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燃气锅炉房爆炸性环境与放散管防雷设计分析

2023年01月02日 14:43:40 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：13

相对于普通民用建筑而言，锅炉房是一种较特殊的设施，从其内部设备到建筑条件的诸多细节，均需设计慎重考虑。锅炉房分类较多，民建项目中常见的燃气锅炉房主要是地上独立锅炉房和地下室锅炉房。关于燃气锅炉房到底是否属于爆炸危险区域、锅炉房内电气设备是否需采用防爆型、锅炉房如何进行电气设计等内容，也已经有较多文献进行了分析。本文基于关键性规范内容，重点分析燃气锅炉房的爆炸性气体环境和燃气放散管防雷，并提出一些不同的设计做法和建议。

1、燃气锅炉房的爆炸性环境分析
燃气锅炉房是否属于爆炸危险区域，是锅炉房电气设计最关键的问题。一方面，对其是否是爆炸危险区域的判别难以有根本性的决断；另一方面，施工图外审专家与设计人员的不同看法造成了设计压力。由于设计中对燃气锅炉房的爆炸危险区域的划分结论，牵涉到诸多规范强条，因此极其重要。从设计安全起见的惯例来看，燃气锅炉房往往会被判定为爆炸危险区域。本文从两个不同类型的燃气锅炉房进行对应性分析，探讨是否有必要采用一刀切的做法，将燃气锅炉房判定为爆炸危险区域。

首先来看何为“爆炸危险区域”与“爆炸性环境”。根据GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》相关定义：

“2.0.12 爆炸危险区域 hazardous area
爆炸性混合物出现的或预期可能出现的数量达到足以要求对电气设备的结构、安装和使用采取预防措施的区域。”

“2.0.29 爆炸性环境 explosive atmospheres
在大气条件下，气体、蒸气、粉尘、薄雾、纤维或飞絮的形式与空气形成的混合物引燃后，能够保持燃烧自行传播的环境。”

规范条文中，爆炸性环境即指空气中存在某种混合物引燃后可持续燃烧传播能量的环境。此条文特别指出了混合物引燃后产生爆炸，因此爆炸危险区域是指该区域可能会因为某种混合物的出现使正常环境(一般指普通空气环境)变成爆炸性环境。因此对电气设备要采取预防措施，其目的是以防将该环境内的混合物引燃。根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》：“3.1.2在爆炸性气体环境中发生爆炸应符合下列条件：1 存在可燃气体、可燃液体的蒸气或薄雾，浓度在爆炸极限以内；2 存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温”可知，引燃是爆炸性气体环境发生爆炸的两个条件之一，这与我们常规理解的爆炸危险区域有所区别。常规理解爆炸危险区域是指该区域有爆炸危险，不管是什么原因引起的爆炸，比如爆炸、军火库爆炸、压力容器爆炸等等。根据《爆规》的定义，该区域有可能出现爆炸条件1(《爆规》第3.1.2条第1款或第4.1.3条第1款)，进而必须要对爆炸条件2(《爆规》第3.1.2条第2款或第4.1.3条第2款)加以控制，从电气专业上考虑即要对该区域的电气设备采取预防措施。笔者理解，如果该区域不存在爆炸条件1，即浓度达不到爆炸极限，也就不需要对电气设备采取措施，那该区域也不用判定为是爆炸危险区域。因此先有爆炸性环境产生的可能性，从而再将产生该环境的区域划分为爆炸危险区域，这是有先后顺序的。假如一个环境，不可能转变为爆炸性环境，即无需划分为爆炸危险区域。

燃气锅炉房采用的市政天然气主要成分是甲烷，根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》附录C表C第1行可查得其爆炸性混合物分级与分组。由《爆炸危险环境电力装置设计规范》第3.2.3条可知，燃气锅炉房内仅仅可能存在二级释放源。按《爆炸危险环境电力装置设计规范》附录B第5条对于可燃物质轻于空气，通风良好且为第二级释放源的主要生产装置区(图B.0.1-7)，当释放源距地坪的高度不超过4.5m时，以释放源为中心，半径为4.5m，顶部与释放源的距离为7.5m，及释放源至地坪以上的范围内可划为2区。根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》第3.2.4条和第3.2.2条的条文说明，地上锅炉房可以认为是通风良好的场所。地上锅炉房采用建筑可开启窗和百叶窗，以及暖通设置机械通风的双重措施，以此来保证锅炉房的通风良好。如果按《爆炸危险环境电力装置设计规范》第3.2.1条和第3.2.5条，燃气锅炉房内按存在二级释放源的区域划分为2区，一般就是指锅炉工作间(本文中为小型锅炉房，只有锅炉工作间和控制室两个细分区域，其余区域本文不作讨论)。根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》第3.3.3条“爆炸性气体环境内的车间采用正压或连续通风稀释措施后，不能形成爆炸性气体环境时，车间可降为非爆炸危险环境。通风引入的气源应安全可靠，且无可燃物质、腐蚀介质及机械杂质，进气口应设在高出所划爆炸性危险区域范围的1.5m以上处”和第3.2.5条“爆炸危险区域的划分应按释放源级别和通风条件确定，存在连续级释放源的区域可划为0区，存在一级释放源的区域可划为1区，存在二级释放源的区域可划为2区，并应根据通风条件按下列规定调整区域划分：1当通风良好时，可降低爆炸危险区域等级；当通风不良时，应提高爆炸危险区域等级”可知，因可保证锅炉房内混合物达不到爆炸浓度，双重措施下通风良好的锅炉房，可降低爆炸危险区域等级。注意《爆炸危险环境电力装置设计规范》第3.3.3条的要求，进气口此处则应在屋顶1.5m上方，设置通气管更利于室内自然通风，具体规格由暖通计算确定，如图1所示。

图1 燃气锅炉房的屋顶通气管

此处屋顶已在爆炸危险区域以外，非同一环境，可以保证气源安全可靠，因此并未设置1.5m高进气口。如若在室内，比如燃气锅炉直接设置在高大厂房内时，则是按2区划分范围释放源上方7.5m区域上的高1.5m处设置进气口。室外进气口与机械排风口远离，同时为防止后期放散管的气体吹散后进入，也应远离放散管口。由此可见，地上独立锅炉房可以满足规范要求，也与实际环境条件吻合，已满足防止爆炸性环境产生的条件，可判定为非爆炸危险区域。电气设计师可据此理由，与施工图审查专家探讨此燃气锅炉房可不划分为爆炸危险区域。

关于燃气锅炉房的泄爆与爆炸危险区域的关系，普遍认为燃气锅炉房有泄爆要求，就证明燃气锅炉房是爆炸危险区域。如GB50041-2020《锅炉房设计标准》的第4.1.2条条文说明：“由于锅炉房是具有一定爆炸性危险的建筑，其对周围的危害性极大，因此对新建锅炉房，原则上规定宜为独立的建筑物。”第15.1.2条条文说明：“由于锅炉房一旦发生燃料介质爆炸或压力部件爆炸，均可能对建筑物造成较严重的破坏，因此，锅炉房应考虑防爆问题，特别是对非独立锅炉房，要求有足够的泄压面积。泄压面积可利用对外墙、楼地面或屋面采取相应的防爆措施办法来解决，采用轻质屋面板、轻质墙体和易于泄压的门、窗等，泄压地点也要确保安全。本条为强制性条文，必须严格执行。”条文说明有可能发生燃料介质爆炸，但说法过于笼统，未详细分析具体爆炸条件。不可否认锅炉房是存在爆炸性危险的建筑物，但笔者认为有多重措施保障良好通风的地上锅炉房，已不是《爆炸危险环境电力装置设计规范》所定义的爆炸危险区域。

再来看看地下室燃气锅炉房。地下室锅炉房是封闭区域，暖通设置有一套机械送排风系统。送风系统的进风口满足规范要求，气源也是安全可靠的，满足《爆炸危险环境电力装置设计规范》第3.2.4条第1款第4)项“对于封闭区域，每平方米地板面积每分钟至少提供0.3m3的空气或至少1h换气6次。”该地下室锅炉房地下室内的送排风系统引入双电源供电。按《爆炸危险环境电力装置设计规范》第3.2.4条第2款“当采用机械通风时，下列情况可不计机械通风故障的影响：1）封闭式或半封闭式的建筑物设置备用的独立通风系统；2）当通风设备发生故障时，设置自动报警或停止工艺流程等确保能阻止可燃物质释放的预防措施，或使设备断电的预防措施。”暖通一般不会设置备用的独立通风系统，如果通风设备故障停机运行，则应设置自动报警，同时风机系统的双电源由消防电源供电并进行消防电源监控，如此也可认为是通风良好场所。此外下沉庭院做泄爆口兼排风，在这里设置可开启窗和百叶窗，然后顶部地面上绿化带内再设置通风口，这样也可以做到空气流通自然通风，如图2所示。

图2 地下室燃气锅炉房的泄爆口兼排风

因此在地下室锅炉房有自然通风措施、可靠的可燃气体报警与控制、通风设备运行监控和有人值班的维护管理制度巡检，仍可认为已采用了有效措施，使之可以降低爆炸危险区域等级，从2区降为非爆炸危险区域。当然，地上锅炉房也离不开必须要有的可燃气体探测和可靠的运行维护。因此，燃气锅炉房在良好的通风条件、可靠的监测手段、完善的运维制度下，是可以认为不会产生爆炸性气体环境的，从而划分为非爆炸危险区域（此“爆炸”是对电气专业的约束，不包含锅炉的压力爆炸）。另外，GB50028-2006《城镇燃气设计规范》的附录D也有条文规定，燃气锅炉房不属于爆炸危险场所。且实际中很多燃气锅炉，直接放在工厂里面，或者房间内使用，也并未采用电气防爆设备。

2、放散管防雷设计分析
燃气锅炉房的防雷是一个重点，不管是否按爆炸危险区域2区划分后按第二类防雷，还是不划分为2区按第三类防雷，都需考虑其中最关键的放散管的防雷设计，这是锅炉房设计中容易忽视的一点，《锅炉房设计标准》第15.2.15条也有专门要求。

首先分析下放散管有何特殊的防雷要求，根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》：“4.4.2突出屋面物体的保护措施应符合本规范第4.3.2条的规定。”(“4.3.2突出屋面的放散管、风管、烟囱等物体，应按下列方式保护：1排放爆炸危险气体、蒸气或粉尘的放散管、呼吸阀、排风管等管道应符合本规范第4.2.1条第2款的规定。2排放无爆炸危险气体、蒸气或粉尘的放散管、烟囱，1区、21区、2区和22区爆炸危险场所的自然通风管，0区和20区爆炸危险场所的装有阻火器的放散管、呼吸阀、排风管，以及本规范第4.2.1条第3款所规定的管、阀及煤气和天然气放散管等，其防雷保护应符合下列规定：1)金属物体可不装接闪器，但应和屋面防雷装置相连。2）除符合本规范第4.5.7条的规定情况外，在屋面接闪器保护范围之外的非金属物体应装接闪器，并应和屋面防雷装置相连。”)(第4.2.1条第3款：“排放爆炸危险气体、蒸气或粉尘的放散管、呼吸阀、排风管等，当其排放物达不到爆炸浓度、长期点火燃烧、一排放就点火燃烧，以及发生事故时排放物才达到爆炸浓度的通风管、安全阀，接闪器的保护范围应保护到管帽，无管帽时应保护到管口。”)那么做放散管的防雷设计，关键是要搞清楚燃气锅炉房的放散管的排放物能否达到爆炸浓度？根据《锅炉房设计标准》：“13.3.4燃气管道上应装设放散管、取样口和吹扫口，并应符合下列规定：1其位置应能将管道与附件内的燃气或空气吹净；2放散管可汇合成总管引至室外，其排出口应高出锅炉房屋脊2m以上，并应使放出的气体不致窜入邻近的建筑物和被通风装置吸入；3密度比空气大的燃气放散，应采用高空或火炬排放，并应满足最小频率上风侧区域的安全和环境保护要求；当工厂有火炬放空系统时，宜将放散气体排入该系统中。”（第13.3.4条条文说明：“日常维修和停运时燃气管道要进行吹扫放散，系统设置以吹净为目的，不留死角。密度比空气大的燃气应采用高空或火炬排放。”)“13.3.5燃气放散管管径应根据吹扫段的容积和吹扫时间确定；吹扫量可按吹扫段容积的10倍-20倍计算，吹扫时间可采用15min-20min；吹扫气体可采用氮气或其他惰性气体。”

这说明燃气锅炉房的放散管，是日常维修和停运后才会吹扫放散，且采用的是氮气或其他惰性气体，这不会将残余甲烷与空气形成混合浓度达到爆炸极限，即达不到爆炸浓度。因此燃气锅炉房放散管防雷有以下几种做法。

种做法：第二类或第三类防雷的燃气锅炉房的放散管，在判定放散管排出的气体达不到爆炸浓度时，可按《建筑物防雷设计规范》第4.3.2.2条进行，地上锅炉房的屋顶放散管直接与屋面接闪带相连，而不用单独设置接闪器对其进行保护。地下室锅炉房设置在地面上的放散管，则采用引线直接与地下室接地体连接接地。按照《城镇燃气设计规范》第10.2.39条的要求，接地电阻应小于10Ω。

第二种做法：考虑到放散管是直接连接到燃气管道的，屋顶2m高的放散管已经相当于一根2m高的接闪杆，若与锅炉房烟囱间隔较远，则会形成一个高概率的引雷点，实际上会形成一个雷电流分流后的直接通道，即从燃气放散管经燃气管道，再经过接地装置流入大地，当然这一部分雷电流极小，但是在运行中有雷电流流过可能会对燃气管道产生损坏，有隐患存在。由于放散管后期是由燃气公司施工安装，若放散管与接闪带的连接施工不规范，或由于某些原因未有效电气连接或年久腐蚀断裂，而屋顶防雷装置后续又没有维护保养，则将造成隐患，特别是多雷地区，更有严重雷电隐患。按《建筑物防雷设计规范》第4.2.4条，可以将接闪器直接安装在建筑物上。按《建筑物防雷设计规范》第4.2.1条第3款单独做一个接闪杆保护放散管也是可以的，只是不需要按第4.2.1条第2款的表4.2.1去保护那么大的范围。因此建议电气设计按第4.2.4条设置，经过计算后按图集15D501《建筑物防雷设施安装》P22做一个约4.0m高接闪杆，如图3所示。

图3 放散管采用屋顶接闪杆防雷保护

第三种做法：如果内部放散管管路条件允许，可以将放散管汇总后引出设置在10m高(或更高)的金属烟囱(材质满足接闪器要求)边上，使其处于金属烟囱的保护范围内。金属烟囱顶部和底部，均应与防雷装置和接地装置连接。但是这种做法，受限制于后期燃气施工人员和甲方管理水平，暖通专业图纸上没有放散管，或放散管定位难以准确。即使电气与暖通专业协商，设计图上注明了燃气放散管位置，也存在施工过程中燃气施工方忽略土建设计图纸的问题，使得放散管防雷可能存在隐患。

还有一种看法，即可能的第四种做法：如果将其认为排放的是爆炸危险气体，那么就会按《建筑物防雷设计规范》第4.2.1条第2款去做防雷设计。由于按《建筑物防雷设计规范》表4.2.1要求的保护半径过大，势必造成要设置一座高度很高的接闪杆，以本文案例分析，若设置在屋顶，则需要接闪杆高度约18m，若单独距建筑物3m外设置，则需要独立接闪杆高度约32m。这明显不是一个很合理的防雷工程做法，而且也过于教条，原因在于未分析放散管的排出气体到底是否达到爆炸浓度。

慎重起见，建议按第二种做法，将放散管等同于屋面燃气管道，考虑防直击雷和防闪电感应，尽可能地避免直接雷击危害。放散管尽量远离接闪杆，远离易受雷击的地方。若放散管位置与接闪杆预留基座位置不匹配，应调整接闪杆或放散管位置。该做法从工程实施和成本上考虑都较合适，而且维护管理应每年到屋顶防雷巡查检测，以保安全。地下室燃气锅炉房的放散管一般在其所附属地下室上部高层建筑物接闪器的保护范围内；若在范围外，也应在其附近设置接闪杆对其进行防雷保护。屋顶接闪杆防雷保护范围如图4所示。

图4 屋顶接闪杆防雷保护范围

需要注意的是，类防雷建筑物的燃气放散管，应按《建筑物防雷设计规范》第4.2.1条第2款和第4.2.1条第3款及第4.2.4条进行设防，也就是第二种做法，并应满足第4.2.1条第5~7款的间距要求。此外还要考虑防闪电感应，如果燃气锅炉房划分为2区，则要按《建筑物防雷设计规范》第4.3.7条考虑；如果按上文分析不划分为2区，则按规范不需要特地考虑。但是否划分为2区，电气设计上解决的主要问题是爆炸危险区域划分和相关电气设备要求的争议，防雷则建议为了燃气系统自身安全去考虑。但是该条与第4.2.2条比较，没有突出屋面的放散管相关要求，这似乎不太合理。如果仅仅因为一类或二类建筑物防雷的区别，而对同一个燃气系统的放散管有区别地进行防雷保护，这从对燃气系统的保护角度来看，似乎有所不妥。同样都是会产生严重后果，虽然可能造成的财产损失和人员伤亡上有区别，但是防雷做法上建议还是做到同等考虑。

3、结语
燃气锅炉房在民建项目设计中比较常见，也存在很多争议性的地方。虽说直接将燃气锅炉房按爆炸危险区域2区划分后进行电气设计，也不会存在什么问题，也省却了费尽心思去思考如何做好有效的保障，但是实事求是地分析，为的是弄清楚设计的内在逻辑，至于最终选择的做法，这个见仁见智，因人而异，燃气放散管的防雷保护设计也是同样如此。本文浅析，还望斧正。

作者：陈德祥、王林(陈德祥，男，筑友智造建筑设计有限公司，高级工程师，电气副总工程师；王林，男，中国建筑五局建筑设计院，正高级工程师，电气副总工程师)

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