煤粉制备-粉尘爆炸环境下电气设计及安全态势感知系统探索

煤粉制备 -粉尘爆炸环境下电气设计及安全态势感知系统探索

赵振华

合肥固泰自动化有限公司 安徽省 合肥市 230051

摘要：结合设计规范，解析粉尘爆炸区域划分、电气设备选型、防雷接地设计、供配电设计、自适应控制等理念，以煤粉制备车间防爆自动化控制为基础，对自适应控制做了相关探索。

关键词：水泥行业、粉尘防爆电气设计、安全态势感知

2. 引言

煤粉制备车间是水泥行业重要的能源供应单元。据国内外报道因煤粉制备车间防护不当、设计不合规引发大量安全事故，造成重大人员伤亡和财产损失。本文从电气专业防爆设计角度，结合《爆炸危险环境下电气装置设计规范》、 《建筑设计防火规范_EN》和《水泥工厂设计规范》等规范资料，从局部设备结构防爆到整体工程安全隔爆；从强、弱供电，电气设备防护选型，综合防雷接地等方面系统考虑，同时结合相关工程经验、提出新一代煤粉制备自适应控制/安全态势感知系统理念探索。

3. 设计规范查询与电气设备选型

煤粉制备车间（烟煤或者无烟煤）属于爆炸性粉尘环境IIIC-即导电性粉尘，在此环境中爆炸需要满足2个条件：①、存在爆炸性粉尘与空气混合浓度在爆炸极限内；②、存在足以点燃爆炸性粉尘混合物的火花、电弧、静电、雷击等能量辐射。电气设计时应考虑限制产生危险温度或者电弧火花，特别是电气设备静电或者线路生产的火花或者过热；防止因煤粉泄露造成粉尘进入产生高温部件的电气设备外壳内，从而引发火花或者燃爆。

因此，我们设计优先按照爆炸危险20区设计，保留部分安全裕度，确保设计满足安全评价要求。

《爆炸危险环境下电气装置设计规范》中新增了电气设备保护级别概念和选型标准，电气设备防爆结构相对应进行电气设备选型

注：Tmax是指设备的最高表面温度不应超过相关粉尘/空气混合物最低点燃温度的2/3，单位：℃。TCL为粉尘云的最低点燃温度。烟煤或者无烟煤查表高温堆积粉尘层表面（5m'm）引燃温度230~260℃，Tmax≤2/3TCL。

根据以上查的规范资料和经济实用考虑，煤粉制备电气选择设备防爆结构为外壳保护型和本质安全型两种保护形式，满足以上规范和标准要求。

综合防雷接地设计

根据规范要求，水泥厂煤粉制备车间属于2类防雷建筑物，需防止直击雷、感应雷、闪电浪涌等。建筑上设置避雷带网，在突出屋面的烟囱和煤粉收集器顶部设置接闪避雷器，按规范要求煤粉制备区域纳入保护范围。同时还应做如下设计：

①利用建筑内多个主筋（≧Φ12）用40mm*4mm扁铁环绕建筑物焊接一圈建立环绕网，将防雷接地、防静电接地、电气设备接地、信息/仪表接地等共同接地，辅助支路的设备金属外壳、金属管道、电缆桥架及穿管等也需要重复入环网，其电阻值≦4欧姆；

②煤粉制备区域做好等电位连接，防止雷击或感应脉冲，改善电磁环境和增强屏蔽作用，同时为以后预留MEB等电位箱；

③TN系统中性线与保护线不应连在一起或合并成一根导线。如果在爆炸性环境中引入TN-C系统，正常运行情况下，中性线存在电流，可能会产生火花引起爆炸，因此在爆炸危险区中只允许采用TN-S系统。

4. 供配电防爆设计

配电柜和MCC柜设计中电气主回路和设备应装设过载、短路和接地保护。爆炸性环境的电动机除按照相关规范要求装设必要的保护之外，宜装智能型综合电机保护装置。优先采用报警输出，巡检工人检测报警，查找原因并处理，切不要自动断电，可能引发更大危险发生，应采用报警装置代替自动断电装置。

动力电缆选型时采用阻燃型铠装电缆，考虑桥架散热和规范填充，设计宜选用梯接式桥架，确保动力电缆不超过桥架截面积的40%。

其中20区电缆线路中严禁中间接头，防爆型钢管配线过程中设置隔离密封，现场按钮盒检修电压箱进出线应采用防爆型金属绕管和防爆格兰头封堵。

5. 自适应控制/安全态势感知系统探索

通过检测爆炸产生的因子如：温度、氧气含量、CO浓度、原煤水分含量、烘干热源气力流量、原煤挥发分、制粉产量等。以上因子相互对应、互相制约、属于滞后非线性系统。在确保安全运行的前提下，进行态势感知和自适应控制。例如立磨出口温度超过安全运行范围时，有多种自适应调节手段：

2. 当发现磨机出口温度持续升高时，通过调节煤磨排粉风机频率，增加原煤供应量，迅速降低出口风温；

3. 磨机进风口通过引入尾排烟囱自循环风量（风温约70℃）降温；

4. 在线监测氧气含量和CO浓度，输入消防保护气体如氮气或者二氧化碳灭火气体等进行预先保护操作。

因此，建立煤质安全使用知识库，输入不同水分和煤质工业报告即可知道如何通过入磨风温、风量、磨机负荷等参数调节，生产满足适合安全储运的成品煤粉；在安全操作环节，全面系统检测（实时）温度分布、流体压力、CO和O₂含量、粉尘浓度等，建立专家操作规则和立体的安全态势感知模型；根据数据分析，趋势变化预测，设计最优处理策略，通过对工艺操作、惰性气体保护、区域隔离、泄压防爆、二氧化碳瓶组灭火等一系列操作；在煤粉制备检修及维护操作环节，24小时监控系统中O

₂含量和CO含量是否满足作业人员进入有限空间内作业，各点惰性保护系统是否触发，防止人为误操作。

6. 结束语

笔者在多个煤粉制备EP项目设计和工程完成后进行了实践和思考。随着互联网、传感器、三维成像、大数据、人工智能、物联网等技术进步，实现具有自感知、自检测、自决策、自适应等功能的新一代防爆安全态势感知煤粉制备车间成为未来重点发展的方向。

参考文献：GB50058-2014《爆炸危险环境下电气装置设计规范》

GB 50016-2014 《建筑设计防火规范_EN》

GB50295-2016《水泥工厂设计规范》