垃圾焚燒發電廠內爆炸危險環境電力裝置設計探討及實例分析

張 瑩

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

在爆炸性環境內,電力裝置的設計一般遵循以下步驟:爆炸性環境危險區域劃分、爆炸性環境危險區域范圍界定、針對爆炸性環境內的可燃性物質和可燃性粉塵進行分級、分組、根據以上結論,選擇與爆炸性環境相適應的電氣設備、并有針對性地進行電氣設備的安裝設計、電氣線路設計、爆炸性環境的接地設計等。

爆炸危險環境電力裝置設計是一個十分復雜而困難的問題。準確地進行爆炸性環境危險區域劃分和爆炸性環境危險區域范圍界定,是爆炸性危險環境電力裝置設計的先決條件,也是其設計難點。

隨著國家經濟的發展和人民生活水平的提高,城市垃圾量也飛速增長。垃圾焚燒發電廠占地面積相對于填埋方式小、長期綜合處理量大、能源可以回收利用、社會效益和經濟效益顯著,因其眾多優勢,逐步被廣大地區的環保部門所采用。至2019 年,我國垃圾處置的主流工藝包括填埋(占比56%)與焚燒(占比38%)兩種工藝,隨著填埋工藝擴張降速,填埋產能的收縮只是時間問題。

垃圾焚燒發電廠中可能出現爆炸性混合物環境的場所有若干種,不同場所的可燃氣體/粉塵的組成不同、危險區域等級也不相同,電氣設計需要有針對性的進行爆炸性環境下電力裝置的設計。在危險區域等級低的區域采用設備保護級別高的設備會提高工程造價,導致不必要的浪費;而在危險區域等級高的區域采用設備保護級別低的設備將對生產運行留下隱患。

本文結合筆者設計多個項目的實際設計范例,介紹了垃圾焚燒發電廠內爆炸危險區域的劃分及相關電力裝置設計。

筆者設計項目時主要依據是《爆炸危險環境電力裝置設計規范》(GB 50058—2014),以下文本中敘述部分所提到的規范如無特殊說明,都是指該規范。另外規范明確指出“本規范不適用災難性事故。不考慮間接危害對于爆炸危險區域劃分及相關電力裝置設計的影響?！币虼艘韵滤龅慕榻B及分析都是基于這一前提展開。

1 爆炸危險環境電力裝置設計簡介

1.1 爆炸性氣體環境危險區域的劃分

爆炸危險區域的劃分應按釋放源級別和通風條件確定,存在連續級釋放源的區域可劃為0 區,存在一級釋放源的區域可劃為1 區,存在二級釋放源的區域可劃為2 區,并應根據通風條件按下列規定調整區域劃分:

(1)當通風良好時,可降低爆炸危險區域等級;當通風不良時,應提高爆炸危險區域等級。

(2)局部機械通風在降低爆炸性氣體混合物濃度方面比自然通風和一般機械通風更為有效時,可采用局部機械通風降低爆炸危險區域等級。

(3)在障礙物、凹坑和死角處,應局部提高爆炸危險區域等級。

(4)利用堤或墻等障礙物,限制比空氣重的爆炸性氣體混合物的擴散,可縮小爆炸危險區域的范圍。

1.2 爆炸性氣體環境危險區域范圍

爆炸危險區域的范圍應根據釋放源的級別和位置、可燃物質的性質、通風條件、障礙物及生產條件、運行經驗,經技術經濟比較綜合確定。

建筑物內部宜以廠房為單位劃定爆炸危險區域的范圍。當廠房內空間大時,應根據生產的具體情況劃分,釋放源釋放的可燃物質量少時,可將廠房內部按空間劃定爆炸危險的區域范圍,并應符合相關規范的規定。

1.3 爆炸性氣體混合物的分級、分組

表1 爆炸性氣體混合物分級

表2 引燃溫度分組

1.4 爆炸性粉塵環境

爆炸性粉塵環境危險區域劃分和危險區域范圍的界定原則與爆炸性氣體環境類似,區別僅在于由于形成爆炸性環境的介質不同,因此爆炸性環境危險區域范圍界定的邊界差異、以及在不同介質的爆炸性環境內電氣設備防爆結構也有所不同。

2 垃圾焚燒發電廠內爆炸危險環境電力裝置設計實例分析

2.1 示例工程概況

一般城市典型的垃圾焚燒發電廠,其工藝系統包括:垃圾接收及儲存系統、垃圾焚燒系統、余熱鍋爐系統、煙氣凈化系統、汽輪發電機組、汽水循環系統、灰渣處理及儲存系統、飛灰處理系統、污水處理系統、循環水系統、化學水系統、給排水系統、消防系統、電力系統、供熱系統、測量及控制系統、滲濾液收集處理系統等。垃圾焚燒發電廠中可能出現爆炸性混合物環境的場所通常有滲濾液泵操作間、滲濾液間及相鄰樓梯間、SNCR 間、蓄電池室、垃圾倉及受料平臺、活性炭間等多種場所,不同場所的可燃氣體/粉塵的組成不同、危險區域等級也不相同。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。

2.2 垃圾焚燒發電廠爆炸性環境危險區域劃分和區域范圍界定

2.2.1 垃圾焚燒發電廠爆炸性環境危險區域劃分

(1)滲濾液泵操作間、滲濾液溝道間及相鄰樓梯間、垃圾倉及受料平臺

垃圾在垃圾倉存儲過程中發酵產生滲濾液及可燃性氣體,與空氣混合形成爆炸性氣體混合物。這些氣體混合物會彌散到滲濾液泵操作間、滲濾液溝道間及相鄰樓梯間、垃圾倉及受料平臺。

由于可燃性氣體是垃圾易腐敗物質厭氧發酵產生的,而厭氧發酵過程與接觸方式、接觸時間、環境溫度密切相關,因此不同季節的垃圾產生的可燃性氣體的組成和濃度均有不同。目前這些可燃氣體的組成成分筆者尚未看到直接有力的論證文章,筆者參考關于城市垃圾臭氣成分分析的文章,文章說明生活垃圾在堆放過程中會產生發酵臭氣,其主要成份為H2S 和NH3,此外還有甲硫醇、甲胺、甲基硫等有機氣體。在氧氣量足夠時,垃圾中的有機成份如蛋白質,在好氧細菌作用下產生NH3;在氧氣不足時,厭氧細菌將有機物分解為不徹底的氧化產物H2S 和NH3、SO2、硫醇類、胺類等化合物。生活垃圾在堆放過程中也會產生沼氣,沼氣是有機物質在厭氧條件下,經過微生物的發酵作用而生成的一種混合氣體。沼氣的主要成分是甲烷。沼氣由50%～80%甲烷(CH4)、20%～40%二氧化碳(CO2)、0%～5%氮氣(N2)、小于1%的氫氣(H2)、小于0.4%的氧氣(O2)與0.1%～3%硫化氫(H2S)等氣體組成?？諝庵腥绾?.6%～20.8%(按體積計)的沼氣時,就會形成爆炸性的混合氣體。結合生活垃圾產生的臭氣和沼氣的成分分析資料,筆者認為垃圾在垃圾倉存儲過程中發酵產生的可燃性氣體的主要成分是硫化氫(H2S)、甲烷(CH4)、NH3、硫醇類氣體。規范GB 50058—2014 中說明“當存在有兩種以上可燃物質形成的爆炸性混合物時,應按照混合后的爆炸性混合物的級別和組別選用防爆設備,無據可查又不可能進行試驗時,可按危險程度較高的級別和組別選用防爆電氣設備?！崩诶鴤}存儲過程中發酵產生的可燃性氣體中硫化氫的危險程度最高,它的級別和組別分別是IIB 和T3。

垃圾在垃圾倉存儲過程中發酵是一個持續的過程,屬于連續級釋放源。

但是基于以下原因,垃圾倉及受料平臺又很難有爆炸性氣體的集聚。

①垃圾在垃圾倉的存儲過程中會被翻撿,而且垃圾倉內垃圾占容比較低、空氣流通性好、因此其厭氧發酵產生的氣體總量不多,更不會有短時內突然產生大量可燃氣體的可能。

②垃圾倉內設有風口與焚燒爐相連,連續生產時,一次風機將垃圾倉內的空氣引入焚燒爐,使垃圾倉保持負壓,防止臭氣逸散到空氣中,也使可燃氣體很快稀釋。

③在垃圾倉內還設置了除臭風機,在焚燒爐停止工作時啟動,保證了垃圾倉的負壓環境。除臭風機按一用一備配置,每套除臭風機可達到對垃圾倉及相通環境至少1 h 換氣6 次的工作能力。因此垃圾倉及相通環境符合規范GB 50058—2014 中對通風良好場所的定義。

因為濾液泵操作間、滲濾液溝道間及相鄰樓梯間,與垃圾倉及受料平臺區域雖然都連續級釋放源,但具體情況又有區別,因此其危險區域劃分將在后續章節中、結合危險區域界定再做論述。

(2)氣瓶間

合理地利用和控制乙炔-空氣混合氣爆炸產生沖擊波的能量,可以達到對余熱鍋爐受熱面清灰的作用。因此一般垃圾焚燒發電廠都會配備氣瓶間,存放余熱鍋爐清灰用的乙炔氣體。因此氣瓶間可能出現的爆炸性氣體混合物,是由乙炔與空氣混合形成,乙炔的級別和組別分別是IIC 和T2。

氣瓶間的氣瓶儲罐及相通管道、閥門,在正常運行時,預計不可能釋放,當出現釋放,僅是偶爾和短期釋放,屬于規范定義中的二級釋放源。而且氣瓶間都是三面有墻、一面對室外敞開(僅有圍欄遮擋)的半封閉建筑,使其具有自然通風的條件。因此筆者認為氣瓶間可以定義為2 區。

(3)SNCR 間

一般城市典型的垃圾焚燒發電廠煙氣凈化采用的工藝多為“旋轉噴霧半干法脫酸+Ca(OH)2干法噴射+活性炭噴射+SNCR 工藝”。其中SNCR 系統采用氨水作為還原劑。因此SNCR 間可能出現的爆炸性氣體混合物,是由氨水揮發的氨氣與空氣混合形成。氨氣的級別和組別分別是IIA 和T1。

SNCR 間的氨水儲罐、泵及輸送管道在正常運行時其氨氣,預計不可能釋放,當出現釋放,僅是偶爾和短期釋放,屬于規范定義中的二級釋放源。有的SNCR 間是三面有墻、一面對室外敞開(僅有圍欄遮擋)的半封閉建筑,使其具有自然通風的條件;而對于有些封閉建筑內SNCR 間,也都設置了通風風機,保證了至少1 h 換氣6 次的工作能力。因此筆者認為SNCR 間可以定義為2 區。

(4)活性炭間

煙氣凈化工藝中還用到了活性炭。在綜合主廠房內會設置一個活性炭間,配置1 套活性炭噴射裝置,1 臺活性炭倉,活性炭倉上配有高、低料位計、倉頂除塵器、防爆裝置、真空壓力釋放閥、倉壁振動器和人孔等附屬設施?；钚蕴刻砑訛檫B續作業,獨立供料,由定量給料機控制活性炭添加量,經給料機直接將活性炭噴入反應塔出口管道?；钚蕴糠蹓m屬于IIIC 級導電性粉塵。根據規范說明,活性炭倉相通管道為全部焊接的輸送管,不應視為釋放源;但是其敞開的上料口是一級釋放源。為了滿足國標《生活垃圾焚燒處理工程技術規范》(CJJ90—2009)要求,活性炭倉設有氮氣保護系統,以杜絕失火、爆炸等事故的發生。在活性炭間內也設置了通風風機,保證了至少1 h 換氣6 次的工作能力。因此筆者認為活性炭間可以定義為22 區。

(5)蓄電池室

根據規范DL/T 5044—2014《電力工程直流系統設計技術規程》的介紹,閥控式密封鉛酸蓄電池具有發電性能好、技術指標先進、占地面積小河維護工作量小等優點。相對于固定型排氣式鉛酸蓄電池和鎘鎳堿性蓄電池,在發電廠項目中,閥控式密封鉛酸蓄電池技術技經綜合優勢明顯。目前一般城市典型的垃圾焚燒發電廠都采用閥控式密封鉛酸蓄電池,一般兩爐兩機的垃圾焚燒發電廠蓄電池容量為400 Ah。

老式鉛酸蓄電池充電時水的電解。當充電達到一定電壓時在蓄電池的正極上放出氧氣,負極上放出氫氣。一方面釋放氣體帶出酸霧污染環境,另一方面電解液中水份減少,必須隔一段時間進行補加水維護。閥控式鉛酸蓄電池就是為克服這些缺點而研制的產品,其基本特點是使用期間不用加酸加水維護,電池為密封結構,不會漏酸,也不會排酸霧,電池蓋子上設有單向排氣閥(也叫安全閥),該閥的作用是當電池內部氣體量超過一定值(通常用氣壓值表示),即當電池內部氣壓升高到一定值時,排氣閥自動打開,排出氣體,然后自動關閥,防止空氣進入電池內部。

因此蓄電池間可能出現的爆炸性氣體混合物,是由鉛酸蓄電池水的電解產生的氫氣與空氣混合形成,氫氣的級別和組別分別是IIC 和T1。閥控式密封鉛酸蓄電池在正常運行時其氫氣,預計不可能釋放,當出現釋放,僅是偶爾和短期釋放,屬于規范定義中的二級釋放源。在蓄電池間內還設置了通風風機,保證了至少1 h 換氣6 次的工作能力?！侗ㄎｋU環境電力裝置設計規范》(GB 50058—2014)附錄B 的第23 條增加了對蓄電池室危險區域的劃分建議。結合目前一般城市典型的垃圾焚燒發電廠蓄電池室的情況,筆者認為可以參考第23 -3)、23 -5)兩條,將蓄電池室區域劃為非危險區域考慮。

2.2.2 垃圾焚燒發電廠爆炸性環境危險區域界定

(1)滲濾液泵操作間、滲濾液溝道間及相鄰樓梯間、垃圾倉級受料平臺

垃圾厭氧發酵產生氣體成分復雜,綜合相對密度是否比空氣重無法判斷,筆者認為在做相關危險區域界定時只能以最不利的情況考慮,危險區域為按比空氣重和比空氣輕兩種情況下確定區域的疊加。

垃圾倉及受料平臺:其實像垃圾倉這種區域在規范中附錄B.0.1 沒有與之特別相似的分類,筆者結合之前2.2.1(1)中的分析,認為垃圾雖然從性質上屬于連續級釋放源,但其可燃氣體的釋放量相對于空間來說較低,而且通風系統的設置保證了整個垃圾倉成為一個通風良好的場所,再結合規范附錄B.0.1 -1、附錄B.0.1 -5 和附錄B.0.1 -10 的說明最終界定:距離垃圾頂部7.5 m 以下范圍化為2區,這基本上就將2 區的范圍限制在了垃圾倉倉體空間內;垃圾受料平臺及以上部分可視為2 區外部分,即非危險區。

滲濾液泵操作間、滲濾液溝道間及相鄰樓梯間:結合之前的分析,參考規范附錄B.0.1 -1 和B.0.1-10 的說明界定:滲濾液泵操作間、滲濾液溝道間,類似于爆炸危險區域內,地坪下的坑、溝區域,可化為1 區;相鄰樓梯間,因有密閉前室分隔,可化為2區。

(2)氣瓶間

乙炔相對密度為0.9,根據規范條文解釋,在工程設計中視為相對密度比空氣重的物質。結合之前的分析,參考規范附錄B.0.1 -1 的說明界定:整個氣瓶間及距離釋放源7.5 m 范圍可化為2 區;以釋放源為中心,總半徑為30 m,地坪上的高度為0.6 m,且在2 區外的范圍內可化為附加2 區。需說明的是,無論是2 區還是附加2 區,這個區域界定一般已經超出氣瓶間的范圍。筆者認為對于和氣瓶間相通的室外處可以參考以上危險區域范圍界定;而與氣瓶間有無孔洞實體墻分隔的墻外或是其他車間可以視為非危險區。

(3)SNCR 間

氨氣相對密度為0.6。結合之前的分析,參考規范附錄B.0.1 -5 的說明界定:整個SNCR 間可化為2 區;而與SNCR 間有無孔洞實體墻分隔的墻外或是其他車間可以視為非危險區。

(4)活性炭間

目前活性炭倉上料有兩種方式:①活性炭粉料通過人工拆袋手動排空到活性炭倉,類似于規范附錄D.0.2 描述的情況。②活性炭粉料通過負壓吸附被吸入活性炭倉,類似于規范附錄D.0.3 描述的情況。

因為活性炭倉加料并不頻繁,基于成本考慮,筆者所接觸到的工程基本采用的都是方式一。針對于此上料方式,參考規范附錄D.0.2 的說明界定:活性炭間內,活性炭倉內部為20 區;活性炭倉敞開的入孔1 m 半徑范圍內為21 區;整個活性炭間內、超出21 區部分為22 區。

2.2.3 垃圾焚燒發電廠爆炸性環境危險區域劃分及相應電氣設備保護級別表格

綜上所述,筆者對一般城市典型的垃圾焚燒發電廠各爆炸性危險環境區域劃分及相關環境電氣裝置保護級別總結如下:

表3 垃圾焚燒發電廠各爆炸性危險環境區域劃分及相關環境電氣裝置保護級別

2.3 垃圾焚燒發電廠爆炸性環境電力裝置設計

筆者對一般城市典型的垃圾焚燒發電廠各爆炸性危險環境區域劃分及相關環境電氣裝置保護級別做了匯總表格,但針對不同區域的電力裝置設計,筆者還有一些想法闡述。

(1)垃圾倉及受料平臺

如圖1,±0.00 水平線為垃圾倉裝載垃圾的設計界限,我們之前分析的倉爆炸性環境危險區域界定是以此線為依據的。但實際運行中,會有垃圾焚燒廠垃圾裝載量呈上行曲線所示,這就是俗稱的爆倉情況。在垃圾倉內的電氣設備有消防炮、垃圾吊、照明燈具。筆者目前接觸的多個項目,業主對消防炮和垃圾吊都沒有提出防爆要求,而對照明燈具有的業主專門提出了設置防爆燈具的要求。筆者認為,從理論分析來說,裝設在垃圾倉頂上的燈具可以按非防爆標準設置。

圖1 垃圾倉堆料示意

(2)氣瓶間

氣瓶間內可能涉及到的用電設備只有照明設備,考慮到氣瓶間操作一般都安排的白班,極少夜晚操作,而且如前所述垃圾電廠的氣瓶間都是三面有墻、一面對室外敞開(僅有圍欄遮擋)的開敞式建筑,因此筆者會建議業主采用了路燈照明作為氣瓶間的照明、或采用防爆行燈,而不在氣瓶間內設置常用照明燈具,降低了該區域的爆炸危險性。

(3)SNCR 間

國家能源局關于印發《防止電力生產事故的二十五項重點要求》的通知中、1.8.19 說明“氨區所有電氣設備、遠傳儀表、執行機構、熱控盤柜等均選用相應等級的防爆設備,防爆結構選用隔爆型(Exd),防爆等級不低于IIA T1”。此條文為SNCR 間電氣設備的選型提供了依據。

(4)蓄電池室

其實對于蓄電池室電力裝置是否采用防爆設計,不同規范觀點也不盡相同。如《電力工程直流系統設計技術規程》(DL/T 5044—2014)不區分電池種類,對所有的蓄電池室統一按爆炸性氣體環境考慮,條目8.1.7 中要求“蓄電池室內應有良好的通風設施。通風電動機應為防爆式”;而《電力設備典型消防規程》(DL 5027—2015)按不同電池種類的特性,將蓄電池室的環境區分為酸性蓄電池室和其他蓄電池室,10.6.2 說明“其他蓄電池室(閥控式密封鉛酸蓄電池室、無氫蓄電池室、鋰電池室、鈉硫電池、UPS 室等)應符合下列要求:1.蓄電池室應有通向室外的有效通風裝置,閥控式密封鉛酸蓄電池室內的照明、通風設備可不考慮防爆?！?《國家電網有限公司關于印發十八項電網重大反事故措施(修訂版)的通知》5.3.1.5 說明“酸性蓄電池室(不含閥控式密封鉛酸蓄電池室)照明、采暖通風和空氣調節設施均應為防爆型,開關和插座等應裝在蓄電池室的門外”。

規范DL 5027—2015 和《國網反措》中的要求,應充分考慮目前設備實際的技術發展水平,認為閥控式密封鉛酸蓄電池正常運行時產生的氫氣量極低,在設置有效通風裝置后,其可能出現的最高濃度不足以在蓄電池室形成達到氫氣爆炸下限值的10% 的爆炸性環境,滿足規范DL 50058—2014 3.3.3 中“爆炸性氣體環境內的車間采用正壓或連續通風稀釋措施后,不能形成爆炸性氣體環境時,車間可將為非爆炸危險環境?！币?因此在閥控式密封鉛酸蓄電池室區域內的電氣設備不要求考慮防爆。這與筆者之前將蓄電池室劃分為非危險區域的分析相符。

但規程DL/T 5044—2014 關于“蓄電池室內通風電動機應為防爆式?！惫P者認為也有一定道理。因為,無論哪本規范規程,對于在蓄電池室內設置良好的通風裝置都是有統一要求的,正是在通風良好后,蓄電池室的爆炸危險區域等級才得以降低,而通風設備所接觸部分的可燃氣體濃度相對要高于蓄電池室。因此對蓄電池室內通風電動機采用防爆式,造價提升不多但安全性有了較大的保證。

另外,一方面由于業主和設計人員對安全性的強調;另一方面,蓄電池室內采用防爆型電氣設備對整個工程造價增加微乎其微,因此在實際操作中,筆者接觸、了解的工程,在垃圾焚燒發電廠蓄電池室的照明、通風等電氣設備都采用了防爆型的電氣設備。

綜上所述,筆者對一般城市典型的垃圾焚燒發電廠各爆炸性危險環境區域劃分及相關環境電氣裝置防爆設計總結如下:0 區內電氣設備、燈具、接線盒、分支盒、撓性連接管采用澆封型,1 區、2 區內電氣設備、燈具、接線盒、分支盒、撓性連接管采用隔爆型,22 區內電氣設備、燈具、接線盒、分支盒、撓性連接管采用本質安全型。鋼管螺紋旋合不應少于5扣,且電纜線路不應有中間接頭。

(1)鋼管配線的電氣線路必須作好隔離密封,其穿過墻或樓板的孔洞應用非燃性材料嚴密堵塞,做法見標準12D401-3《爆炸危險環境電氣線路和電氣設備安裝》。

(2)室內配電線路采用電纜穿鋼管,鋼管應采用低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管,鋼管連接的螺紋部分應涂以鉛油或磷化膏。

3 結論

垃圾焚燒發電廠內爆炸危險環境電力裝置設計是一個十分復雜的問題。其設計難點在于,針對可能出現的爆炸性環境、準確地進行危險區域等級劃分和危險區域范圍界定。只有對爆炸性環境危險區域進行了準確地劃分和范圍界定,才能有針對性地進行電氣設備的安裝、電氣線路、接地等方面的設計,使工程設計在保證技術可靠的前提下、實現經濟上的優化。