鍋爐爆炸能量及TNT當量在鍋爐安全評價中的應用

楊天義

(四川省誠實安全咨詢技術服務有限責任公司，四川 成都 610041)

鍋爐在運行過程中儲存著大量的能量，一旦約束、限制能量的措施失控，能量大量釋放發生鍋爐爆炸，可能造成重大人員傷亡事故及重大經濟損失。因此，應選用合理的評價方法對鍋爐進行定量評價，特別是一些企業如垃圾焚燒發電廠、火力發電廠、化工廠、水泥廠余熱電站等，鍋爐是其重要組成部分或重點部位，更應進行定量評價。

鍋爐安全評價方法有安全檢查表、事故樹分析法、故障類型及影響分析、鍋爐爆炸事故后果模擬分析方法等，定量評價主要選用鍋爐爆炸事故后果模擬分析方法，其基本思路是信息采集→爆炸能量計算→將爆炸能量換算成TNT當量→計算爆炸能量對人、建筑物的傷害半徑→根據計算結果提出針對性的安全對策措施，該方法主要用于安全現狀評價、安全驗收評價及專項安全評價。

1 信息采集

（1）收集鍋爐安裝、使用說明書、質量證明書、鍋爐圖樣等鍋爐技術資料，獲取鍋爐型號、規格、水容積、壓力、溫度等工藝參數，向企業咨詢鍋爐實際工況，并檢查鍋爐銘牌、現場儀表及自控系統等核實與技術資料、企業介紹情況的符合性。

（2）查閱資料獲取飽和水在大氣壓力下、系統運行壓力下的焓、熵值。

（3）收集鍋爐房及相關廠房的設計圖、竣工圖等工程技術檔案，獲取鍋爐房及相關廠房建筑結構、層數、高度、耐火等級、門窗類型及分布、泄壓設施、消防系統等，并現場檢查確認。

（4）結合收集的工程技術資料，現場檢查鍋爐房的平面布置及內部布置，測量鍋爐房與周邊建筑物的距離、鍋爐與鍋爐房墻體、門、窗的距離，查清值班室、中控室、人員集中場所、重要場所的人員分布情況，并測量其與鍋爐的距離。

2 鍋爐爆炸能量計算

本文以某廠SLC600-4.0/400型余熱鍋爐為例計算鍋爐爆炸能量及TNT當量。

2.1 余熱鍋爐參數

鍋筒內徑：Φ1400，筒身直段長13800mm，總長約為15800mm。

額定蒸發量：51.3t/h；

過熱蒸汽壓力：4.0MPa；

過熱蒸汽溫度：400℃；

鍋筒工作壓力：5.2MPa；

鍋筒水容積為：水壓時25m3，運行時10m3。

2.2 鍋爐爆炸能量

SLC600-4.0/400型余熱鍋爐鍋爐水主要存在于鍋筒、水冷壁、過熱器、省煤器及連接管等部位，計算鍋爐爆炸能量時主要選擇鍋筒為計算對象。

鍋爐爆炸能量分為兩部分：水蒸汽的爆炸能量和高溫飽和水在容器破裂時釋放出的能量。

（1）水蒸汽的爆破能量

水蒸汽的爆破能量：

公式中符號含義及取值說明：

Eg：氣體的爆破能量(kJ)；

P：容器內的絕對壓力(MPa)，P=大氣壓+表壓（過熱蒸汽壓力）=4.1MPa；

V：水蒸汽的容積(m3)，V=鍋筒容積-水容積。鍋筒容積由鍋筒內徑、長度計算得到(約24m3)，也可檢查鍋筒銘牌取得；鍋筒水容積按鍋爐參數取值(運行時10m3)，因此，水蒸汽容積約14m3。在無鍋筒容積及水容積的情況下可按照汽水容積比為5:3進行計算；

k：氣體的絕熱指數，即氣體的定壓熱與定容之比，查閱資料得k=1.135。

經計算，水蒸汽爆炸能量Eg=151396kJ。

（2）高溫飽和水在容器破裂時釋放出的爆破能量

E=[(H1-H2)-(S1-S2)T1]W

公式中符號含義及取值說明：

E：過熱狀態液體的爆破能量(kJ)；

H1：爆炸前飽和液體的焓，按照過熱蒸汽壓力4.0MPa，查閱資料H1=1087.2kJ/kg；

H2：在大氣壓力下飽和液體的焓，查閱資料H2=416.51kJ/kg；

S1：爆炸前飽和液體的熵，按照過熱蒸汽壓力4.0MPa查閱資料，S1=2.7962kJ/(kg·K)；

S2：在大氣壓力下飽和液體的熵，查閱資料S2=1.30kJ/(kg·K)；

T1：介質在大氣壓力下的沸點，T1=373K；

W：飽和液體的質量，計算得W=10×103kg；

經計算，飽和水的爆炸能量為E=1126074kJ。

（3）余熱鍋爐爆炸能量

余熱鍋爐爆炸能量：

E=151396+1126074=1277470kJ。

3 爆炸能量的傷害、破壞作用

鍋爐爆炸時，大部分能量(約占總能量的85%～97%)是產生空氣沖擊波，而多數情況下沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的。沖擊波超壓對人、建筑物的傷害、破壞作用見表1、表2。

表1 沖擊波超壓對人體的傷害作用

表2 沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

計算沖擊波超壓的傷害、破壞作用，首先應將鍋爐爆炸能量E換算為TNT當量q，再用公式a=0.1q1/3求出爆炸的模擬比a，然后計算爆炸沖擊波超壓的傷害、破壞作用。在鍋爐安全評價時，主要有兩種計算方式：

一是根據現場測量的鍋爐與人、建筑物(門、窗、墻壁)的距離R，根據公式R0=R/a，計算1000kgTNT爆炸試驗中的相當距離R0，根據R0值查閱文獻1找出距離為R0處的超壓ΔP0(即為R處的超壓)，對照表1、表2找出對人員、建筑物的傷害、破壞作用。

二是根據表1、表2的超壓ΔP計算對人（建筑物）的傷害(破壞)半徑，預測可能受事故影響的人員、建筑物、周邊場所(設備)等。

下面以上述余熱鍋爐為例演示第二種計算方式，計算沖擊波超壓對人（建筑物）的傷害(破壞)半徑。

（1）鍋爐爆炸能量換算為TNT當量

因1kgTNT爆炸所放出的爆破能量為4230～4836kJ/kg，取平均爆破能量為4500kJ/kg，則余熱鍋爐爆炸能量換算成TNT當量為：q=1277470/4500=283.88kg。

（2）爆炸的模擬比a=0.1q1/3=0.66。

（3）沖擊波超壓對人(建筑物)的傷害(破壞)半徑計算示例。

由表1知：沖擊波超壓造成大部分人員死亡的超壓為ΔP＞0.10MPa，根據ΔP查閱文獻1并應用中間插值法得到基準炸藥量(1000kg的TNT)爆炸實驗中的相當距離R0＜22.3m，根據公式R0=R/a，得到傷害半徑R＜14.7m，即爆炸沖擊波可造成距爆源（鍋筒）14.7m范圍內的大部分人員死亡。

表3 鍋爐房受損情況及沖擊波傷害影響范圍

由表2知：沖擊波超壓造成防震鋼筋混凝土破壞的超壓為ΔP=0.10～0.20，根據ΔP查閱文獻1并應用中間插值法得到基準炸藥量(1000kg的TNT)爆炸實驗中的相當距離R0=16.9～22.3m，根據公式R0=R/a，得到傷害半徑R=11.2～14.7m，即爆炸沖擊波可造成距爆源（鍋筒）11.2～14.7m范圍內的防震鋼筋混凝土破壞。同理，用同樣的方法可以計算出沖擊波超壓對人員(建筑物)造成不同程度傷害(破壞)作用的傷害(破壞)半徑。

（4）預測可能受事故影響的人員、建筑物、周邊場所(設備)。在安全評價時應根據傷害半徑計算結果，結合信息采集的情況，綜合預測、判斷可能受到事故影響的人員、建筑物、周邊場所(設備)。通常來講，一般會出現表3所列的幾種情況。

說明：圖中虛線(圓形)表示傷害半徑，表示鍋爐能量釋放源。

4 對策措施

鍋爐安全評價時，應根據傷害作用及傷害半徑的計算結果提出針對性的對策措施，主要從平面布局、建筑結構、鍋爐安全管理等方面進行考慮。

圖1

圖2

圖3

圖4

（1）鍋爐房應合理選址，布置在廠區邊緣地帶，同時應考慮地勢、風向的影響。鍋爐房與周邊建筑物的防火間距應滿足規范要求，人員密集場所和重要部門不應設置在上一層、下一層、貼鄰，應盡量布置在鍋爐房傷害半徑之外。

（2）鍋爐房應采用抗爆墻體，并設置泄壓面積滿足要求的泄壓設施，將爆炸能量影響范圍限制在鍋爐房內，通過泄壓口向外釋放能量。泄壓設施可采用輕型屋頂、輕質墻體、泄壓窗等，泄壓方向應避開人員集中場所和主要道路，盡量設置在靠近容易發生爆炸的部位。

（3）鍋爐房墻體上應盡量少開設門、窗洞口，開設的門、窗洞口不應朝向人員集中場所(如控制室)、人員經常通行的道路、走廊及重要場所(如高低壓配電室)等，當建筑物及房間與鍋爐房相鄰時，相鄰墻體上應不開設門、窗洞口。

（4）鍋爐應進行經常性維護保養和定期檢查，壓力表、安全閥等安全附件、安全保護裝置應進行定期校驗、檢修，確保齊全、有效，并建立鍋爐安全技術檔案。

（5）加強鍋爐安全管理，制定鍋爐安全管理制度、安全操作規程，鍋爐操作人員應持證上崗，嚴格按操作規程作業，杜絕“三違”。

（6）制定鍋爐事故應急救援預案，成立應急救援組織，配備應急救援物資，定期組織演練。

5 結語

在進行鍋爐安全評價時，通過計算鍋爐爆炸能量及TNT當量，確定鍋爐的傷害半徑，可以用于預測鍋爐發生爆炸事故時可能受到傷害的人或建筑物，該評價方法作為預防、預測事故的重要手段，可使鍋爐風險控制在可接受范圍內。

[1]國家安全生產監督管理總局[M].安全評價:3版.北京：煤炭工業出版社，2005.

[2]姜湘山.燃油燃氣鍋爐及鍋爐房設計[M].北京：機械工業出版社，2003,4.

[3]程華瑞,栗繼祖.運用TNT當量法及事故樹法在分析鍋爐爆炸的危害[J].太原理工大學學報,2013,44(3).

[4]宋文華,苗欣,王世英,王家樂.鍋爐的定性定量安全評價方法研究[J].安全,2007，(9).