制氢站的电气一次防爆设计

制氢站的电气一次防爆设计

徐厚圣

（山东电力建设第三工程有限公司，山东青岛，邮编266100）

摘要：氢气是一种清洁能源，随着30碳达峰60碳中和的提出，采用新能源（光伏、风电等）进行电解水制氢（绿氢）被认为是未来最具有发展潜力的绿色氢能供应方式。本文依据氢气的特性，根据国内相关规范对制氢站爆炸危险区域的电气设备选型进行研究。

关键词：绿氢，防爆

0.引言

随着30碳达峰60碳中和的提出，采用新能源（光伏、风电等）进行电解水制氢（绿氢）被认为是未来最具有发展潜力的绿色氢能供应方式。因此，对于制氢站电气设备选型的研究，对类似项目执行具有一定借鉴意义。

1.制氢站爆炸危险区域等级范围划分

1.1.制氢站厂房内爆炸危险区域划分

制氢站厂房内爆炸危险区域划分如下：

1)制氢间、氢气压缩机间、氢气灌瓶间等爆炸危险房间为1区；

2)从上述各类房间的门窗边沿计算，半径为4.5m的地面、空间区域为2区；

3)从氢气排放口计算，半径为4.5m的空间和顶部距离为7.5m的区域为2区；

1.2.制氢站室外制氢设备、氢气罐爆炸危险区域划分

制氢站内的室外制氢设备、氢气罐爆炸危险区域划分如下：

1)从室外制氢设备、氢气罐的边沿计算，距离为4.5m，顶部距离为7.5m的空间区域为2区；

2)从氢气排放口计算，半径为4.5m的空间和顶部距离为7.5m的区域为2区。

2.氢气站爆炸危险区域电气一次设计

2.1.氢气站爆炸危险区域电气设备选型

首先，爆炸性环境内设置的防爆电气设备应符合现行国家标准GB 3836.1 《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》的有关规定。

其次，有爆炸危险环境的电气设施选型，不应低于氢气爆炸混合物的级别、组别（IICT1）。其中“IICT1”中的IIC为爆炸性气体混合物分级等级，代表“最大试验安全间隙（MESG）≤0.5mm，最小点燃电流比（MICR）＜0.45”（最小点燃电流比为各种可燃物质的最小点燃电流值与实验室甲烷的最小点燃电流值之比）。“IICT1”中的T1为引燃温度组别，T1代表引燃温度大于450℃；即电气设备允许的最高表面温度为450℃。

第三，爆炸危险环境内电气设备的保护级别应根据危险区域划分进行选择，并满足以下要求：

危险区域：1 设备保护级别（EPL）为Ga或Gb

危险区域：2 设备保护级别(EPL)为Ga、Gb或Gc。

电气设备保护级别(EPL)与电气设备防爆结构的关系如下表：

2.2.氢气站爆炸危险区域电气设备布置及安装

爆炸性环境的电力装置设计，宜将设备和线路，特别是正常运行时能发生火花的设备布置在爆炸性环境以外。当需设在爆炸性环境内时，应布置在爆炸危险性较小的地点。

采用非防爆型设备作隔墙机械传动时，应符合以下规定：

1)安装电气设备的房间应用非燃烧体的实体墙与爆炸危险区域隔开；

2)传动轴通过隔墙处，应采用填料密封或有同等效果的密封措施；

3)安装电气设备房间的出口应通向非爆炸危险区域的环境；当安装设备的房间必须与爆炸性环境相通时，应对爆炸性环境保持相对的正压。

除本质安全电路外，爆炸性环境的电气线路及设备应装设过载、短路及接地保护。不可能产生过载的电气设备科不装设过载保护。爆炸性环境的电动机处标准要求装设的必要保护外，还应装设断相保护。如果电气设备自动断电可能引起比引燃危险造成的危险更大时，应采用报警装置替代自动断电。

有爆炸危险房间的照明应采用防爆灯具，其光源宜采用荧光灯等高效光源。灯具宜装在较低处，不得装在氢气释放源的正上方。

TT或TN系统中，应使用额定剩余动作电流不超过100mA的剩余电流保护装置。应优先选用额定剩余动作电流30mA的装置；IT系统中，绝缘电阻在每伏额定电压下不超过50Ω时，应采用绝缘监控装置切断电源。

为了处理紧急情况，在危险场所之外合适的地点或位置，应有方便的方法切断危险场所的电源。为防止其他危险必须连续运行的电气设备，不应安装在紧急断电电路中，应安装在单独的电路中。

为保证作业安全，应对每一电路或一组电路采取适当的方法进行隔离（包括所有中性线在内的所有电路导体）。每个隔离措施紧邻处应有标示，以便迅速识别出受控的电路或一组电路。

2.3.爆炸性环境电气线路的设计

爆炸性环境的电缆和导线选择时需满足下列要求：

低压电力、照明线路采用的绝缘导线和电缆的额定电压不应低于工作电压；中性线额定电压与相线电压相等，并应在同一护套或保护管内敷设；无护套的电线不应作为配电线路；在1区内应采用铜芯电缆；除本质安全电路外，在2区内宜采用铜芯电缆，当采用铝芯电缆时，其截面不得小于16mm2；电缆在桥架敷设时宜采用阻燃电缆。

在爆炸1区内单相网络的相线及中性线均应装设短路保护，并同时断开相线和中性线；对3~10kV电缆线路宜装设零序电流保护，在1区内保护装置宜动作于跳闸。

敷设电气线路的沟道、电缆桥架或导管，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；钢管配线可采用无护套的绝缘单芯或多芯导线；钢管应采用低压流体输送用的镀锌焊接钢管，钢管连接的螺纹部分应涂以铅油或磷化膏；

钢管配线的电气线路应做好隔离密封，正常运行时，所有点燃源外壳的450mm范围内应做隔离密封；对于直径50mm以上钢管距引入的接线箱450mm以内处应做隔离密封；相邻的爆炸性环境之间以及爆炸性环境与相邻的其他危险环境或非危险环境之间应进行隔离密封。进行密封时，密封内部应用纤维作填充层的底层或隔层，填充层的有效厚度不应小于钢管的内径，且不得小于16mm；供隔离密封用的连接部件，不应作为导线的连接或分线用。

2.4.爆炸性环境接地设计

爆炸性环境电力系统的接地，1kV交流及1500V直流以下的电力系统接地，爆炸性环境中的TN系统应采用TNS型；对于TT系统应采用剩余电流动作的保护电器；IT系统应设置绝缘检测装置。

爆炸性气体环境中应设等电位联结，所有裸露的装置外壳可导电部分应接入等电位系统。本质安全型设备的金属外壳可不与等电位系统连接。具有阴极保护的设备不应与等电位系统连接。

设备的接地装置与防直击雷的独立避雷针的接地装置应分开设置，与装设在建筑物上防止直接雷击的避雷针的接地装置可合并设置，与防雷电感应的接地装置亦可合并设置。接地电阻值应取其中最小值。

3.小结

在制氢站的电气系统设计时，爆炸性环境的设备选型及布置等的设计需严格按照规范要求，提供供电及运行的可靠性，避免意外事故的发生。

4.参考文献

［1］GB 50177-2005《氢气站设计规范》

［2］GB 50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》

［3］《制氢站防爆电气设计要点》 刘哲，李小杰，刘琦