基礎進行后續相關設計。

電氣專業在綜合管廊設計中,整個電氣系統包含變壓器、配電箱、就地雙切箱、檢修插座箱、照明燈具和各種開關、操作按鈕等設備。根據GB 50058—2014中第5.1.1條“爆炸性環境的電力裝置設計宜將設備和線路,特別是正常運行時能發生火花的設備布置在爆炸性環境以外。當需設在爆炸性環境內時,應布置在爆炸危險性較小的地點”,設備布置時將變壓器、配電箱、就地雙切箱等變配電設備設置在爆炸危險區域劃分圖的非爆炸危險區域。

在設計照明系統的燈具和開關以及必要的檢修插座箱等時,在爆炸危險區域內應選用防爆設備。防爆設備的選用應確定保護級別(EPL)、設備類別及溫度組別等要求: ① EPL根據GB 50058—2014中表5.2.2-1,按照危險區域等級進行選擇;確定EPL后,再根據GB 50058—2014表5.2.2-2對產品的防爆形式進行確認,確保電氣設備防爆結構能滿足項目的實際需求;② 防爆電氣設備的級別和組別不應低于該爆炸性氣體環境內爆炸性氣體混合物的級別和組別,利用爆炸危險區域劃分圖中可燃性氣體分級級別等參數,根據GB 50058—2014表5.2.2-3-1、表5.2.2-3-2來確定電氣設備的類別和溫度組別。

設計電氣線路時,應參考爆炸危險區域劃分圖中的爆炸危險區域與非爆炸危險區域的邊界劃分,對穿越不同區域的線路應進行保護、封堵和特殊處理;針對爆炸危險區域內的線路敷設,設計應滿足GB 50058—2014中5.4章節的條款要求。

4　實際設計中遇到的困難

在城市綜合管廊設計中,燃氣管道屬于燃氣公司負責,工藝專業無法得到、提供相關參數;管廊項目由土建專業主導,無工藝系統上的設計需求,因而危險場所分類表制作比較困難;由于規范的不完善以及現場案例的不足,爆炸危險區域的劃分只能按照化工裝置的典型案例進行類比參考。綜合管廊屬于地下空間設施,類比地上的建筑進行設計無疑很多數據、狀況無法吻合,影響電氣設計的準確性;通風的有效性在規范GB 3836.14—2014中附錄B有相關的計算公式進行計算,目前實際設計中僅按照至少1 h換氣6次來確定通風狀況良好。

5　結　語

城市綜合管廊電氣系統比較簡單,在爆炸危險區域設計時僅需考慮燃氣艙,各項目的釋放源、可燃氣體也基本類同,認為可以在制定防爆規范時新增燃氣艙的典型劃分圖或在國家標準GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》中增加燃氣艙的防爆具體針對性條款。

隨著城市、社會的不斷發展,城市綜合管廊將會大量地建設、服務于更多的城市和地區,而最近提倡的智慧城市、人工智能的理念和技術將運用到綜合管廊中,而對爆炸區域的劃分這些新技術將會提供更多的檢測、預防和防范措施和條件,讓電氣設計時有更多的手段規避危險。