冷卻水塔是否需要防爆設(shè)計(jì)的判斷

劉家慶 唐 濱

福陸（中國(guó)）工程建設(shè)有限公司 （上海 201210）

根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，冷卻水塔要進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，但由于規(guī)范僅為理論要求和設(shè)計(jì)者的參考，對(duì)于設(shè)計(jì)分析過(guò)程缺少具體的解析，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段容易盲從。本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目可燃物質(zhì)的分析，管殼式換熱器工藝泄漏量的計(jì)算，以及如何考慮泄漏的可燃物質(zhì)對(duì)冷卻塔的影響，對(duì)冷卻水塔是否需要進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)進(jìn)行分析說(shuō)明。

1 冷卻水塔防爆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求

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

冷卻水塔的結(jié)構(gòu)和原理：需冷卻的水在水塔頂部通過(guò)管道向下噴灑，水塔壁有吹風(fēng)機(jī)吹入空氣，頂部有一個(gè)很大的風(fēng)機(jī)，把空氣抽出塔頂，從而利于氣流流動(dòng)，加速水的降溫。冷卻塔的基本原理：干燥的空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)抽動(dòng)后，自進(jìn)風(fēng)網(wǎng)處進(jìn)入冷卻塔內(nèi)，當(dāng)水滴和空氣接觸時(shí)，二者直接傳熱使水的溫度降低；另外，水會(huì)發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象，其中的熱量通過(guò)蒸發(fā)潛熱的方式被帶走（即蒸發(fā)傳熱），從而達(dá)到降溫的目的。

工業(yè)用熱交換設(shè)備主要是換熱器。通常，生產(chǎn)和制冷工藝過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)管殼式換熱器工藝側(cè)壓力超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，有可能導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部泄漏，高壓側(cè)工藝物料將泄漏到低壓側(cè)的冷卻水系統(tǒng)，污染冷卻水系統(tǒng)。當(dāng)工藝物料泄漏量大時(shí)，有可能通過(guò)冷卻水回水系統(tǒng)輸送到冷卻水塔，且當(dāng)泄漏的工藝物料為易燃易爆危險(xiǎn)物質(zhì)時(shí)，冷卻水塔若沒(méi)有考慮適當(dāng)?shù)姆辣O(shè)計(jì)，易燃易爆物質(zhì)揮發(fā)并積聚在風(fēng)機(jī)或電氣儀表附近，有潛在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)GB 50058—2014 附錄B“爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域范圍典型示例圖”第12 項(xiàng)，對(duì)于處理生產(chǎn)裝置用冷卻水的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，當(dāng)劃分為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，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(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范API RP 505-2018《1類(lèi)、0 區(qū)、1 區(qū)和2 區(qū)石油設(shè)施電氣設(shè)備位置分類(lèi)的推薦實(shí)施規(guī)程》對(duì)于冷卻塔的防爆說(shuō)明和典型圖，與GB 50058—2014 基本一致，但是對(duì)于冷卻塔泵坑有進(jìn)一步的解釋?zhuān)蠢鋮s塔泵坑如果位于非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，則不需要?jiǎng)澐址辣瑓^(qū)域，因?yàn)槔鋮s塔泵不考慮為釋放源。

根據(jù)以上規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)者進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到工藝側(cè)有可燃物質(zhì)，會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的典型圖例將冷卻水塔直接劃分為爆炸危險(xiǎn)區(qū)，作為保守設(shè)計(jì)考慮。但是在實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行階段，由于可燃物質(zhì)的物性不同，換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，若沒(méi)有符合邏輯的分析說(shuō)明或者計(jì)算數(shù)據(jù)佐證，僅解釋為按照典型圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但會(huì)受到業(yè)主的質(zhì)疑，也會(huì)無(wú)形中增加項(xiàng)目成本，導(dǎo)致過(guò)度設(shè)計(jì)。

圖1 處理生產(chǎn)用冷卻水的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔防爆劃分示意圖

2 冷卻水塔防爆設(shè)計(jì)分析步驟

福陸（中國(guó)）工程建設(shè)有限公司的業(yè)主大部分為國(guó)外業(yè)主，且均為工程經(jīng)驗(yàn)深厚的大型化工生產(chǎn)企業(yè)，如巴斯夫、英威達(dá)等，在項(xiàng)目實(shí)際設(shè)計(jì)階段，首先會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)、國(guó)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及業(yè)主公司的企業(yè)項(xiàng)目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)。在對(duì)標(biāo)階段，會(huì)對(duì)規(guī)范中的具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行探討，其中在某化工項(xiàng)目中，對(duì)于冷卻水塔是否考慮為防爆設(shè)計(jì)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有不同的解釋和要求，表現(xiàn)在：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有具體解釋何種情況下冷卻水塔可以規(guī)避防爆設(shè)計(jì)，但是該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，有關(guān)于冷卻水塔是否考慮為防爆設(shè)計(jì)的具體分析步驟。

經(jīng)過(guò)探討和改進(jìn)，本文以某項(xiàng)目為列，詳細(xì)介紹項(xiàng)目中對(duì)于冷卻水塔是否進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)的具體分析步驟。

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

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

表1 換熱器一覽表

（2）換熱器泄漏量的計(jì)算

根據(jù)國(guó)內(nèi)外規(guī)范和大型化工企業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，換熱器管束破裂有可能導(dǎo)致超壓工況，無(wú)論換熱器兩側(cè)的設(shè)計(jì)壓力是否一樣，都有工藝物料泄漏到冷卻水側(cè)的潛在危險(xiǎn)。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(gè)管束破裂的通過(guò)量來(lái)計(jì)算。

根據(jù)該公司的企業(yè)項(xiàng)目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，所有管殼式換熱器的低壓側(cè)均設(shè)置安全泄放閥，然后進(jìn)行管道破裂工況泄放量計(jì)算。該項(xiàng)目考慮的是工藝物料泄漏到冷卻水側(cè)污染冷卻水系統(tǒng)，以及泄漏量是否會(huì)在冷卻塔風(fēng)機(jī)處形成爆炸性混合物，出于保守考慮，此泄漏量包括設(shè)置安全泄放閥的泄放量，即認(rèn)為所有泄漏到冷卻水側(cè)的工藝介質(zhì)都會(huì)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(xiàng)目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，換熱器管束破裂導(dǎo)致超壓工況，依據(jù)其以往事故經(jīng)驗(yàn)分析并進(jìn)行反算得出結(jié)論，可以考慮換熱管上5 mm 泄漏口徑用作超壓泄放的相關(guān)計(jì)算，計(jì)算口徑的選擇遵從圖2 所示邏輯樹(shù)。根據(jù)上述泄漏口徑分析原則，管殼式換熱器E2 可燃?xì)獾男孤┝烤? mm 口徑計(jì)算條件，最大為726.2 m3/h（見(jiàn)表2）。

（3）可燃物爆炸下限的計(jì)算

因?yàn)樵擁?xiàng)目工藝物流是由多種可燃物質(zhì)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(jìn)行計(jì)算。

圖2 換熱器管束破裂計(jì)算判斷邏輯樹(shù)

表2 換熱器泄漏量

式中：x 為混合可燃?xì)獾谋O限；P 為混合氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)，%；N為混合氣中各組分的爆炸極限，%。經(jīng)過(guò)計(jì)算，4 臺(tái)換熱器的易燃混合物的爆炸下限見(jiàn)表3。

表3 混合物爆炸下限

（4）冷卻水塔防爆設(shè)計(jì)核算

冷卻水塔屬于第二類(lèi)全廠(chǎng)性重要設(shè)施，應(yīng)布置在非爆炸危險(xiǎn)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(xiàng)目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)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(shè)計(jì)不受臨近危險(xiǎn)工藝裝置區(qū)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分的影響。

驗(yàn)證冷卻水塔是否需要防爆設(shè)計(jì)，除了需要計(jì)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(fēng)機(jī)的最小風(fēng)量

一般在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，供貨商的信息可能不夠完善，此時(shí)建議保守考慮冷卻水塔防爆設(shè)計(jì)，當(dāng)供貨商信息資料可以參考時(shí)，比較供貨商提供的冷卻水塔風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)量。項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段得到3 家供貨商的風(fēng)機(jī)風(fēng)速數(shù)據(jù)（見(jiàn)表4），為保守考慮，選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)速最低的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，即737 604 m3/h。

表4 冷卻水塔規(guī)格 m3/h

（2）易燃物質(zhì)的泄漏量

泄漏的易燃物質(zhì)經(jīng)過(guò)冷卻水塔風(fēng)機(jī)最小風(fēng)量的稀釋是否可以達(dá)到易燃物質(zhì)爆炸下限的10%（根據(jù)GB 50058—2014 第3.2.2 條－2，可燃物質(zhì)可能出現(xiàn)的最高濃度不超過(guò)爆炸下限值的10%，以防范局部可燃?xì)怏w的積聚風(fēng)險(xiǎn)），如若達(dá)到，則冷卻水塔進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。

在計(jì)算過(guò)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(shí)按照以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，原則上不考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上換熱器同時(shí)發(fā)生泄漏，否則設(shè)計(jì)過(guò)于保守。

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，管殼式換熱器E2 可燃?xì)獾男孤┝孔畲鬄?26.2 m3/h，冷卻水風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)速為737 604 m3/h。保守考慮，泄漏到冷卻水側(cè)的易燃混合物全部揮發(fā)，則易燃混合物的稀釋體積分?jǐn)?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?xì)怏w積聚可能，易燃混合物爆炸下限的10%為0.183%；經(jīng)過(guò)計(jì)算，易燃混合物的稀釋體積分?jǐn)?shù)不會(huì)達(dá)到易燃混合物爆炸下限的10%。因此，該項(xiàng)目冷卻水塔可以考慮為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)GB 50058—2014 的要求，冷卻水塔要進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，一般在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，供貨商的信息可能不夠完善，此時(shí)建議保守考慮冷卻水塔防爆設(shè)計(jì)，但希望設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不盲從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的典型示意圖。以某項(xiàng)目為列，詳細(xì)介紹了項(xiàng)目中對(duì)于冷卻水塔是否進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)的具體分析步驟，可以給業(yè)主和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一個(gè)直觀(guān)的參考，希望對(duì)設(shè)計(jì)人員有所幫助。