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制氫站防爆電氣設計要點 氣體爆炸危險場所用電氣設備防爆型式選型

0 引言

  氫氣是一種新型的清潔能源,氫氣燃燒后的產物是水,對環境無任何影響。近日,國內首個風電制氫工業應用項目———沽源風電制氫項目制氫站開工建設。該項目是將風能轉換的電能轉化為氫氣,投產后將為該地區氫能源汽車的推廣打下基礎,并進一步為2022年北京冬奧會做好準備。制氫站的危險氣體是氫氣,一旦發生爆炸,造成的影響極大,因此,制氫站防爆電氣設備的配置是至關重要的。

1 氫氣來源及特性

  氫氣的來源比較廣泛,主要有化石能源制氫、含氫物質制氫、化工副產物氫氣回收、太陽能制氫和風能制氫。化石能源制氫包含煤氣化制氫技術、天然氣重整制氫和甲醇裂解制氫,含氫物質制氫包含電解水制氫、氨分解制氫和硼氫化鈉水解制氫,化工副產物氫氣回收包含燒堿、焦炭和輕油裂解。通過對上述幾種制氫方案的經濟性分析,水電解制氫是最經濟的方案,水電解方案電力的來源可是采用太陽能或者風能。水電解制氫原理比較簡單,在充滿氫氧化鉀或氫氧化鈉的電解槽中通入經整流器變換后的直流電,水分子在電極上發生電化學反應。化學方程式為:陰極:2H2O+2eH2↑+2OH-陽極:2OH-2eH2O+1/2O2↑總反應式:2H2O=2H2↑+O2↑水在電解槽中電解為氫氣和氧氣,然后經過分離器進行氣液分離,分離器中分離的氫氣和氧氣經過洗滌、冷凝、除水后,氫氣送至純化裝置后然后輸送到儲存裝置。據有關研究,氫氣的物理、化學特性如表1所示。

氫氣物理、化學特性

2 制氫站的危險區域劃分

  場所分類是對可能出現爆炸性環境的場所進行分析和分類的一種方法,以便正確選擇和安裝危險場所中的電氣設備,達到安全使用的目的,并把氣體的級別和溫度組別考慮進去。在使用可燃性物質的許多實際場所,無法保證爆炸性環境永不出現;也無法確保設備永不成為點燃源。因此,應該根據場所存在爆炸性環境的頻繁程度,對場所進行危險場所分區。

  2.1分區世界各國對危險場所區域劃分不同,但大致分為兩大派系:我國和大多數歐洲國家采用國際電工委員會(IEC)的分類方法,而以美國和加拿大為主要代表的其他國家則采用北美分類方法。根據爆炸性氣體(蒸氣)環境出現的頻率和持續時間,把危險場所分為以下區域:0區:爆炸性氣體環境連續出現或長時間存在的場所。1區:在正常運行時,可能出現爆炸性氣體環境的場所。2區:在正常運行時,不可能出現爆炸性氣體環境,如果出現也是偶爾發生并且僅是短時間存在的場所。

  2.2釋放等級連續級釋放源:連續釋放或預計長期釋放的釋放源。如:連續對大氣開放或是長期向大氣開放的可燃性液體表面上方的空間。1級釋放源:正常運行時,預計可能周期性或偶爾釋放的釋放源。如:在正常工作條件下預計釋放可燃性物質的泵、壓縮機或閥門的密封處;在正常操作時預計可燃性物質會釋放到大氣中的取樣點。2級釋放源:在正常運行時,預計不可能釋放,如果釋放也僅是偶爾和短時釋放的釋放源。如:設備正常運行時,預計可燃性物質不會釋放的泵、壓縮機和閥門處;在正常運行時,預計可燃性物質不會釋放的法蘭、連接件和管道配件處。

  2.3制氫站危險區域劃分在進行危險區域劃分時,首先識別鑒定釋放源和確定釋放源的等級,并分析可能影響危險場所類型和其他因素,然后確定區域類型(0區、1區、2區),最后確定危險區域范圍。本文涉及的制氫站采用的電解水制氫,危險區域劃分參考了標準GB50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》(GB50058總則中明確不適用于利用電能進行生產并與生產工藝過程直接關聯的電解、電鍍等電力裝置區域)。主要依據GB3836.14—2014《爆炸性環境第14部分:場所分類爆炸性氣體環境》和SYT6671—2006《石油設施電氣設備安裝區域一級、0區、1區和2區區域劃分推薦作法》進行危險區域劃分,制氫站的危險物質為氫氣,釋放源為管線法蘭處。經過對釋放頻率、釋放量和通風效率等工藝計算,分析并最終確定危險區域的范圍。

3 制氫站防爆電氣設備選型

  制氫站設備的選型需根據氫氣的特性進行選擇,選用的設備的級別為IIC,溫度組別不低于T1,防爆設備選型如表2所示。

氣體爆炸危險場所用電氣設備防爆型式選型

4 制氫站防爆電氣設備、線路安裝

  4.1照明燈具按照規范要求,考慮到節約能源,設計中選用防爆型式為ExdIICT4的LED防爆燈,線路布線采用電纜布線,采用鋼管保護,安裝時需要注意LED防爆燈引入口內的密封圈內徑與電纜外徑相差±1mm,與鋼管連接時,須加裝過渡壓緊元件,先用過渡壓緊元件通過墊圈、密封圈將電纜壓緊,然后通過后端的接頭連接鋼管。

  4.2變送器制氫站選用的變送器防爆型式為本安型,采用外接電源供電,一般采用防爆撓性管進行保護,對于外接電源的本安型設備需提供本安設備與安全柵的補充描述性文件,并依此文件對系統本安性能參數進行確認。

  4.3其他防爆設備安裝制氫站常用設備主要還有防爆接線箱、防爆配電箱、防爆照明開關等,采用電纜配線方式。需要特別注意的是對于隔爆型設備電纜引入裝置的選用需滿足圖1要求。

隔爆型設備電纜引入裝置選型圖

  該項目選用的配電箱、照明開關防爆型式均為隔爆型且內部有打火元件,選用的引入裝置須為填料函,防爆接線箱雖然為隔爆型但內部無打火元件選用的引入裝置為密封圈式引入裝置。對于防爆設備的接地,爆炸危險場所除2區內照明燈具以外的電氣設備應采用專用接地線;宜采用多股軟膠絲線,其銅芯截面積不得小于4mm2,金屬管線、電纜的金屬外殼等可作為輔助接地線。

  4.4 不同區域之間的隔離當爆炸危險區域的爆炸性氣體通過孔洞進入其他區域,其他區域選用的設備如果使用非防爆設備,極易引起爆炸。故不同區域之間應考慮隔離措施,敷設電氣線路的溝道、電纜或鋼管,所穿過的不同區域之間墻或樓板處的孔洞,應采用非燃性材料嚴密堵塞。圖2為電纜配線采用鋼管保護穿越不同區域隔離的安裝方法。

鋼管穿墻隔離方法

5 小結

  針對氫氣環境,不同場所選取設備的防爆型式是不同的,對本安系統需要進行系統本安參數分析;對隔爆型設備,引入裝置需特殊處理。

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