電廠脫硝氨區運輸管道泄漏危險與消防安全設計分析

胡宜磊，戴 琪

(興安盟消防支隊，內蒙古 興安盟 137423)

電廠脫硝氨區運輸管道泄漏危險與消防安全設計分析

胡宜磊，戴 琪

(興安盟消防支隊，內蒙古 興安盟 137423)

減少氮氧化物(NOx)排放量，是當前環境部門乃至全社會最重要的工作之一，我國各電力集團、發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脫硝裝置。火電廠脫硝氨區裝置工藝中的氨氣運輸管道工序，因泄漏方式和外部環境不同，會產生不同形式的火災、爆炸和中毒。以某火力發電廠氨區為例，從氨氣運輸管道發生泄漏事故后，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，分析電廠氨區氨氣運輸管道的消防安全設計，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；火災危險性；消防設計

隨著我國環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，是當前環境部門乃至全社會最重要的工作之一[1]。我國各電力集團、發電公司積極響應國家政策，將脫硝納入電力建設總體規劃，對已建機組逐步進行脫硝改造，新建火電機組同步建設脫硝裝置。目前，選擇性催化還原(SCR)法是國內大型燃燒設備首選煙氣脫硝技術，而SCR法通常以氨為還原劑[2]。

火電廠脫硝氨區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。儲罐內的液氨進入液氨蒸發器，通過加熱蒸發的方式將其轉化為氨氣，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境不同，會產生不同形式的火災、爆炸和中毒。

圖1 脫硝氨區裝置工藝

現行的《火力發電廠與變電站設計防火規范》(GB 50229—2006)[3]對氨氣運輸管道的消防安全設計沒有相應要求，現行的《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)[4]、《石油化工企業設計防火規范》(GB 50160—2008)[5]、《水噴霧滅火系統設計規范》(GB 50219—95)[6]等均無系統性要求，《火力發電廠煙氣脫硝設計技術規程》(報批稿)[7]亦未對此有完整的設計規定。為了確保電廠脫硝項目的消防安全，急需研究完善、細化設計標準。

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 火災爆炸

因氨氣運輸管道連接點、邊沿、閥門、焊點形成泄漏[8]，當管道破裂時，管道內氨氣由破裂前的壓力降至大氣壓，歷經時間很短，會發生壓縮氣體介質壓力管道爆炸。

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，輕度中毒者出現流淚、咳嗽，眼結膜、鼻黏膜、咽部充血、水腫；中度中毒會出現呼吸困難、紫紺，有肺炎跡象；重度中毒可發生肺水腫，或有呼吸困難等癥狀。氨氣從管道內泄漏出來后，由于壓力變化，氨氣順風擴散，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，本文選擇某發電廠氨區氨氣運輸管道(地上敷設)的相關設計數據為主要研究參數，以上述壓力管道爆炸及氣體毒害性為基礎，計算研究事故后果與傷害范圍，進行消防安全設計分析。

2 氨氣運輸管道爆炸事故后果及危害模型構建

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，當裂口形狀為圓形時取1，三角形時取0.95，長方形時取0.9，經與此發電廠技術人員溝通，出現不規則三角形裂口幾率較大，本文擬定取0.95；A為裂口面積，m2，經與此發電廠技術人員溝通，此前管道密閉性試驗中，發現過較小裂口，約為0.05 m2，本文取0.05 m2；P為容器內介質的壓力，Pa；M為氣體摩爾質量，氨氣為1.7×10-2kg·mol-1；R為氣體常數，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。

經計算可得，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，不論管道內介質的溫度與周圍環境存在多大溫差，都可以認為管道內的氣體與環境無熱量交換，即此時氣體介質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。

經計算可得，Eg為11 kJ。

2.2.2 二次爆炸

假設20%參與爆炸，則二次爆炸能量按式(3)計算：

式中，E為二次爆炸產生能量，kJ；V1為參與反應的可燃氣體，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根據真實氣體蒸氣云爆炸實驗數據，提出了計算蒸氣云爆炸沖擊波損害半徑的經驗公式[10]：

式中，R為沖擊波損害半徑，m；C為經驗常數，取值0.03～0.4；N為效率因子，與可燃蒸氣云持續擴散所造成的濃度下降和燃燒效率有關，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、設備破壞嚴重，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 消防安全設計分析

3.1 管道布置位置

《火力發電廠煙氣脫硝設計技術規程》(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小于6.6m、5.5m；跨越儲氨區內道路時，路面以上的凈空高度不應小于4.5m；跨越人行道時，道面以上的凈空高度不應小于2.5m；上文得出某發電廠氨區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。經對比數據，并考慮到管道內部壓力越大、規格越大，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、人行道的設置距離，補充氨氣運輸管道外層設置保溫、防護層的規定，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、構筑物防火間距的規定。

3.2 消防設施設置

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

4 結語

根據《建筑設計防火規范》(GB50016—2014)、《石油化工企業設計防火規范》(GB50160—2008)、《火力發電廠煙氣脫硝設計技術規程》(報批稿)、《水噴霧滅火系統設計規范》(GB50219—95)等技術標準，結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計分析，提出相關建議：增加氨氣管道與車行道、人行道的設置距離；補充氨氣運輸管道與周圍建(構)筑物防火間距、設置可燃氣體濃度監測報警、水噴霧系統的響應時間的要求規定。同時，建議在氨區不同工段配備防毒面具、空氣呼吸器及相關應急救援設備，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變能力和事故處理能力，做出及時準確的響應。

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

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

[3] 中華人民共和國建設部.火力發電廠與變電站設計防火規范:GB50229—2006[S].北京:中國計劃出版社,2007.

[4] 中華人民共和國公安部.建筑設計防火規范: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建設部.石油化工企業設計防火規范:GB50160—2008[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[6] 中華人民共和國公安部.水噴霧滅火系統設計規范: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.火力發電廠煙氣脫硝設計技術規程(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爆炸危險性分析[J].中國安全生產科學技術,2014,10(8):150-155.

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

[10] 傅智敏.工業企業防火[M].北京:中國人民公安大學出版社,2008.

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

(責任編輯 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，內蒙古呼和浩特人，高級工程師； 戴琪(1990— )，女，內蒙古烏蘭浩特人，碩士。

TU998.1

A

1008-2077(2017)08-0048-03