冷卻水塔是否需要防爆設計的判斷

劉家慶 唐 濱

福陸（中國）工程建設有限公司 （上海 201210）

根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》的要求，冷卻水塔要進行防爆設計，但由于規(guī)范僅為理論要求和設計者的參考，對于設計分析過程缺少具體的解析，設計者在設計階段容易盲從。本文以實際項目為例，通過對項目可燃物質的分析，管殼式換熱器工藝泄漏量的計算，以及如何考慮泄漏的可燃物質對冷卻塔的影響，對冷卻水塔是否需要進行防爆設計進行分析說明。

1 冷卻水塔防爆設計標準要求

工業(yè)生產(chǎn)或制冷工藝過程中產(chǎn)生的廢熱，一般要用冷卻水來導走。冷卻塔的作用是使挾帶廢熱的冷卻水在塔內與空氣進行熱交換，將廢熱傳輸給空氣并散入大氣中。

冷卻水塔的結構和原理：需冷卻的水在水塔頂部通過管道向下噴灑，水塔壁有吹風機吹入空氣，頂部有一個很大的風機，把空氣抽出塔頂，從而利于氣流流動，加速水的降溫。冷卻塔的基本原理：干燥的空氣經(jīng)過風機抽動后，自進風網(wǎng)處進入冷卻塔內，當水滴和空氣接觸時，二者直接傳熱使水的溫度降低；另外，水會發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象，其中的熱量通過蒸發(fā)潛熱的方式被帶走（即蒸發(fā)傳熱），從而達到降溫的目的。

工業(yè)用熱交換設備主要是換熱器。通常，生產(chǎn)和制冷工藝過程中產(chǎn)生的廢熱和冷卻水之間的熱交換，由管殼式換熱器來實現(xiàn)。當管殼式換熱器工藝側壓力超過設計值時，有可能導致?lián)Q熱器內部泄漏，高壓側工藝物料將泄漏到低壓側的冷卻水系統(tǒng)，污染冷卻水系統(tǒng)。當工藝物料泄漏量大時，有可能通過冷卻水回水系統(tǒng)輸送到冷卻水塔，且當泄漏的工藝物料為易燃易爆危險物質時，冷卻水塔若沒有考慮適當?shù)姆辣O計，易燃易爆物質揮發(fā)并積聚在風機或電氣儀表附近，有潛在的爆炸風險。

根據(jù)GB 50058—2014 附錄B“爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域范圍典型示例圖”第12 項，對于處理生產(chǎn)裝置用冷卻水的機械通風冷卻塔，當劃分為爆炸危險區(qū)域時，以回水管頂部烴放空管管口為中心，半徑為1.5 m 和冷卻塔及其上方高度為3 m 的范圍可劃分為2 區(qū)，地坪下泵坑的范圍宜為1 區(qū)，具體如圖1所示。

美國石油協(xié)會標準規(guī)范API RP 505-2018《1類、0 區(qū)、1 區(qū)和2 區(qū)石油設施電氣設備位置分類的推薦實施規(guī)程》對于冷卻塔的防爆說明和典型圖，與GB 50058—2014 基本一致，但是對于冷卻塔泵坑有進一步的解釋，即冷卻塔泵坑如果位于非爆炸危險區(qū)域，則不需要劃分防爆區(qū)域，因為冷卻塔泵不考慮為釋放源。

根據(jù)以上規(guī)范要求，在設計者進行實際工程設計時，考慮到工藝側有可燃物質，會按照標準規(guī)范的典型圖例將冷卻水塔直接劃分為爆炸危險區(qū)，作為保守設計考慮。但是在實際項目執(zhí)行階段，由于可燃物質的物性不同，換熱器設計標準不同，若沒有符合邏輯的分析說明或者計算數(shù)據(jù)佐證，僅解釋為按照典型圖進行設計，不但會受到業(yè)主的質疑，也會無形中增加項目成本，導致過度設計。

圖1 處理生產(chǎn)用冷卻水的機械通風冷卻塔防爆劃分示意圖

2 冷卻水塔防爆設計分析步驟

福陸（中國）工程建設有限公司的業(yè)主大部分為國外業(yè)主，且均為工程經(jīng)驗深厚的大型化工生產(chǎn)企業(yè)，如巴斯夫、英威達等，在項目實際設計階段，首先會對國內、國外設計標準以及業(yè)主公司的企業(yè)項目執(zhí)行標準進行對標。在對標階段，會對規(guī)范中的具體設計要求進行探討，其中在某化工項目中，對于冷卻水塔是否考慮為防爆設計，國家標準和企業(yè)標準有不同的解釋和要求，表現(xiàn)在：國家標準沒有具體解釋何種情況下冷卻水塔可以規(guī)避防爆設計，但是該企業(yè)標準中，有關于冷卻水塔是否考慮為防爆設計的具體分析步驟。

經(jīng)過探討和改進，本文以某項目為列，詳細介紹項目中對于冷卻水塔是否進行防爆設計的具體分析步驟。

（1）確定項目中利用冷卻水進行熱交換的設備（換熱器）的工藝物流中是否含有會形成爆炸性混合物的可燃性氣體、液體。

經(jīng)過分析，該項目丁烷、丁烯、一氧化碳、氫氣和辛烷存在于冷卻水換熱器內，且為易燃易爆物質，具體組分詳見表1。

表1 換熱器一覽表

（2）換熱器泄漏量的計算

根據(jù)國內外規(guī)范和大型化工企業(yè)設計標準，換熱器管束破裂有可能導致超壓工況，無論換熱器兩側的設計壓力是否一樣，都有工藝物料泄漏到冷卻水側的潛在危險。根據(jù)API521《壓力泄放和減壓系統(tǒng)》（2014 年第六版），工藝物料的泄漏量將按照一個管束破裂的通過量來計算。

根據(jù)該公司的企業(yè)項目執(zhí)行標準，所有管殼式換熱器的低壓側均設置安全泄放閥，然后進行管道破裂工況泄放量計算。該項目考慮的是工藝物料泄漏到冷卻水側污染冷卻水系統(tǒng)，以及泄漏量是否會在冷卻塔風機處形成爆炸性混合物，出于保守考慮，此泄漏量包括設置安全泄放閥的泄放量，即認為所有泄漏到冷卻水側的工藝介質都會隨冷卻水回水系統(tǒng)返回到冷卻塔。

根據(jù)該公司的企業(yè)項目執(zhí)行標準，換熱器管束破裂導致超壓工況，依據(jù)其以往事故經(jīng)驗分析并進行反算得出結論，可以考慮換熱管上5 mm 泄漏口徑用作超壓泄放的相關計算，計算口徑的選擇遵從圖2 所示邏輯樹。根據(jù)上述泄漏口徑分析原則，管殼式換熱器E2 可燃氣的泄漏量均符合5 mm 口徑計算條件，最大為726.2 m3/h（見表2）。

（3）可燃物爆炸下限的計算

因為該項目工藝物流是由多種可燃物質組成的混合物，因此混合物的爆炸下限可以按照萊-夏特爾公式進行計算。

圖2 換熱器管束破裂計算判斷邏輯樹

表2 換熱器泄漏量

式中：x 為混合可燃氣的爆炸極限；P 為混合氣中各組分的體積分數(shù)，%；N為混合氣中各組分的爆炸極限，%。經(jīng)過計算，4 臺換熱器的易燃混合物的爆炸下限見表3。

表3 混合物爆炸下限

（4）冷卻水塔防爆設計核算

冷卻水塔屬于第二類全廠性重要設施，應布置在非爆炸危險區(qū)域，與生產(chǎn)裝置保持足夠的安全距離。根據(jù)該公司企業(yè)項目執(zhí)行標準的強制條款，冷卻塔和工藝裝置區(qū)的安全距離最小為30 m，因此冷卻塔的防爆設計不受臨近危險工藝裝置區(qū)爆炸危險區(qū)域劃分的影響。

驗證冷卻水塔是否需要防爆設計，除了需要計算工藝物流的泄漏量外，還需要考慮如下條件：

（1）供貨商提供的冷卻水塔風機的最小風量

一般在基礎設計階段，供貨商的信息可能不夠完善，此時建議保守考慮冷卻水塔防爆設計，當供貨商信息資料可以參考時，比較供貨商提供的冷卻水塔風機的最小風量。項目設計階段得到3 家供貨商的風機風速數(shù)據(jù)（見表4），為保守考慮，選擇風機風速最低的數(shù)據(jù)進行計算，即737 604 m3/h。

表4 冷卻水塔規(guī)格 m3/h

（2）易燃物質的泄漏量

泄漏的易燃物質經(jīng)過冷卻水塔風機最小風量的稀釋是否可以達到易燃物質爆炸下限的10%（根據(jù)GB 50058—2014 第3.2.2 條－2，可燃物質可能出現(xiàn)的最高濃度不超過爆炸下限值的10%，以防范局部可燃氣體的積聚風險），如若達到，則冷卻水塔進行防爆設計。

在計算過程中，依據(jù)API521《壓力泄放和減壓系統(tǒng)》（2014 年第六版）的要求，同時按照以往設計經(jīng)驗，原則上不考慮兩個或兩個以上換熱器同時發(fā)生泄漏，否則設計過于保守。

經(jīng)過上述計算，管殼式換熱器E2 可燃氣的泄漏量最大為726.2 m3/h，冷卻水風機的最小風速為737 604 m3/h。保守考慮，泄漏到冷卻水側的易燃混合物全部揮發(fā)，則易燃混合物的稀釋體積分數(shù)為726.2/737604=0.098%；管殼式換熱器E2 易燃混合物的爆炸下限為1.83%，考慮到可燃氣體積聚可能，易燃混合物爆炸下限的10%為0.183%；經(jīng)過計算，易燃混合物的稀釋體積分數(shù)不會達到易燃混合物爆炸下限的10%。因此，該項目冷卻水塔可以考慮為非爆炸危險區(qū)域。

3 結語

根據(jù)GB 50058—2014 的要求，冷卻水塔要進行防爆設計，一般在基礎設計階段，供貨商的信息可能不夠完善，此時建議保守考慮冷卻水塔防爆設計，但希望設計者在設計過程中，不盲從標準規(guī)范中的典型示意圖。以某項目為列，詳細介紹了項目中對于冷卻水塔是否進行防爆設計的具體分析步驟，可以給業(yè)主和設計團隊一個直觀的參考，希望對設計人員有所幫助。