制氢站防爆电气设计要点 气体爆炸危险场所用电气设备防爆型式选型

0 引言

　　氢气是一种新型的清洁能源，氢气燃烧后的产物是水，对环境无任何影响。近日，国内首个风电制氢工业应用项目———沽源风电制氢项目制氢站开工建设。该项目是将风能转换的电能转化为氢气，投产后将为该地区氢能源汽车的推广打下基础，并进一步为2022年北京冬奥会做好准备。制氢站的危险气体是氢气，一旦发生爆炸，造成的影响极大，因此，制氢站防爆电气设备的配置是至关重要的。

1 氢气来源及特性

　　氢气的来源比较广泛，主要有化石能源制氢、含氢物质制氢、化工副产物氢气回收、太阳能制氢和风能制氢。化石能源制氢包含煤气化制氢技术、天然气重整制氢和甲醇裂解制氢，含氢物质制氢包含电解水制氢、氨分解制氢和硼氢化钠水解制氢，化工副产物氢气回收包含烧碱、焦炭和轻油裂解。通过对上述几种制氢方案的经济性分析，水电解制氢是最经济的方案，水电解方案电力的来源可是采用太阳能或者风能。水电解制氢原理比较简单，在充满氢氧化钾或氢氧化钠的电解槽中通入经整流器变换后的直流电，水分子在电极上发生电化学反应。化学方程式为:阴极:2H2O+2eH2↑+2OH-阳极:2OH-2eH2O+1/2O2↑总反应式:2H2O=2H2↑+O2↑水在电解槽中电解为氢气和氧气，然后经过分离器进行气液分离，分离器中分离的氢气和氧气经过洗涤、冷凝、除水后，氢气送至纯化装置后然后输送到储存装置。据有关研究，氢气的物理、化学特性如表1所示。

2 制氢站的危险区域划分

　　场所分类是对可能出现爆炸性环境的场所进行分析和分类的一种方法，以便正确选择和安装危险场所中的电气设备，达到安全使用的目的，并把气体的级别和温度组别考虑进去。在使用可燃性物质的许多实际场所，无法保证爆炸性环境永不出现;也无法确保设备永不成为点燃源。因此，应该根据场所存在爆炸性环境的频繁程度，对场所进行危险场所分区。

　　2.1分区世界各国对危险场所区域划分不同，但大致分为两大派系:我国和大多数欧洲国家采用国际电工委员会(IEC)的分类方法，而以美国和加拿大为主要代表的其他国家则采用北美分类方法。根据爆炸性气体(蒸气)环境出现的频率和持续时间，把危险场所分为以下区域:0区:爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。1区:在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。2区:在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。

　　2.2释放等级连续级释放源:连续释放或预计长期释放的释放源。如:连续对大气开放或是长期向大气开放的可燃性液体表面上方的空间。1级释放源:正常运行时，预计可能周期性或偶尔释放的释放源。如:在正常工作条件下预计释放可燃性物质的泵、压缩机或阀门的密封处;在正常操作时预计可燃性物质会释放到大气中的取样点。2级释放源:在正常运行时，预计不可能释放，如果释放也仅是偶尔和短时释放的释放源。如:设备正常运行时，预计可燃性物质不会释放的泵、压缩机和阀门处;在正常运行时，预计可燃性物质不会释放的法兰、连接件和管道配件处。

　　2.3制氢站危险区域划分在进行危险区域划分时，首先识别鉴定释放源和确定释放源的等级，并分析可能影响危险场所类型和其他因素，然后确定区域类型(0区、1区、2区)，最后确定危险区域范围。本文涉及的制氢站采用的电解水制氢，危险区域划分参考了标准GB50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB50058总则中明确不适用于利用电能进行生产并与生产工艺过程直接关联的电解、电镀等电力装置区域)。主要依据GB3836.14—2014《爆炸性环境第14部分:场所分类爆炸性气体环境》和SYT6671—2006《石油设施电气设备安装区域一级、0区、1区和2区区域划分推荐作法》进行危险区域划分，制氢站的危险物质为氢气，释放源为管线法兰处。经过对释放频率、释放量和通风效率等工艺计算，分析并最终确定危险区域的范围。

3 制氢站防爆电气设备选型

　　制氢站设备的选型需根据氢气的特性进行选择，选用的设备的级别为IIC，温度组别不低于T1，防爆设备选型如表2所示。

4 制氢站防爆电气设备、线路安装

　　4.1照明灯具按照规范要求，考虑到节约能源，设计中选用防爆型式为ExdIICT4的LED防爆灯，线路布线采用电缆布线，采用钢管保护，安装时需要注意LED防爆灯引入口内的密封圈内径与电缆外径相差±1mm，与钢管连接时，须加装过渡压紧元件，先用过渡压紧元件通过垫圈、密封圈将电缆压紧，然后通过后端的接头连接钢管。

　　4.2变送器制氢站选用的变送器防爆型式为本安型，采用外接电源供电，一般采用防爆挠性管进行保护，对于外接电源的本安型设备需提供本安设备与安全栅的补充描述性文件，并依此文件对系统本安性能参数进行确认。

　　4.3其他防爆设备安装制氢站常用设备主要还有防爆接线箱、防爆配电箱、防爆照明开关等，采用电缆配线方式。需要特别注意的是对于隔爆型设备电缆引入装置的选用需满足图1要求。

　　该项目选用的配电箱、照明开关防爆型式均为隔爆型且内部有打火元件，选用的引入装置须为填料函，防爆接线箱虽然为隔爆型但内部无打火元件选用的引入装置为密封圈式引入装置。对于防爆设备的接地，爆炸危险场所除2区内照明灯具以外的电气设备应采用专用接地线;宜采用多股软胶丝线，其铜芯截面积不得小于4mm2，金属管线、电缆的金属外壳等可作为辅助接地线。

　　4.4 不同区域之间的隔离当爆炸危险区域的爆炸性气体通过孔洞进入其他区域，其他区域选用的设备如果使用非防爆设备，极易引起爆炸。故不同区域之间应考虑隔离措施，敷设电气线路的沟道、电缆或钢管，所穿过的不同区域之间墙或楼板处的孔洞，应采用非燃性材料严密堵塞。图2为电缆配线采用钢管保护穿越不同区域隔离的安装方法。

5 小结

　　针对氢气环境，不同场所选取设备的防爆型式是不同的，对本安系统需要进行系统本安参数分析;对隔爆型设备，引入装置需特殊处理。