1、燃氣鍋爐房的爆炸性環(huán)境分析
燃氣鍋爐房是否屬于爆炸危險區(qū)域，是鍋爐房電氣設(shè)計最關(guān)鍵的問題。一方面，對其是否是爆炸危險區(qū)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(shè)計人員的不同看法造成了設(shè)計壓力。由于設(shè)計中對燃氣鍋爐房的爆炸危險區(qū)域的劃分結(jié)論，牽涉到諸多規(guī)范強條，因此極其重要。從設(shè)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(qū)域。本文從兩個不同類型的燃氣鍋爐房進行對應(yīng)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(qū)域。
首先來看何為“爆炸危險區(qū)域”與“爆炸性環(huán)境”。根據(jù)GB50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》相關(guān)定義：
“2.0.12 爆炸危險區(qū)域 hazardous area
爆炸性混合物出現(xiàn)的或預(yù)期可能出現(xiàn)的數(shù)量達到足以要求對電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取預(yù)防措施的區(qū)域。”
“2.0.29 爆炸性環(huán)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(huán)境。”
規(guī)范條文中，爆炸性環(huán)境即指空氣中存在某種混合物引燃后可持續(xù)燃燒傳播能量的環(huán)境。此條文特別指出了混合物引燃后產(chǎn)生爆炸，因此爆炸危險區(qū)域是指該區(qū)域可能會因為某種混合物的出現(xiàn)使正常環(huán)境(一般指普通空氣環(huán)境)變成爆炸性環(huán)境。因此對電氣設(shè)備要采取預(yù)防措施，其目的是以防將該環(huán)境內(nèi)的混合物引燃。根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》：“3.1.2在爆炸性氣體環(huán)境中發(fā)生爆炸應(yīng)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(nèi)；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(huán)境發(fā)生爆炸的兩個條件之一，這與我們常規(guī)理解的爆炸危險區(qū)域有所區(qū)別。常規(guī)理解爆炸危險區(qū)域是指該區(qū)域有爆炸危險，不管是什么原因引起的爆炸，比如火藥爆炸、軍火庫爆炸、壓力容器爆炸等等。根據(jù)《爆規(guī)》的定義，該區(qū)域有可能出現(xiàn)爆炸條件1(《爆規(guī)》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(guī)》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(yè)上考慮即要對該區(qū)域的電氣設(shè)備采取預(yù)防措施。筆者理解，如果該區(qū)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(shè)備采取措施，那該區(qū)域也不用判定為是爆炸危險區(qū)域。因此先有爆炸性環(huán)境產(chǎn)生的可能性，從而再將產(chǎn)生該環(huán)境的區(qū)域劃分為爆炸危險區(qū)域，這是有先后順序的。假如一個環(huán)境，不可能轉(zhuǎn)變?yōu)楸ㄐ原h(huán)境，即無需劃分為爆炸危險區(qū)域。
燃氣鍋爐房采用的市政天然氣主要成分是甲烷，根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)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(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》第3.2.3條可知，燃氣鍋爐房內(nèi)僅僅可能存在二級釋放源。按《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》附錄B第5條對于可燃物質(zhì)輕于空氣，通風(fēng)良好且為第二級釋放源的主要生產(chǎn)裝置區(qū)(圖B.0.1-7)，當(dāng)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(nèi)可劃為2區(qū)。根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)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(fēng)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(shè)置機械通風(fēng)的雙重措施，以此來保證鍋爐房的通風(fēng)良好。如果按《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》第3.2.1條和第3.2.5條，燃氣鍋爐房內(nèi)按存在二級釋放源的區(qū)域劃分為2區(qū)，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(qū)域，其余區(qū)域本文不作討論)。根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》第3.3.3條“爆炸性氣體環(huán)境內(nèi)的車間采用正壓或連續(xù)通風(fēng)稀釋措施后，不能形成爆炸性氣體環(huán)境時，車間可降為非爆炸危險環(huán)境。通風(fēng)引入的氣源應(yīng)安全可靠，且無可燃物質(zhì)、腐蝕介質(zhì)及機械雜質(zhì)，進氣口應(yīng)設(shè)在高出所劃爆炸性危險區(qū)域范圍的1.5m以上處”和第3.2.5條“爆炸危險區(qū)域的劃分應(yīng)按釋放源級別和通風(fēng)條件確定，存在連續(xù)級釋放源的區(qū)域可劃為0區(qū)，存在一級釋放源的區(qū)域可劃為1區(qū)，存在二級釋放源的區(qū)域可劃為2區(qū)，并應(yīng)根據(jù)通風(fēng)條件按下列規(guī)定調(diào)整區(qū)域劃分：1當(dāng)通風(fēng)良好時，可降低爆炸危險區(qū)域等級；當(dāng)通風(fēng)不良時，應(yīng)提高爆炸危險區(qū)域等級”可知，因可保證鍋爐房內(nèi)混合物達不到爆炸濃度，雙重措施下通風(fēng)良好的鍋爐房，可降低爆炸危險區(qū)域等級。注意《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》第3.3.3條的要求，進氣口此處則應(yīng)在屋頂1.5m上方，設(shè)置通氣管更利于室內(nèi)自然通風(fēng)，具體規(guī)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(qū)域以外，非同一環(huán)境，可以保證氣源安全可靠，因此并未設(shè)置1.5m高進氣口。如若在室內(nèi)，比如燃氣鍋爐直接設(shè)置在高大廠房內(nèi)時，則是按2區(qū)劃分范圍釋放源上方7.5m區(qū)域上的高1.5m處設(shè)置進氣口。室外進氣口與機械排風(fēng)口遠離，同時為防止后期放散管的氣體吹散后進入，也應(yīng)遠離放散管口。由此可見，地上獨立鍋爐房完全可以滿足規(guī)范要求，也與實際環(huán)境條件吻合，已完全滿足防止爆炸性環(huán)境產(chǎn)生的條件，可判定為非爆炸危險區(qū)域。電氣設(shè)計師可據(jù)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(qū)域。
關(guān)于燃氣鍋爐房的泄爆與爆炸危險區(qū)域的關(guān)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(qū)域。如GB50041-2020《鍋爐房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》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(guī)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(fā)生燃料介質(zhì)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(yīng)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(yīng)的防爆措施辦法來解決，采用輕質(zhì)屋面板、輕質(zhì)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(zhí)行?！睏l文說明有可能發(fā)生燃料介質(zhì)爆炸，但說法過于籠統(tǒng)，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(fēng)的地上鍋爐房，已不是《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》所定義的爆炸危險區(qū)域。
再來看看地下室燃氣鍋爐房。地下室鍋爐房是封閉區(qū)域，暖通設(shè)置有一套機械送排風(fēng)系統(tǒng)。送風(fēng)系統(tǒng)的進風(fēng)口滿足規(guī)范要求，氣源也是安全可靠的，滿足《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》第3.2.4條第1款第4)項“對于封閉區(qū)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?！痹摰叵率义仩t房地下室內(nèi)的送排風(fēng)系統(tǒng)引入雙電源供電。按《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》第3.2.4條第2款“當(dāng)采用機械通風(fēng)時，下列情況可不計機械通風(fēng)故障的影響：1）封閉式或半封閉式的建筑物設(shè)置備用的獨立通風(fēng)系統(tǒng)；2）當(dāng)通風(fēng)設(shè)備發(fā)生故障時，設(shè)置自動報警或停止工藝流程等確保能阻止可燃物質(zhì)釋放的預(yù)防措施，或使設(shè)備斷電的預(yù)防措施?！迸ㄒ话悴粫O(shè)置備用的獨立通風(fēng)系統(tǒng)，如果通風(fēng)設(shè)備故障停機運行，則應(yīng)設(shè)置自動報警，同時風(fēng)機系統(tǒng)的雙電源由消防電源供電并進行消防電源監(jiān)控，如此也可認為是通風(fēng)良好場所。此外下沉庭院做泄爆口兼排風(fēng)，在這里設(shè)置可開啟窗和百葉窗，然后頂部地面上綠化帶內(nèi)再設(shè)置通風(fēng)口，這樣也可以做到空氣流通自然通風(fēng)，如圖2所示。
圖2 地下室燃氣鍋爐房的泄爆口兼排風(fēng)
因此在地下室鍋爐房有自然通風(fēng)措施、可靠的可燃氣體報警與控制、通風(fēng)設(shè)備運行監(jiān)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(qū)域等級，從2區(qū)降為非爆炸危險區(qū)域。當(dāng)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(fēng)條件、可靠的監(jiān)測手段、完善的運維制度下，是可以認為不會產(chǎn)生爆炸性氣體環(huán)境的，從而劃分為非爆炸危險區(qū)域（此“爆炸”是對電氣專業(yè)的約束，不包含鍋爐的壓力爆炸）。另外，GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》的附錄D也有條文規(guī)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(nèi)使用，也并未采用電氣防爆設(shè)備。
2、放散管防雷設(shè)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(qū)域2區(qū)劃分后按第二類防雷，還是不劃分為2區(qū)按第三類防雷，都需考慮其中最關(guān)鍵的放散管的防雷設(shè)計，這是鍋爐房設(shè)計中容易忽視的一點，《鍋爐房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》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(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》：“4.4.2突出屋面物體的保護措施應(yīng)符合本規(guī)范第4.3.2條的規(guī)定?！?“4.3.2突出屋面的放散管、風(fēng)管、煙囪等物體，應(yīng)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(fēng)管等管道應(yīng)符合本規(guī)范第4.2.1條第2款的規(guī)定。2排放無爆炸危險氣體、蒸氣或粉塵的放散管、煙囪，1區(qū)、21區(qū)、2區(qū)和22區(qū)爆炸危險場所的自然通風(fēng)管，0區(qū)和20區(qū)爆炸危險場所的裝有阻火器的放散管、呼吸閥、排風(fēng)管，以及本規(guī)范第4.2.1條第3款所規(guī)定的管、閥及煤氣和天然氣放散管等，其防雷保護應(yīng)符合下列規(guī)定：1)金屬物體可不裝接閃器，但應(yīng)和屋面防雷裝置相連。2）除符合本規(guī)范第4.5.7條的規(guī)定情況外，在屋面接閃器保護范圍之外的非金屬物體應(yīng)裝接閃器，并應(yīng)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(fēng)管等，當(dāng)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(fā)生事故時排放物才達到爆炸濃度的通風(fēng)管、安全閥，接閃器的保護范圍應(yīng)保護到管帽，無管帽時應(yīng)保護到管口?！?那么做放散管的防雷設(shè)計，關(guān)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(jù)《鍋爐房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》：“13.3.4燃氣管道上應(yīng)裝設(shè)放散管、取樣口和吹掃口，并應(yīng)符合下列規(guī)定：1其位置應(yīng)能將管道與附件內(nèi)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(yīng)高出鍋爐房屋脊2m以上，并應(yīng)使放出的氣體不致竄入鄰近的建筑物和被通風(fēng)裝置吸入；3密度比空氣大的燃氣放散，應(yīng)采用高空或火炬排放，并應(yīng)滿足最小頻率上風(fēng)側(cè)區(qū)域的安全和環(huán)境保護要求；當(dāng)工廠有火炬放空系統(tǒng)時，宜將放散氣體排入該系統(tǒng)中?！保ǖ?3.3.4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(tǒng)設(shè)置以吹凈為目的，不留死角。密度比空氣大的燃氣應(yīng)采用高空或火炬排放?！?“13.3.5燃氣放散管管徑應(yīng)根據(jù)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?！?/span>
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。
第一種做法：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(shè)計規(guī)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(shè)置接閃器對其進行保護。地下室鍋爐房設(shè)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(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》第10.2.39條的要求，接地電阻應(yīng)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(jīng)相當(dāng)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(jīng)燃氣管道，再經(jīng)過接地裝置流入大地，當(dāng)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(chǎn)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(guī)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(xù)又沒有維護保養(yǎng)，則將造成隱患，特別是多雷地區(qū)，更有嚴重雷電隱患。按《建筑物防雷設(shè)計規(guī)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(shè)計規(guī)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(shè)計按第4.2.4條設(shè)置，經(jīng)過計算后按圖集15D501《建筑物防雷設(shè)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(nèi)部放散管管路條件允許，可以將放散管匯總后引出設(shè)置在10m高(或更高)的金屬煙囪(材質(zhì)滿足接閃器要求)邊上，使其處于金屬煙囪的保護范圍內(nèi)。金屬煙囪頂部和底部，均應(yīng)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(yè)圖紙上沒有放散管，或放散管定位難以準(zhǔn)確。即使電氣與暖通專業(yè)協(xié)商，設(shè)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(shè)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(shè)計規(guī)范》第4.2.1條第2款去做防雷設(shè)計。由于按《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》表4.2.1要求的保護半徑過大，勢必造成要設(shè)置一座高度很高的接閃桿，以本文案例分析，若設(shè)置在屋頂，則需要接閃桿高度約18m，若單獨距建筑物3m外設(shè)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(yīng)，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(yù)留基座位置不匹配，應(yīng)調(diào)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(yīng)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(nèi)；若在范圍外，也應(yīng)在其附近設(shè)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，第一類防雷建筑物的燃氣放散管，應(yīng)按《建筑物防雷設(shè)計規(guī)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(shè)防，也就是第二種做法，并應(yīng)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(yīng)，如果燃氣鍋爐房劃分為2區(qū)，則要按《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第4.3.7條考慮；如果按上文分析不劃分為2區(qū)，則按規(guī)范不需要特地考慮。但是否劃分為2區(qū)，電氣設(shè)計上解決的主要問題是爆炸危險區(qū)域劃分和相關(guān)電氣設(shè)備要求的爭議，防雷則建議為了燃氣系統(tǒng)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(guān)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(qū)別，而對同一個燃氣系統(tǒng)的放散管有區(qū)別地進行防雷保護，這從對燃氣系統(tǒng)的保護角度來看，似乎有所不妥。同樣都是會產(chǎn)生嚴重后果，雖然可能造成的財產(chǎn)損失和人員傷亡上有區(qū)別，但是防雷做法上建議還是做到同等考慮。
3、結(jié)語
燃氣鍋爐房在民建項目設(shè)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(qū)域2區(qū)劃分后進行電氣設(shè)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(shè)計的內(nèi)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(shè)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(shè)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(shè)計院，正高級工程師，電氣副總工程師)
