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燃氣鍋爐房爆炸性環境與放散管防雷設計分析

2023年01月02日 14:43:40 來源：云南昌暉儀表制造有限公司 >> 進入該公司展臺閱讀量：21

相對于普通民用建筑而言，鍋爐房是一種較特殊的設施，從其內部設備到建筑條件的諸多細節，均需設計慎重考慮。鍋爐房分類較多，民建項目中常見的燃氣鍋爐房主要是地上獨立鍋爐房和地下室鍋爐房。關于燃氣鍋爐房到底是否屬于爆炸危險區域、鍋爐房內電氣設備是否需采用防爆型、鍋爐房如何進行電氣設計等內容，也已經有較多文獻進行了分析。本文基于關鍵性規范內容，重點分析燃氣鍋爐房的爆炸性氣體環境和燃氣放散管防雷，并提出一些不同的設計做法和建議。

1、燃氣鍋爐房的爆炸性環境分析
燃氣鍋爐房是否屬于爆炸危險區域，是鍋爐房電氣設計最關鍵的問題。一方面，對其是否是爆炸危險區域的判別難以有根本性的決斷；另一方面，施工圖外審專家與設計人員的不同看法造成了設計壓力。由于設計中對燃氣鍋爐房的爆炸危險區域的劃分結論，牽涉到諸多規范強條，因此極其重要。從設計安全起見的慣例來看，燃氣鍋爐房往往會被判定為爆炸危險區域。本文從兩個不同類型的燃氣鍋爐房進行對應性分析，探討是否有必要采用一刀切的做法，將燃氣鍋爐房判定為爆炸危險區域。

首先來看何為“爆炸危險區域”與“爆炸性環境”。根據GB50058-2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》相關定義：

“2.0.12 爆炸危險區域 hazardous area
爆炸性混合物出現的或預期可能出現的數量達到足以要求對電氣設備的結構、安裝和使用采取預防措施的區域。”

“2.0.29 爆炸性環境 explosive atmospheres
在大氣條件下，氣體、蒸氣、粉塵、薄霧、纖維或飛絮的形式與空氣形成的混合物引燃后，能夠保持燃燒自行傳播的環境。”

規范條文中，爆炸性環境即指空氣中存在某種混合物引燃后可持續燃燒傳播能量的環境。此條文特別指出了混合物引燃后產生爆炸，因此爆炸危險區域是指該區域可能會因為某種混合物的出現使正常環境(一般指普通空氣環境)變成爆炸性環境。因此對電氣設備要采取預防措施，其目的是以防將該環境內的混合物引燃。根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》：“3.1.2在爆炸性氣體環境中發生爆炸應符合下列條件：1 存在可燃氣體、可燃液體的蒸氣或薄霧，濃度在爆炸極限以內；2 存在足以點燃爆炸性氣體混合物的火花、電弧或高溫”可知，引燃是爆炸性氣體環境發生爆炸的兩個條件之一，這與我們常規理解的爆炸危險區域有所區別。常規理解爆炸危險區域是指該區域有爆炸危險，不管是什么原因引起的爆炸，比如爆炸、軍火庫爆炸、壓力容器爆炸等等。根據《爆規》的定義，該區域有可能出現爆炸條件1(《爆規》第3.1.2條第1款或第4.1.3條第1款)，進而必須要對爆炸條件2(《爆規》第3.1.2條第2款或第4.1.3條第2款)加以控制，從電氣專業上考慮即要對該區域的電氣設備采取預防措施。筆者理解，如果該區域不存在爆炸條件1，即濃度達不到爆炸極限，也就不需要對電氣設備采取措施，那該區域也不用判定為是爆炸危險區域。因此先有爆炸性環境產生的可能性，從而再將產生該環境的區域劃分為爆炸危險區域，這是有先后順序的。假如一個環境，不可能轉變為爆炸性環境，即無需劃分為爆炸危險區域。

燃氣鍋爐房采用的市政天然氣主要成分是甲烷，根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》附錄C表C第1行可查得其爆炸性混合物分級與分組。由《爆炸危險環境電力裝置設計規范》第3.2.3條可知，燃氣鍋爐房內僅僅可能存在二級釋放源。按《爆炸危險環境電力裝置設計規范》附錄B第5條對于可燃物質輕于空氣，通風良好且為第二級釋放源的主要生產裝置區(圖B.0.1-7)，當釋放源距地坪的高度不超過4.5m時，以釋放源為中心，半徑為4.5m，頂部與釋放源的距離為7.5m，及釋放源至地坪以上的范圍內可劃為2區。根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》第3.2.4條和第3.2.2條的條文說明，地上鍋爐房可以認為是通風良好的場所。地上鍋爐房采用建筑可開啟窗和百葉窗，以及暖通設置機械通風的雙重措施，以此來保證鍋爐房的通風良好。如果按《爆炸危險環境電力裝置設計規范》第3.2.1條和第3.2.5條，燃氣鍋爐房內按存在二級釋放源的區域劃分為2區，一般就是指鍋爐工作間(本文中為小型鍋爐房，只有鍋爐工作間和控制室兩個細分區域，其余區域本文不作討論)。根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》第3.3.3條“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，車間可降為非爆炸危險環境。通風引入的氣源應安全可靠，且無可燃物質、腐蝕介質及機械雜質，進氣口應設在高出所劃爆炸性危險區域范圍的1.5m以上處”和第3.2.5條“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”可知，因可保證鍋爐房內混合物達不到爆炸濃度，雙重措施下通風良好的鍋爐房，可降低爆炸危險區域等級。注意《爆炸危險環境電力裝置設計規范》第3.3.3條的要求，進氣口此處則應在屋頂1.5m上方，設置通氣管更利于室內自然通風，具體規格由暖通計算確定，如圖1所示。

圖1 燃氣鍋爐房的屋頂通氣管

此處屋頂已在爆炸危險區域以外，非同一環境，可以保證氣源安全可靠，因此并未設置1.5m高進氣口。如若在室內，比如燃氣鍋爐直接設置在高大廠房內時，則是按2區劃分范圍釋放源上方7.5m區域上的高1.5m處設置進氣口。室外進氣口與機械排風口遠離，同時為防止后期放散管的氣體吹散后進入，也應遠離放散管口。由此可見，地上獨立鍋爐房可以滿足規范要求，也與實際環境條件吻合，已滿足防止爆炸性環境產生的條件，可判定為非爆炸危險區域。電氣設計師可據此理由，與施工圖審查專家探討此燃氣鍋爐房可不劃分為爆炸危險區域。

關于燃氣鍋爐房的泄爆與爆炸危險區域的關系，普遍認為燃氣鍋爐房有泄爆要求，就證明燃氣鍋爐房是爆炸危險區域。如GB50041-2020《鍋爐房設計標準》的第4.1.2條條文說明：“由于鍋爐房是具有一定爆炸性危險的建筑，其對周圍的危害性極大，因此對新建鍋爐房，原則上規定宜為獨立的建筑物。”第15.1.2條條文說明：“由于鍋爐房一旦發生燃料介質爆炸或壓力部件爆炸，均可能對建筑物造成較嚴重的破壞，因此，鍋爐房應考慮防爆問題，特別是對非獨立鍋爐房，要求有足夠的泄壓面積。泄壓面積可利用對外墻、樓地面或屋面采取相應的防爆措施辦法來解決，采用輕質屋面板、輕質墻體和易于泄壓的門、窗等，泄壓地點也要確保安全。本條為強制性條文，必須嚴格執行。”條文說明有可能發生燃料介質爆炸，但說法過于籠統，未詳細分析具體爆炸條件。不可否認鍋爐房是存在爆炸性危險的建筑物，但筆者認為有多重措施保障良好通風的地上鍋爐房，已不是《爆炸危險環境電力裝置設計規范》所定義的爆炸危險區域。

再來看看地下室燃氣鍋爐房。地下室鍋爐房是封閉區域，暖通設置有一套機械送排風系統。送風系統的進風口滿足規范要求，氣源也是安全可靠的，滿足《爆炸危險環境電力裝置設計規范》第3.2.4條第1款第4)項“對于封閉區域，每平方米地板面積每分鐘至少提供0.3m3的空氣或至少1h換氣6次。”該地下室鍋爐房地下室內的送排風系統引入雙電源供電。按《爆炸危險環境電力裝置設計規范》第3.2.4條第2款“當采用機械通風時，下列情況可不計機械通風故障的影響：1）封閉式或半封閉式的建筑物設置備用的獨立通風系統；2）當通風設備發生故障時，設置自動報警或停止工藝流程等確保能阻止可燃物質釋放的預防措施，或使設備斷電的預防措施。”暖通一般不會設置備用的獨立通風系統，如果通風設備故障停機運行，則應設置自動報警，同時風機系統的雙電源由消防電源供電并進行消防電源監控，如此也可認為是通風良好場所。此外下沉庭院做泄爆口兼排風，在這里設置可開啟窗和百葉窗，然后頂部地面上綠化帶內再設置通風口，這樣也可以做到空氣流通自然通風，如圖2所示。

圖2 地下室燃氣鍋爐房的泄爆口兼排風

因此在地下室鍋爐房有自然通風措施、可靠的可燃氣體報警與控制、通風設備運行監控和有人值班的維護管理制度巡檢，仍可認為已采用了有效措施，使之可以降低爆炸危險區域等級，從2區降為非爆炸危險區域。當然，地上鍋爐房也離不開必須要有的可燃氣體探測和可靠的運行維護。因此，燃氣鍋爐房在良好的通風條件、可靠的監測手段、完善的運維制度下，是可以認為不會產生爆炸性氣體環境的，從而劃分為非爆炸危險區域（此“爆炸”是對電氣專業的約束，不包含鍋爐的壓力爆炸）。另外，GB50028-2006《城鎮燃氣設計規范》的附錄D也有條文規定，燃氣鍋爐房不屬于爆炸危險場所。且實際中很多燃氣鍋爐，直接放在工廠里面，或者房間內使用，也并未采用電氣防爆設備。

2、放散管防雷設計分析
燃氣鍋爐房的防雷是一個重點，不管是否按爆炸危險區域2區劃分后按第二類防雷，還是不劃分為2區按第三類防雷，都需考慮其中最關鍵的放散管的防雷設計，這是鍋爐房設計中容易忽視的一點，《鍋爐房設計標準》第15.2.15條也有專門要求。

首先分析下放散管有何特殊的防雷要求，根據GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》：“4.4.2突出屋面物體的保護措施應符合本規范第4.3.2條的規定。”(“4.3.2突出屋面的放散管、風管、煙囪等物體，應按下列方式保護：1排放爆炸危險氣體、蒸氣或粉塵的放散管、呼吸閥、排風管等管道應符合本規范第4.2.1條第2款的規定。2排放無爆炸危險氣體、蒸氣或粉塵的放散管、煙囪，1區、21區、2區和22區爆炸危險場所的自然通風管，0區和20區爆炸危險場所的裝有阻火器的放散管、呼吸閥、排風管，以及本規范第4.2.1條第3款所規定的管、閥及煤氣和天然氣放散管等，其防雷保護應符合下列規定：1)金屬物體可不裝接閃器，但應和屋面防雷裝置相連。2）除符合本規范第4.5.7條的規定情況外，在屋面接閃器保護范圍之外的非金屬物體應裝接閃器，并應和屋面防雷裝置相連。”)(第4.2.1條第3款：“排放爆炸危險氣體、蒸氣或粉塵的放散管、呼吸閥、排風管等，當其排放物達不到爆炸濃度、長期點火燃燒、一排放就點火燃燒，以及發生事故時排放物才達到爆炸濃度的通風管、安全閥，接閃器的保護范圍應保護到管帽，無管帽時應保護到管口。”)那么做放散管的防雷設計，關鍵是要搞清楚燃氣鍋爐房的放散管的排放物能否達到爆炸濃度？根據《鍋爐房設計標準》：“13.3.4燃氣管道上應裝設放散管、取樣口和吹掃口，并應符合下列規定：1其位置應能將管道與附件內的燃氣或空氣吹凈；2放散管可匯合成總管引至室外，其排出口應高出鍋爐房屋脊2m以上，并應使放出的氣體不致竄入鄰近的建筑物和被通風裝置吸入；3密度比空氣大的燃氣放散，應采用高空或火炬排放，并應滿足最小頻率上風側區域的安全和環境保護要求；當工廠有火炬放空系統時，宜將放散氣體排入該系統中。”（第13.3.4條條文說明：“日常維修和停運時燃氣管道要進行吹掃放散，系統設置以吹凈為目的，不留死角。密度比空氣大的燃氣應采用高空或火炬排放。”)“13.3.5燃氣放散管管徑應根據吹掃段的容積和吹掃時間確定；吹掃量可按吹掃段容積的10倍-20倍計算，吹掃時間可采用15min-20min；吹掃氣體可采用氮氣或其他惰性氣體。”

這說明燃氣鍋爐房的放散管，是日常維修和停運后才會吹掃放散，且采用的是氮氣或其他惰性氣體，這不會將殘余甲烷與空氣形成混合濃度達到爆炸極限，即達不到爆炸濃度。因此燃氣鍋爐房放散管防雷有以下幾種做法。

種做法：第二類或第三類防雷的燃氣鍋爐房的放散管，在判定放散管排出的氣體達不到爆炸濃度時，可按《建筑物防雷設計規范》第4.3.2.2條進行，地上鍋爐房的屋頂放散管直接與屋面接閃帶相連，而不用單獨設置接閃器對其進行保護。地下室鍋爐房設置在地面上的放散管，則采用引線直接與地下室接地體連接接地。按照《城鎮燃氣設計規范》第10.2.39條的要求，接地電阻應小于10Ω。

第二種做法：考慮到放散管是直接連接到燃氣管道的，屋頂2m高的放散管已經相當于一根2m高的接閃桿，若與鍋爐房煙囪間隔較遠，則會形成一個高概率的引雷點，實際上會形成一個雷電流分流后的直接通道，即從燃氣放散管經燃氣管道，再經過接地裝置流入大地，當然這一部分雷電流極小，但是在運行中有雷電流流過可能會對燃氣管道產生損壞，有隱患存在。由于放散管后期是由燃氣公司施工安裝，若放散管與接閃帶的連接施工不規范，或由于某些原因未有效電氣連接或年久腐蝕斷裂，而屋頂防雷裝置后續又沒有維護保養，則將造成隱患，特別是多雷地區，更有嚴重雷電隱患。按《建筑物防雷設計規范》第4.2.4條，可以將接閃器直接安裝在建筑物上。按《建筑物防雷設計規范》第4.2.1條第3款單獨做一個接閃桿保護放散管也是可以的，只是不需要按第4.2.1條第2款的表4.2.1去保護那么大的范圍。因此建議電氣設計按第4.2.4條設置，經過計算后按圖集15D501《建筑物防雷設施安裝》P22做一個約4.0m高接閃桿，如圖3所示。

圖3 放散管采用屋頂接閃桿防雷保護

第三種做法：如果內部放散管管路條件允許，可以將放散管匯總后引出設置在10m高(或更高)的金屬煙囪(材質滿足接閃器要求)邊上，使其處于金屬煙囪的保護范圍內。金屬煙囪頂部和底部，均應與防雷裝置和接地裝置連接。但是這種做法，受限制于后期燃氣施工人員和甲方管理水平，暖通專業圖紙上沒有放散管，或放散管定位難以準確。即使電氣與暖通專業協商，設計圖上注明了燃氣放散管位置，也存在施工過程中燃氣施工方忽略土建設計圖紙的問題，使得放散管防雷可能存在隱患。

還有一種看法，即可能的第四種做法：如果將其認為排放的是爆炸危險氣體，那么就會按《建筑物防雷設計規范》第4.2.1條第2款去做防雷設計。由于按《建筑物防雷設計規范》表4.2.1要求的保護半徑過大，勢必造成要設置一座高度很高的接閃桿，以本文案例分析，若設置在屋頂，則需要接閃桿高度約18m，若單獨距建筑物3m外設置，則需要獨立接閃桿高度約32m。這明顯不是一個很合理的防雷工程做法，而且也過于教條，原因在于未分析放散管的排出氣體到底是否達到爆炸濃度。

慎重起見，建議按第二種做法，將放散管等同于屋面燃氣管道，考慮防直擊雷和防閃電感應，盡可能地避免直接雷擊危害。放散管盡量遠離接閃桿，遠離易受雷擊的地方。若放散管位置與接閃桿預留基座位置不匹配，應調整接閃桿或放散管位置。該做法從工程實施和成本上考慮都較合適，而且維護管理應每年到屋頂防雷巡查檢測，以保安全。地下室燃氣鍋爐房的放散管一般在其所附屬地下室上部高層建筑物接閃器的保護范圍內；若在范圍外，也應在其附近設置接閃桿對其進行防雷保護。屋頂接閃桿防雷保護范圍如圖4所示。

圖4 屋頂接閃桿防雷保護范圍

需要注意的是，類防雷建筑物的燃氣放散管，應按《建筑物防雷設計規范》第4.2.1條第2款和第4.2.1條第3款及第4.2.4條進行設防，也就是第二種做法，并應滿足第4.2.1條第5~7款的間距要求。此外還要考慮防閃電感應，如果燃氣鍋爐房劃分為2區，則要按《建筑物防雷設計規范》第4.3.7條考慮；如果按上文分析不劃分為2區，則按規范不需要特地考慮。但是否劃分為2區，電氣設計上解決的主要問題是爆炸危險區域劃分和相關電氣設備要求的爭議，防雷則建議為了燃氣系統自身安全去考慮。但是該條與第4.2.2條比較，沒有突出屋面的放散管相關要求，這似乎不太合理。如果僅僅因為一類或二類建筑物防雷的區別，而對同一個燃氣系統的放散管有區別地進行防雷保護，這從對燃氣系統的保護角度來看，似乎有所不妥。同樣都是會產生嚴重后果，雖然可能造成的財產損失和人員傷亡上有區別，但是防雷做法上建議還是做到同等考慮。

3、結語
燃氣鍋爐房在民建項目設計中比較常見，也存在很多爭議性的地方。雖說直接將燃氣鍋爐房按爆炸危險區域2區劃分后進行電氣設計，也不會存在什么問題，也省卻了費盡心思去思考如何做好有效的保障，但是實事求是地分析，為的是弄清楚設計的內在邏輯，至于最終選擇的做法，這個見仁見智，因人而異，燃氣放散管的防雷保護設計也是同樣如此。本文淺析，還望斧正。

作者：陳德祥、王林(陳德祥，男，筑友智造建筑設計有限公司，高級工程師，電氣副總工程師；王林，男，中國建筑五局建筑設計院，正高級工程師，電氣副總工程師)

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