氯氣透平壓縮機安全風險分析與防范

李 潔 ，曹 穎 ，楊東棹 ，孟 昊 ，李 如 ，徐銘澤

（1.中海油天津化工研究設計院有限公司，天津300131；2.中國海洋石油集團有限公司）

氯氣輸送是氯堿生產工藝的工序之一，其輸送設備經歷了從小型納氏泵到大型透平壓縮機的演變過程，相對于小型納氏泵，氯氣透平壓縮機具有輸出壓力高、壓縮比大、運轉周期長、易于實現自動化和大型化的優點［1-2］。隨著中國氯堿行業的快速發展和生產規模的不斷擴大，氯氣透平壓縮機已被廣泛應用在國內的氯堿行業中，屬于氯堿行業的核心設備之一，其運行狀態直接影響氯堿系統的安全平穩性。但是由于其屬于帶電和承壓設備、動部件多、運行負荷變化大、氣體流速大、零部件摩擦損失大、運行中涉及劇毒物質等特點，也容易發生各類生產安全事故，尤其是因氯氣泄漏造成人員中毒事故，事故后果極為嚴重。筆者對氯氣透平壓縮機運行過程中的安全風險進行了定性和定量分析，并提出了安全對策措施，以期為氯堿企業提供借鑒和參考。

1 氯氣透平壓縮機工作原理

氯氣透平壓縮機是一種多級離心式壓縮機，主要由進氣管、葉輪、擴壓器、蝸室等組成，其工作原理是借助于葉輪的高速旋轉所產生的離心力對氯氣做功，把葉輪旋轉的機械能轉化為動能，增大氣體流速，氣體在流經擴壓器和蝸殼時速度降低，氣體的動能轉化為靜壓能，增大氯氣壓力，經過壓縮的氣體再經彎道和回流器進入下一級葉輪，進一步壓縮增壓，以滿足工藝要求［3］。

2 系統安全分析方法

系統安全分析方法即應用系統安全工程評價的方法對系統或工程進行風險分析。本文采用系統安全分析方法之一——定量風險評價法（QRA）對氯氣透平壓縮機運行過程中的安全風險進行分析。

定量風險評價（QRA）目前已廣泛應用于運輸、建筑、能源、化工、航空、軍事等諸多領域，在安全規劃、安全評價及安全設施設計等方面應用尤為普遍。在安全評價領域，定量風險評價即通過對系統或設備的事故概率和事故后果的嚴重程度進行量化分析，進而精確描述系統的風險，并將量化的風險指標與可接受標準進行對比，提出降低風險的措施［4-5］。

近年來，國內外許多相關組織開發了定量風險評價軟件，通過對歷史數據的統計及內嵌的數學模型模塊，可方便快捷地對事故后果及概率進行分析［5］。本文選用中國安全生產科學研究院開發的《CASST-QRA重大危險源區域定量風險評價軟件V2.0》（以下簡稱“CASST-QRA”軟件）對氯氣透平壓縮機因氯氣泄漏引發的人員中毒事故進行定量分析。

3 氯氣透平壓縮機安全風險分析

3.1 物質危險性分析

氯氣透平壓縮機中涉及的主要化學品為氯氣，根據 《國家安全監管總局辦公廳關于印發危險化學品目錄（2015版）實施指南（試行）的通知》（安監總廳管三［2015］80 號）［6］，氯氣屬于危險化學品和劇毒品，其主要危險性見表1。

表1 物料主要危險性

3.2 氯氣透平壓縮機可能發生的生產安全事故類型分析

本文采用《企業職工傷亡事故分類標準》（GB 6441—1986）對氯氣透平壓縮機運行過程中可能發生的生產安全事故進行分類，具體內容如下。

1）機械傷害。氯氣透平壓縮機防護設施缺陷，人體不慎接觸壓縮機運轉部件外露部分，可能發生機械傷害事故。

2）觸電。電氣設備無保護接零、接地措施或失效，沒按規定安裝漏電保護器或失靈、線路絕緣損壞、誤操作等可能發生觸電事故。

3）物理爆炸。選材不合理，設計、制造缺陷，使用過程超壓，壓力表、安全閥等附件失靈，導致承壓設備超壓，可能發生物理爆炸事故。

4）噪聲。壓縮機屬于高噪聲設備，若不采取消聲、吸聲、隔聲措施，作業人員長期接觸高噪聲，可造成噪聲性耳聾。

5）中毒。因磨損、腐蝕、喘振、超壓、設計制造缺陷等原因導致氯氣透平壓縮機泄漏，進而造成人員中毒事故。

通過以上分析內容可以看出，在氯氣透平壓縮機運行過程中，可能存在的事故類型有機械傷害、觸電、物理爆炸、噪聲和中毒，其中機械傷害、觸電、物理爆炸、噪聲一般影響范圍較小，僅對作業人員個體造成傷害，而氯氣泄漏引發中毒事故的后果預期將非常嚴重，本文將采用定量風險評價法（QRA）對該類事故的風險進行定量分析。

3.3 定量風險評價（QRA）

1）事故后果模式分析［7］

氯氣發生泄漏后將在大氣中進行擴散，形成氣體云團，由于氯氣具有很強的毒性，將造成一定濃度氣體云團范圍內的人員中毒。

若泄漏方式為連續泄漏，泄漏速率為Q（kg/s）時，則空間某一點在t時刻的氯氣濃度由下式得出:

式中:x為下風方向至泄漏點的距離，m；y，z為側風方向、垂直向上方向離泄漏點的距離，m；u為風速，m/s；σy、σz分別為y、z方向的擴散參數；t為擴散時間，s。

對于擴散參數σy和σz，這里引用TNO（荷蘭應用科學研究組織）有關的公式:

擴散參數a、b、c、d與大氣穩定條件見表2。

表2 擴散參數與大氣穩定條件

根據上述兩個大氣擴散公式，結合氯氣的毒性特性，即可算出氯氣泄漏后造成的毒害區域。本文采用CASST-QRA軟件，以某企業年產60萬t離子膜燒堿裝置為例，對氯氣透平壓縮機因氯氣泄漏引發的中毒事故進行定量風險評價，該軟件已內嵌上述毒性物質擴散計算模型。

2）設備簡介

某企業年產60萬t離子膜燒堿裝置氯氣透平壓縮機設計參數見表3。

表3 氯氣透平壓縮機設計參數

3）泄漏擴散事故情景模擬

①危險有害物質的選取。氯氣透平壓縮機設計的主要化學品是氯氣，因此，選取氯氣為危險有害物質進行模擬計算與評價。

②泄漏源、泄漏方式及泄漏事故規模的選取。泄漏源:氯氣透平壓縮機。泄漏方式:假定氯氣透平壓縮機正在正常平穩運行，設備內充滿物料，發生連續性氯氣泄漏。泄漏事故規模:在氯氣透平壓縮機工作壓力確定的情況下，泄漏事故規模取決于泄漏孔徑的大小，具體內容見表4。

表4 氯氣透平壓縮機典型泄漏事故情景選取

③泄漏持續時間的選取。實際生產過程中，由于采取相關自動控制措施，加之作業現場有人員巡視，泄漏持續時間一般不超過10 min。CASST-QRA軟件包按持續泄漏10 min考慮泄漏量。

④模擬氣象條件。對氣體擴散起主要作用的氣象條件包括:風速、風向、大氣穩定度、混合層高度、氣溫等。根據本工程所在區域的自然條件，模擬計算選擇正常的氣象條件，主要氣象環境參數選取見表5。

表5 氣體擴散環境參數選取

4）模擬計算結果

利用CASST-QRA軟件包內嵌計算模型，在泄漏事故模擬情景下，模擬計算結果見表6。

表6 定量風險評價結果統計

5）模擬計算結果分析

本文應用CASST-QRA軟件對某企業年產60萬t離子膜燒堿裝置氯氣透平壓縮機開展了定量風險評價工作，得出主要結論如下:

①氯氣透平壓縮機因泄漏引發人員中毒事故危害相當嚴重，由表6模擬分析結果可知，當氯氣透平壓縮機因大孔泄漏（100 mm）引發人員中毒事故時，死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑分別達到84、136、202 m，不僅覆蓋了燒堿裝置區，還影響到了該企業周邊裝置區，可能造成大規模人員傷亡。

②氯氣透平壓縮機因大孔泄漏引發人員中毒屬于極端不利事故，發生概率較低，根據CASST-QRA軟件提供的數據，泄漏基礎概率為10-4量級，但是不排除因磨損、腐蝕等原因造成氯氣透平壓縮機泄漏的情況，應當引起企業的高度重視。

4 安全風險防范措施

通過對氯氣透平壓縮機運行過程進行安全風險分析，筆者提出如下防范措施，供企業參考和借鑒［8-10］:

1）氯氣透平壓縮機工藝配管應設置防喘振回路，防喘振工況指標（壓力、流量）應輸入聯鎖信號。2）在采用氯氣透平壓縮機場合，電解系統氯氣總管應設置氯氣負壓密封槽（負壓安全水封），在非正常狀態下，可自動吸入空氣，防止產生大的負壓。3）氯氣透平壓縮機設置循環水在線分析，及時發現設備泄漏造成的氯氣泄漏事故。4）確保潤滑油冷卻系統的能力和有效性，并對潤滑油品質進行定期檢測，一旦發現油質異常，應立即停機更換。5）嚴格控制氯氣的含水量指標，配備在線氯氣含水檢測儀，并定期對檢測儀進行校檢。6）嚴格控制密封氣品質，特別是含水量指標；保證密封氣壓力。7）及時檢修和更換主機各軸承，防止軸瓦間隙過大引起各密封損壞。8）完善氯氣透平壓縮機各級氯入口、出口的流量和壓力監控報警及切斷措施。9）設置事故氯氣吸收處理設施；涉氯氣現場應配備應急搶修器材和應急防護設備。10）氯氣透平壓縮機區域應按照《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》（GB 50493—2009）的要求設置氯氣有毒氣體檢測報警器。11）氯氣透平壓縮機外露的運轉部分和有危及人身安全的部位，均應設防護罩。12）氯氣透平壓縮機應裝設短路保護、接地故障保護、過載保護、斷相保護、低電壓保護等安全設施。13）氯氣透平壓縮機應采用雙電源或雙回路供電方式。14）建立健全崗位安全技術操作規程以及安全管理制度；加強對從業人員的安全教育。