電廠脫硝氨區(qū)運輸管道泄漏危險與消防安全設(shè)計分析

胡宜磊，戴 琪

(興安盟消防支隊，內(nèi)蒙古 興安盟 137423)

電廠脫硝氨區(qū)運輸管道泄漏危險與消防安全設(shè)計分析

胡宜磊，戴 琪

(興安盟消防支隊，內(nèi)蒙古 興安盟 137423)

減少氮氧化物(NOx)排放量，是當(dāng)前環(huán)境部門乃至全社會最重要的工作之一，我國各電力集團、發(fā)電公司對已建機組逐步進行脫硝改造，新建火電機組同步建設(shè)脫硝裝置?；痣姀S脫硝氨區(qū)裝置工藝中的氨氣運輸管道工序，因泄漏方式和外部環(huán)境不同，會產(chǎn)生不同形式的火災(zāi)、爆炸和中毒。以某火力發(fā)電廠氨區(qū)為例，從氨氣運輸管道發(fā)生泄漏事故后，氨氣的泄漏量、爆炸能量、爆炸傷害半徑、毒害區(qū)域等方面進行探討，建立氨氣運輸管道爆炸事故后果及危害模型，分析電廠氨區(qū)氨氣運輸管道的消防安全設(shè)計，力求為解決此類工程消防安全問題提供借鑒。

氨氣運輸管道；火災(zāi)危險性；消防設(shè)計

隨著我國環(huán)保政策要求的不斷提高，氮氧化物(NOx)作為大氣的主要污染源，減少其排放量，是當(dāng)前環(huán)境部門乃至全社會最重要的工作之一[1]。我國各電力集團、發(fā)電公司積極響應(yīng)國家政策，將脫硝納入電力建設(shè)總體規(guī)劃，對已建機組逐步進行脫硝改造，新建火電機組同步建設(shè)脫硝裝置。目前，選擇性催化還原(SCR)法是國內(nèi)大型燃燒設(shè)備首選煙氣脫硝技術(shù)，而SCR法通常以氨為還原劑[2]。

火電廠脫硝氨區(qū)裝置主要工藝包括液氨卸車、液氨儲罐、液氨氣化及氨氣運輸，工藝流程簡圖如圖1。儲罐內(nèi)的液氨進入液氨蒸發(fā)器，通過加熱蒸發(fā)的方式將其轉(zhuǎn)化為氨氣，氨氣靠壓力通過管道送入脫硝工段。氨氣運輸管道因泄漏方式和外部環(huán)境不同，會產(chǎn)生不同形式的火災(zāi)、爆炸和中毒。

圖1 脫硝氨區(qū)裝置工藝

現(xiàn)行的《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50229—2006)[3]對氨氣運輸管道的消防安全設(shè)計沒有相應(yīng)要求，現(xiàn)行的《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)[4]、《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50160—2008)[5]、《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50219—95)[6]等均無系統(tǒng)性要求，《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(報批稿)[7]亦未對此有完整的設(shè)計規(guī)定。為了確保電廠脫硝項目的消防安全，急需研究完善、細化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1 氨氣運輸管道泄漏事故特點

氨氣分子式為NH3，相對分子質(zhì)量17.031，無色有刺激性惡臭，極易溶于水，常溫常壓下1體積水可溶解700倍體積氨。氨氣的密度為0.771 g·L-1，爆炸極限為15.7%～27.4%(最易引燃濃度17%)，引燃溫度為651 ℃，屬于乙類可燃氣體。

1.1 火災(zāi)爆炸

因氨氣運輸管道連接點、邊沿、閥門、焊點形成泄漏[8]，當(dāng)管道破裂時，管道內(nèi)氨氣由破裂前的壓力降至大氣壓，歷經(jīng)時間很短，會發(fā)生壓縮氣體介質(zhì)壓力管道爆炸。

1.2 中毒

氨為無色氣體，具有強烈的刺激性，吸入高濃度氨可引起反射性呼吸停止。氨吸入人體，輕度中毒者出現(xiàn)流淚、咳嗽，眼結(jié)膜、鼻黏膜、咽部充血、水腫；中度中毒會出現(xiàn)呼吸困難、紫紺，有肺炎跡象；重度中毒可發(fā)生肺水腫，或有呼吸困難等癥狀。氨氣從管道內(nèi)泄漏出來后，由于壓力變化，氨氣順風(fēng)擴散，使人和其他動物呼吸困難，致人死亡[9]。液氨還能致皮膚灼傷。

因此，本文選擇某發(fā)電廠氨區(qū)氨氣運輸管道(地上敷設(shè))的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)為主要研究參數(shù)，以上述壓力管道爆炸及氣體毒害性為基礎(chǔ)，計算研究事故后果與傷害范圍，進行消防安全設(shè)計分析。

2 氨氣運輸管道爆炸事故后果及危害模型構(gòu)建

2.1 氨氣泄漏量

式中，Qc為氣體泄漏速度，kg·s-1；Cd為氣體泄漏系數(shù)，當(dāng)裂口形狀為圓形時取1，三角形時取0.95，長方形時取0.9，經(jīng)與此發(fā)電廠技術(shù)人員溝通，出現(xiàn)不規(guī)則三角形裂口幾率較大，本文擬定取0.95；A為裂口面積，m2，經(jīng)與此發(fā)電廠技術(shù)人員溝通，此前管道密閉性試驗中，發(fā)現(xiàn)過較小裂口，約為0.05 m2，本文取0.05 m2；P為容器內(nèi)介質(zhì)的壓力，Pa；M為氣體摩爾質(zhì)量，氨氣為1.7×10-2kg·mol-1；R為氣體常數(shù)，8.314 5 J·mol-1·K-1；T為氣體溫度，取40 ℃(313 K)；κ為氣體絕熱指數(shù)。

經(jīng)計算可得，Qc為72.675 kg·s-1。

2.2 壓力管道爆炸能量

2.2.1 壓縮氣體爆炸能量

爆炸屬于瞬間降壓過程，不論管道內(nèi)介質(zhì)的溫度與周圍環(huán)境存在多大溫差，都可以認(rèn)為管道內(nèi)的氣體與環(huán)境無熱量交換，即此時氣體介質(zhì)的膨脹是一個絕熱過程。氣體爆炸能量可按理想氣體絕熱膨脹時所釋放的能量來計算[10]。在管道介質(zhì)壓力為0.9 MPa，溫度為40 ℃的工況下，直徑為108 mm的氨氣管道爆炸能量可按式(2)計算：

式中，Eg為氣體介質(zhì)壓力容器的爆炸能量，kJ；P為爆炸前氣體的絕熱壓力，MPa；V為壓力容器的容積，取0.009 2 m3；κ為氣體絕熱指數(shù)。

經(jīng)計算可得，Eg為11 kJ。

2.2.2 二次爆炸

假設(shè)20%參與爆炸，則二次爆炸能量按式(3)計算：

式中，E為二次爆炸產(chǎn)生能量，kJ；V1為參與反應(yīng)的可燃氣體，m3；Hc為氣體燃燒高熱值，kJ·m-3，氨氣取17 250 kJ·m-3。

計算可得E=310.5 kJ，該氨氣管道的爆炸總能量Ez=Eg+E=11+310.5=321.5 kJ。

2.3 壓力管道爆炸傷害半徑

TNO根據(jù)真實氣體蒸氣云爆炸實驗數(shù)據(jù)，提出了計算蒸氣云爆炸沖擊波損害半徑的經(jīng)驗公式[10]：

式中，R為沖擊波損害半徑，m；C為經(jīng)驗常數(shù)，取值0.03～0.4；N為效率因子，與可燃蒸氣云持續(xù)擴散所造成的濃度下降和燃燒效率有關(guān)，可近似取10%；E為可燃蒸氣云爆炸能量，kJ。

傷害等級1級(即建筑物、設(shè)備破壞嚴(yán)重，1%人員傷亡、人員肺部傷害、50%以上人員耳膜破裂、50%以上的人員被碎片擊傷)，R1=0.03×(0.1×310.5×1000)1/3=0.91 m；傷害等級2級(即建筑物外部可修復(fù)性破壞，1%人員耳膜破裂、1%人員被碎片擊傷)，R2=0.06×(0.1×310.5×1000)1/3=1.82 m；傷害等級3級(即玻璃破碎，人員被碎玻璃擊傷)，R3=0.15×(0.1×310.5×1000)1/3=4.55 m；傷害等級4級(即10%玻璃破碎)，R4=0.4×(0.1×310.5×1000)1/3=12.15 m。

2.4 毒害區(qū)域

氨氣在空氣中的濃度達到0.5%時，人吸入5～10 min即可死亡，則0.09 m3(V1)的氨氣可以產(chǎn)生致死的有毒空氣體積為：Vk=V1×100/0.5=0.09×100/0.5=19 m3。

假設(shè)有毒空氣以半球形向地面擴散[10]，則求出該有毒氣體擴散半徑為:

3 消防安全設(shè)計分析

3.1 管道布置位置

《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(報批稿)[7]第3.5.3.3條，氨氣管道跨越電氣化、非電氣化鐵路時，軌面以上凈空高度分別不應(yīng)小于6.6m、5.5m；跨越儲氨區(qū)內(nèi)道路時，路面以上的凈空高度不應(yīng)小于4.5m；跨越人行道時，道面以上的凈空高度不應(yīng)小于2.5m；上文得出某發(fā)電廠氨區(qū)氨氣運輸管道泄漏爆炸后的傷害半徑分別為0.91m、1.82m、4.55m、12.15m，氨氣致人死亡擴散半徑2.09m。經(jīng)對比數(shù)據(jù)，并考慮到管道內(nèi)部壓力越大、規(guī)格越大，傷害半徑及氨氣致人死亡擴散半徑也越大[11]，建議增大氨氣管道與車行道、人行道的設(shè)置距離，補充氨氣運輸管道外層設(shè)置保溫、防護層的規(guī)定，并對保溫、防護層的材料選擇及厚度進行要求；補充氨氣運輸管道與周圍建筑物、構(gòu)筑物防火間距的規(guī)定。

3.2 消防設(shè)施設(shè)置

《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB50219—95)[6]第3.1.2條及《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(報批稿)[7]第10.0.7條，均規(guī)定氨氣運輸管道上應(yīng)設(shè)水噴霧消防系統(tǒng)，水噴霧強度不小于1L·min-1·m-2；規(guī)范對是否需要安裝報警設(shè)施未做出相關(guān)要求。上文得出某發(fā)電廠氨區(qū)氨氣運輸管道發(fā)生泄漏，其泄漏速度為72.675kg·s-1，若持續(xù)泄漏，與空氣混合，遇點火源極易發(fā)生爆炸，建議補充氨氣運輸管道應(yīng)設(shè)置可燃氣體濃度監(jiān)測報警系統(tǒng)的規(guī)定，補充水噴霧系統(tǒng)的響應(yīng)時間的規(guī)定；且二者需采用聯(lián)動控制方式，在控制室設(shè)置手動直接控制裝置。

4 結(jié)語

根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016—2014)、《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》(GB50160—2008)、《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(報批稿)、《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB50219—95)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合上文所建立的氨氣運輸管道爆炸事故后果及危害模型，進行了氨氣運輸管道的消防安全設(shè)計分析，提出相關(guān)建議：增加氨氣管道與車行道、人行道的設(shè)置距離；補充氨氣運輸管道與周圍建(構(gòu))筑物防火間距、設(shè)置可燃氣體濃度監(jiān)測報警、水噴霧系統(tǒng)的響應(yīng)時間的要求規(guī)定。同時，建議在氨區(qū)不同工段配備防毒面具、空氣呼吸器及相關(guān)應(yīng)急救援設(shè)備，從而最大限度地保證緊急情況下的人員安全，不斷增強職工緊急應(yīng)變能力和事故處理能力，做出及時準(zhǔn)確的響應(yīng)。

[1] 張淼.XX電廠鍋爐煙氣脫硝工藝技術(shù)方案優(yōu)選研究[D].長春:吉林大學(xué),2016.

[2] 張晶.火電廠煙氣脫硝工程液氨儲罐區(qū)消防設(shè)計[J].華電技術(shù),2012,34(10):12-13,33.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火規(guī)范:GB50229—2006[S].北京:中國計劃出版社,2007.

[4] 中華人民共和國公安部.建筑設(shè)計防火規(guī)范:GB50016—2014[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范:GB50160—2008[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[6] 中華人民共和國公安部.水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范:GB50219—95[S].北京:中國計劃出版社,1995.

[7] 中華人民共和國國家能源局.火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計技術(shù)規(guī)程(報批稿)[S].

[8] 高夢非,張哲源,張苗,等.氨分解裝置中液氨儲罐火災(zāi)爆炸危險性分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014,10(8):150-155.

[9] 譚小術(shù),董剛,劉鑫,等.淺談對重大危險介質(zhì)液氨的安全管理[J].氮肥技術(shù),2009,30(1):43-44.

[10] 傅智敏.工業(yè)企業(yè)防火[M].北京:中國人民公安大學(xué)出版社,2008.

[11] 余旭紅,周春香.在用氨制冷管道風(fēng)險分析[J].化學(xué)工程與裝置,2011(4):152-156,166.

(責(zé)任編輯 李 蕾)

Analysis on Leakage Risks of Denitration Ammonia Pipeline of Power Plants and its Fire-safety Design

HU Yilei, DAI Qi

(Hinggan League Municipal Fire Brigade, Inner Mongolia Autonomous Region 137423, China)

As the main source of air pollution, reducing the emission of nitrogen oxide is one of the most important tasks of the environment department and even the whole society. Power plants no matter old or new are required to install denitration facilities in which ammonia must be piped. Due to leakages and unsafe external environment, a variety of fires, explosions and poisonings may happen. Taking the ammonia pipeline leakage at a power plant as an example, this paper introduces the creation of an aftermath and damage model of the ammonia pipeline explosion based on the detailed analysis of the volume of ammonia leaked, explosion energy, explosive damage radius and poisoning areas, then discusses the fire safety design of ammonia pipeline to provide reference for fire safety engineering of such power plants.

ammonia pipeline; fire risk; fire protection design

2017-04-05

胡宜磊(1969— )，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，高級工程師； 戴琪(1990— )，女，內(nèi)蒙古烏蘭浩特人，碩士。

TU998.1

A

1008-2077(2017)08-0048-03