聚乙烯醇裝置儲(chǔ)槽區(qū)火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析和改進(jìn)

張光卿

聚乙烯醇聯(lián)合裝置于1972年從日本可樂(lè)麗公司引進(jìn)，1976年建成投產(chǎn)。聚乙烯醇聯(lián)合裝置儲(chǔ)槽區(qū)共有19個(gè)物料儲(chǔ)罐，總儲(chǔ)量為4 823 m3，為乙酸乙烯、甲醇、乙酸、乙醛、乙酸甲酯等原料、產(chǎn)品儲(chǔ)槽。儲(chǔ)槽均為常溫常壓立式儲(chǔ)槽，容積最大的S－603C、D乙酸乙烯儲(chǔ)槽為500 m3，其他多為300 m3。儲(chǔ)槽區(qū)儲(chǔ)存的物質(zhì)多數(shù)為甲B類易燃液體。

根據(jù)GB 18218—2009《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》和《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》，聚乙烯醇裝置儲(chǔ)槽區(qū)屬于三級(jí)重大危險(xiǎn)源。儲(chǔ)槽區(qū)的火災(zāi)爆炸事故發(fā)生概率非常高，波及范圍廣，并且會(huì)造成大量的人力和物力損失。文章采用事故樹(shù)分析法分析儲(chǔ)槽區(qū)火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的原因，以道化學(xué)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)出火災(zāi)爆炸事故發(fā)生后的影響范圍，池火災(zāi)傷害數(shù)學(xué)模型分析法評(píng)價(jià)出事故發(fā)生后其輻射強(qiáng)度對(duì)周圍設(shè)施、人員的傷害程度［1］。從這3個(gè)方面對(duì)聚乙烯醇裝置儲(chǔ)槽區(qū)火災(zāi)爆炸事故的危險(xiǎn)性進(jìn)行定性、定量評(píng)價(jià)，從不同角度對(duì)這一重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)性進(jìn)行全方位描述，得出全面、清晰的評(píng)價(jià)結(jié)論，為日常安全管理工作提供有力依據(jù)。

1 火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法

火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)危險(xiǎn)指數(shù)采用道化學(xué)公司火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法，遇評(píng)價(jià)火災(zāi)爆炸后發(fā)生的影響范圍，即暴露區(qū)域面積，同時(shí)可以計(jì)算出暴露區(qū)域的財(cái)產(chǎn)和停工損失［2］。圖1為風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算程序。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算程序

1.1 選取物質(zhì)因子MF

查閱道化學(xué)公司火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)指數(shù)分類指南（第七版）物質(zhì)因子和特性表，得到儲(chǔ)槽區(qū)物料物質(zhì)因子MF，具體如表1所示。

表1 槽區(qū)物料物質(zhì)因子MF

MF取表中1最高數(shù)值，24。

1.2 確定一般工藝危險(xiǎn)因子F1

一般工藝危險(xiǎn)因子包括7項(xiàng)，分別為：

① 基本因子，取1；

②放熱反應(yīng)，儲(chǔ)槽區(qū)無(wú)反應(yīng)，取0；

③吸熱反應(yīng)，儲(chǔ)槽區(qū)無(wú)反應(yīng)，取0；

④物料處理與輸送，灌裝易燃液體，取0.85；

⑤封閉單元或室內(nèi)單元，在封閉區(qū)域內(nèi)，閃點(diǎn)以上處理易燃液體，取0.45；

⑥通道，儲(chǔ)槽區(qū)周圍有消防通道，取0；

⑦排放和泄漏控制，槽區(qū)設(shè)有隔堤防止漏液進(jìn)入其他地方，取0.50。

一般工藝危險(xiǎn)因子F1取上述7個(gè)數(shù)值之和，2.80。

1.3 確定特殊工藝危險(xiǎn)因子F2

① 基本因子，取1；

②毒性物質(zhì)，根據(jù)儲(chǔ)槽區(qū)物料的化學(xué)性質(zhì)，短期接觸可引起刺激，致人輕微傷害，因此毒性因子NH＝1，毒性物質(zhì)的危險(xiǎn)因子0.2×NH＝0.2；

③負(fù)壓操作，槽區(qū)儲(chǔ)槽都屬于常壓容器，取0；

④燃燒范圍或其附近的操作，槽區(qū)儲(chǔ)罐有氮封裝置，取0；

⑤ 粉塵爆炸，不涉及，取0；

⑥壓力釋放，儲(chǔ)罐為常壓儲(chǔ)罐，取0；

⑦低溫，儲(chǔ)罐無(wú)轉(zhuǎn)變溫度，材質(zhì)為SUS304、SUS316、SS41，因此取 0；

⑧易燃和不穩(wěn)定物質(zhì)，儲(chǔ)槽區(qū)物質(zhì)總的燃燒熱計(jì)算見(jiàn)表2，物質(zhì)總熱量合計(jì)為2.7×106GJ。

表2 儲(chǔ)槽區(qū)物質(zhì)總的燃燒熱計(jì)算

儲(chǔ)槽區(qū)儲(chǔ)存的甲醇、乙醛屬于甲B類易燃液體，根據(jù)計(jì)算出的物質(zhì)總熱量，查閱《道化學(xué)公司火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)分類指南（第七版）》貯存中的氣體和液體的危險(xiǎn)因子表，甲醇和乙醛的危險(xiǎn)因子取1；

⑨腐蝕，根據(jù)儲(chǔ)槽區(qū)物質(zhì)和選取的材料，取0.1；

⑩泄漏，閥門等處可能出現(xiàn)輕微泄漏，取0.1；

?明火設(shè)備的使用，槽區(qū)無(wú)明火設(shè)備，取0；

? 熱油交換系統(tǒng)，無(wú)，取0；

? 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，無(wú)，取0。

特殊工藝危險(xiǎn)因子F2取上述13個(gè)數(shù)值之和，2.40。

1.4 計(jì)算工藝單元危險(xiǎn)因子F3

工藝單元危險(xiǎn)因子F3＝一般工藝危險(xiǎn)因子F1×特殊工藝危險(xiǎn)因子F2

1.5 計(jì)算火災(zāi)、爆炸指數(shù)F＆EI

火災(zāi)、爆炸指數(shù)F＆EI的計(jì)算公式為F＆EI＝工藝單元危險(xiǎn)因子F3×物質(zhì)因子MF

F＆EI＝F3×MF＝161.28，查閱表3（F＆EI與危險(xiǎn)等級(jí)關(guān)系），確定火災(zāi)、爆炸指數(shù)F＆EI與危險(xiǎn)等級(jí)之間的關(guān)系，可以得出以下結(jié)論：聚乙烯醇裝置儲(chǔ)槽區(qū)一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，其危險(xiǎn)等級(jí)非常高。

表3 F＆EI與危險(xiǎn)等級(jí)關(guān)系

1.6 計(jì)算爆炸半徑R

R＝0.256×（F＆EI）

因此，R＝0.256×161.28＝41.29 m。

1.7 計(jì)算爆炸影響面積S

S＝πR2＝3.14×41.292＝5 340.31 m2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，若儲(chǔ)槽區(qū)發(fā)生爆炸，爆炸范圍為：以槽區(qū)中心為原點(diǎn)，41.29 m為半徑的區(qū)域。具體影響區(qū)域?yàn)椋簴|側(cè)無(wú)裝置，廠房，影響不大；西側(cè)波及至動(dòng)力泵房區(qū)域；北側(cè)為馬路，影響不大；南側(cè)波及控制室及變電站，生產(chǎn)區(qū)域波及精餾、回收、醇解區(qū)域。

道化學(xué)火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)指數(shù)是日常安全評(píng)價(jià)的重點(diǎn)部分，決定了操作人員能否在一個(gè)安全的環(huán)境中進(jìn)行工作，企業(yè)可以根據(jù)評(píng)價(jià)出的爆炸范圍對(duì)波及區(qū)域設(shè)置安全防護(hù)措施，減小火災(zāi)爆炸帶來(lái)的危害。

2 池火災(zāi)傷害數(shù)學(xué)模型分析法

聚乙烯醇裝置的儲(chǔ)槽區(qū)根據(jù)隔堤可以分為乙酸乙烯、乙酸、甲醇聚乙酸乙烯等3個(gè)區(qū)域，從區(qū)域內(nèi)物料危險(xiǎn)度和物料儲(chǔ)量?jī)煞矫鎭?lái)看，選取乙酸乙烯區(qū)域進(jìn)行計(jì)算最具代表性。

乙酸乙烯區(qū)域的面積為980 m2，隔堤高為0.6 m。根據(jù)2017年上半年的平均數(shù)據(jù)，乙酸乙烯總儲(chǔ)量平均值為385 t，體積約為414 m3，假設(shè)儲(chǔ)槽區(qū)可燃液體泄漏到槽體外，造成乙酸乙烯大量泄漏到防火堤內(nèi)，流到地面形成液池，不會(huì)溢出隔堤，乙酸乙烯遇火源會(huì)燃燒而成池火，因此可以利用池火災(zāi)傷害數(shù)學(xué)模型對(duì)事故后果進(jìn)行分析［3］。

2.1 確定燃燒速度

根據(jù)池火災(zāi)傷害數(shù)學(xué)模型分析法，槽區(qū)乙酸、乙酸乙烯等可燃液體的沸點(diǎn)高于周圍環(huán)境溫度，液體表面單位面積的燃燒速度公式如下：

式中：d m／d t——單位表面積燃燒速度，kg／（m2·s）；

Hc——液體燃燒熱，J／kg；

Cp——液體的定壓比熱容，J／（kg·K）；

Tb——液體的沸點(diǎn)，K；

T0——環(huán)境溫度，K；

H——液體的汽化熱，J／kg。

綜合槽區(qū)物質(zhì)的儲(chǔ)存量和危險(xiǎn)程度，考慮最危險(xiǎn)的情況，選取乙酸乙烯進(jìn)行池火災(zāi)模擬計(jì)算。查閱相關(guān)資料可得，乙酸乙烯相關(guān)參數(shù)為：Hc＝2.3×107J／kg，Cp＝1 920 J／（kg·K），Tb＝350.25 K，H＝366 500 J／kg。

代入公式計(jì)算可以得到，火災(zāi)的燃燒速度為0.049 kg／（m2·s）。

2.2 計(jì)算火焰高度

池火火焰高度h的計(jì)算公式為：

式中：h——火焰高度，m；

r——液池當(dāng)量半徑，r＝（980／3.14）0.5＝17.67 m；

ρ0——周圍空氣密度，1.293 kg／m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

g——重力加速度，9.8 m／s2；

d m／d t——燃燒速度，0.049 kg／（m2·s）。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得，池火燃燒火焰高度h為36 m。

2.3 計(jì)算熱輻射通量

液池燃燒是放出的總熱輻射通量Q，計(jì)算公式為：

式中：Q——總熱輻射通量，kW；

η——效率因子，可取0.13～0.35（本次應(yīng)用取0.2）；

其余參數(shù)同上。

代入公式計(jì)算可得，Q＝88 042.7 kW

2.4 計(jì)算目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度

假設(shè)全部輻射熱量由液池中央輻射出來(lái)，則在距離池中心的某處的入射熱輻射強(qiáng)度I的計(jì)算公式為：

式中：I——熱輻射強(qiáng)度，kW／m2；

Q——總熱輻射通量，kW；

tc——熱傳導(dǎo)因子，取值為1；

X——目標(biāo)點(diǎn)到液池中心距離，m。

2.5 火災(zāi)損失

火災(zāi)通過(guò)熱輻射方式影響周圍環(huán)境，當(dāng)火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度足夠大時(shí)，可使周圍的物體燃燒或變形，強(qiáng)烈的熱輻射可能燒毀設(shè)備甚至造成人員傷亡等?；馂?zāi)損失估算建立在輻射通量與損失等級(jí)的相應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，不同入射量造成傷害或損失的情況見(jiàn)表4［4］。

表4 熱輻射的不同入射量所造成的損失

按照GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，儲(chǔ)罐區(qū)距離全廠一類重要安全設(shè)施的防火間距為30 m，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果合理。

由表4可知：一旦儲(chǔ)槽區(qū)物料泄漏發(fā)生火災(zāi)，距離儲(chǔ)槽區(qū)中心半徑24.23 m以內(nèi)的設(shè)備和人員將受到非常嚴(yán)重的損害；在半徑24.23～29.68 m處，設(shè)備和人員將受到嚴(yán)重?fù)p害；在半徑29.68～41.97 m范圍內(nèi)，設(shè)備和人員將受到輕微波及；41.97 m以外設(shè)施和人員幾乎不受影響。儲(chǔ)槽區(qū)內(nèi)相鄰的乙酸儲(chǔ)罐全部損壞，在距離儲(chǔ)罐中心大約38 m處的變電站外圍墻、聚合廢水池外緣受到波及和損害。

經(jīng)過(guò)兩種計(jì)算方法的計(jì)算可知：裝置控制室屬于人員密集區(qū)域，又在受到波及的范圍內(nèi)，控制室應(yīng)采取防爆措施，設(shè)置防爆門、窗、墻和應(yīng)急通道，減少事故發(fā)生帶來(lái)的嚴(yán)重后果。

3 火災(zāi)、爆炸原因事故樹(shù)分析

根據(jù)儲(chǔ)槽區(qū)物料性質(zhì)，儲(chǔ)槽區(qū)發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的原因有兩個(gè)：可燃?xì)怏w或液體遇明火發(fā)生火災(zāi)爆炸和乙酸乙烯發(fā)生爆聚。從這兩個(gè)方面入手，構(gòu)建事故樹(shù)，分析火災(zāi)、爆炸原因［5］。

3.1 構(gòu)建儲(chǔ)槽區(qū)火災(zāi)爆炸事故樹(shù)［2］

以儲(chǔ)槽區(qū)火災(zāi)爆炸事故為事故樹(shù)的頂上事件，構(gòu)建事故樹(shù)模型（如圖2），基本事件描述見(jiàn)表5。

圖2 儲(chǔ)槽區(qū)火災(zāi)爆炸事故樹(shù)

表5 儲(chǔ)槽區(qū)火災(zāi)爆炸事故樹(shù)基本事件

3.2 采用結(jié)構(gòu)法計(jì)算最小割集

在事故樹(shù)分析中，最小割集表示系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，掌握發(fā)生事故的各種可能性的組合。采用結(jié)構(gòu)法計(jì)算最小割集的數(shù)量為53項(xiàng)。

3.3 計(jì)算最小徑集

最小徑集表示系統(tǒng)的安全性，得到可以避免事故發(fā)生的幾種方案組合。利用最小割集與最小徑集對(duì)偶性，對(duì)事故樹(shù)（圖2）進(jìn)行換門，利用步爾代數(shù)法計(jì)算事故樹(shù)的最小徑集。計(jì)算得出最小徑集共7項(xiàng)。

3.4 計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度

最小割集共53項(xiàng)，最小徑集共7項(xiàng)，因此，采用最小徑集法求結(jié)構(gòu)重要度因子比較方便。

利用近似求解公式：

式中：Iφ（i）——第 i個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度因子；

Kj——j個(gè)最小徑集；

nj——第i個(gè)基本事件所在的第Kj最小割集的基本事件總數(shù)；xi——第 i個(gè)基本事件。

經(jīng)計(jì)算可以得出事件結(jié)構(gòu)重要度順序［6］。

經(jīng)過(guò)分析，儲(chǔ)槽區(qū)存在的主要風(fēng)險(xiǎn)因素為火源與達(dá)到爆炸極限的可燃物氣相混合發(fā)生的爆炸和乙酸乙烯爆聚。

物料停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、冷凝不足、氧含量過(guò)高、外界溫度過(guò)高、阻聚劑量不足等因素引起乙酸乙烯爆聚是儲(chǔ)槽區(qū)的最嚴(yán)重的危險(xiǎn)源，主要采取嚴(yán)密監(jiān)控乙酸乙烯溫度變化、高溫時(shí)循環(huán)冷卻等措施進(jìn)行控制。

2014年8月18日凌晨，聚乙烯醇裝置儲(chǔ)槽區(qū)的乙酸乙烯儲(chǔ)槽S－603D溫度異常升高，乙酸乙烯自聚產(chǎn)生的熱量使得儲(chǔ)槽內(nèi)的氣體快速膨脹，導(dǎo)致儲(chǔ)槽頂部防爆膜破裂。隨后采取緊急措施，對(duì)儲(chǔ)槽外部進(jìn)行緊急噴淋降溫、緊急添加阻聚劑，及時(shí)控制住自聚反應(yīng)。若沒(méi)有及時(shí)控制住自聚反應(yīng)，在高溫的作用下反應(yīng)不斷加劇，最終會(huì)釀成嚴(yán)重的安全事故。根據(jù)實(shí)際情況來(lái)看，計(jì)算結(jié)果是正確的。

火源與達(dá)到爆炸極限的可燃物氣相混合發(fā)生爆炸為次要風(fēng)險(xiǎn)因素，可以通過(guò)控制儲(chǔ)槽溫度、設(shè)備完整度、氣相氧含量等參數(shù)來(lái)控制火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生。因此，在制定儲(chǔ)槽區(qū)安全管理細(xì)則，落實(shí)隔離等安全措施，以及動(dòng)火作業(yè)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理和風(fēng)險(xiǎn)分析，杜絕違章操作。

4 儲(chǔ)槽區(qū)安全管理改進(jìn)建議

根據(jù)以上對(duì)儲(chǔ)槽區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)分析和裝置目前實(shí)際運(yùn)行和安全設(shè)施情況，提出以下建議。

（1）采用道化學(xué)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法和池火災(zāi)傷害數(shù)學(xué)模型分析法對(duì)事故進(jìn)行分析評(píng)價(jià)后可以得知，儲(chǔ)槽在發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的情況下，距離儲(chǔ)槽區(qū)28 m的變電站會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害，作為全廠性的重要設(shè)施，建議增加防爆墻等防爆安全設(shè)施來(lái)減小火災(zāi)和爆炸事故產(chǎn)生的影響。

（2）通過(guò)事故樹(shù)模型分析可知，電氣、靜電、泄漏等因素是造成火災(zāi)和爆炸的重要的危害因素，在日常工作中，應(yīng)對(duì)這類因素進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和監(jiān)督檢查。

（3）通過(guò)對(duì)事故樹(shù)中乙酸乙烯爆聚的危害因素分析，在2014年乙酸乙烯自聚事件發(fā)生之后，裝置為乙酸乙烯儲(chǔ)槽新加了兩套冰鹽水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，加強(qiáng)槽內(nèi)物料流動(dòng)，在高溫情況下，對(duì)物料進(jìn)行冷卻，防止自聚。經(jīng)過(guò)近兩年的觀察，尤其是2017年，出現(xiàn)連續(xù)高溫天氣，加上裝置自4月開(kāi)始停車，乙酸乙烯在儲(chǔ)槽內(nèi)的停留時(shí)間創(chuàng)了裝置記錄，未發(fā)生乙酸乙烯自聚，可證明冷卻循環(huán)系統(tǒng)有效地控制了乙酸乙烯爆聚這一危險(xiǎn)因素。

（4）為加強(qiáng)事故發(fā)生后的應(yīng)急處理，建議儲(chǔ)罐的物料管道加設(shè)緊急切斷閥，對(duì)異常情況進(jìn)行及時(shí)控制；在儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)置應(yīng)急事故池，避免異常情況下物料大量泄漏造成水體污染；儲(chǔ)槽區(qū)的視頻監(jiān)控應(yīng)與火災(zāi)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，在異常情況出現(xiàn)時(shí)立即動(dòng)作，控制事態(tài)發(fā)展。

（5）裝置儲(chǔ)槽區(qū)有兩個(gè)乙酸儲(chǔ)槽，乙酸凝固點(diǎn)為16.6℃，故每年秋天至次年春夏交界段，乙酸從鐵路卸車設(shè)施卸料至裝置儲(chǔ)罐后，需對(duì)乙酸進(jìn)料管道進(jìn)行氮?dú)獯祾?，將乙酸自鐵路卸料設(shè)施吹掃至乙酸儲(chǔ)槽。目前由于吹掃壓力、吹掃流量較大，而罐區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水封罐較小，吸收尾氣的能力較低，每次氮?dú)獯祾邥r(shí)均有少量乙酸溢出。另外，回收乙醛儲(chǔ)槽頂部的排氣冷凝器因歷史遺留問(wèn)題只能起到部分冷凝作用，剩余部分乙醛直接排放到大氣中。乙酸和乙醛異味影響環(huán)境，也存在一定安全隱患。目前，裝置擬增加一臺(tái)水洗罐，吸收排放的乙酸和回收乙醛，減少環(huán)境影響，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

從事故預(yù)防和減緩事故后果兩個(gè)方面全面考慮儲(chǔ)槽區(qū)的安全技術(shù)措施，對(duì)日常工作進(jìn)行精細(xì)管理，才能真正實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)槽區(qū)安全穩(wěn)定。

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