燃氣導熱油鍋爐房的設計探討

楊文平,許景寒

(1.湖北省化學工業研究設計院,湖北 武漢 430073;2.湖北省緣達化工工程有限公司,湖北 武漢 430073)

在化工項目中,經常有溫度超過200 ℃的生產過程需要用導熱油來加熱,而作為配套提供加熱導熱油的設施就是導熱油鍋爐房。燃氣導熱油爐作為化工項目中最常見的類型,在設計過程中經常需要向總圖、建筑、電氣等專業提工藝條件,對于導熱油鍋爐房的火災危險性類別判定、是否屬于明火地點、爆炸危險區域劃分這幾個問題一直存在爭議,也影響著導熱油鍋爐房的準確設計,本文就這三個方面的問題進行探討并對導熱油鍋爐房的安全設計要點進行了總結,為類似的工程設計提供參考。

1 導熱油鍋爐房的火災危險性類別的判定

由《建筑設計防火規范》GB 50016—2014(2018版)第3.1.1可知:生產的火災危險性應根據生產中使用或產生的物質及其數量等因素劃分[1]。因此在討論導熱油鍋爐房火災危險性之前有必要先對導熱油的性質進行了解,某企業導熱油的性質一覽表如表1。

表1 某企業導熱油性質一覽表

由表1可知導熱油是丙類可燃液體。另外根據《有機熱載體》GB 23971-2009可知導熱油是可燃介質,火災類別為丙類,目前行業內對于導熱油為可燃液體這一點并無爭議,但是在設計過程中關于導熱油鍋爐房的火災危險性類別的劃分存在乙類、丙類及丁類這三種觀點。

1.1 丁類火災危險性的劃分依據

有觀點認為導熱油鍋爐房火災類別是丁類,其主要是依據《建筑設計防火規范》GB 50016—2014(2018版)。在GB 50016條文解釋表一中明確列舉了鍋爐房屬于丁類,該規范沒有說明是何種鍋爐,因此目前設計上很多采用此條文進行設計。

根據《鍋爐房設計標準》GB 50041—2020第15.1.1條中對鍋爐房的火災危險性按照不同功能間進行了分類,其中鍋爐間為丁類,油箱間等屬于丙類,調壓間屬于甲類[2]。對于燃氣鍋爐房,不存在用作燃料的儲油間,調壓間只是用于燃氣調壓,燃氣只存在于管道中并不儲存,因此按照建規GB 50016第3.1.2條規定,由于燃氣量較少整個鍋爐房建筑的火災危險性依舊可以按照危險性低的鍋爐間劃分為丁類。但是該規范主要適用于蒸汽鍋爐和熱水鍋爐,不適用導熱油鍋爐房的設計。

導熱油鍋爐明顯不同于蒸汽鍋爐,前者熱媒為導熱油,后者熱媒為水蒸汽,即使均采用天然氣作為燃料,導熱油鍋爐房設計過程中通常還有導熱油低位槽、注油泵、導熱油循環泵、導熱油膨脹槽等丙類設備,顯然將導熱油鍋爐房整體定為丁類是不恰當的。

也有觀點認為根據《導熱油供熱站設計規范》SY/T 7405—2018第13.1.1條導熱油鍋爐房屬于丁類,根據第13.1.1條:日用油箱間(燃料油)屬于丙類生產廠房;燃氣調壓間屬于甲類生產廠房;爐前操作間屬于丁類生產廠房[3]。這與GB 50041的規定相同,從該規范可以看出,爐前操作間火災危險性類別劃分未考慮導熱油火災危險性的影響,但是規范并沒有說整個導熱油鍋爐房屬于丁類,并且化工項目中低位油槽與高位油槽等設備所占鍋爐房建筑面積小于5%的情況幾乎不存在,利用爐前操作間的火災危險性類別決定整個鍋爐房的火災危險性顯然值得商榷。

現行規范沒有明確說明導熱油鍋爐房整體屬于丁類,因此建議設計過程中仍需要考慮導熱油的火災危險性的影響。

1.2 丙類火災危險性的劃分依據

還有觀點認為導熱油爐房火災危險性類別是丙類,其主要依據是《建筑設計防火規范》GB 50016—2014(2018版),由于導熱油屬于可燃液體,閃點大于60 ℃,其火災危險性為丙類。導熱油本身是用作加熱的媒介,不作為燃料,按照建規GB 50016第3.1.1條鍋爐房火災危險性應為丙類。

1.3 乙類火災危險性的劃分依據

也有觀點認為導熱油爐房火災危險性類別是乙類,其主要依據是很多時候導熱油爐的工作溫度達到300 ℃,此種情況下,導熱油的工作溫度多是超過閃點。按照《石油化工企業設計防火標準》GB 50160—2008(2018版)中的規定,超過閃點的丙B類液體火災危險性應視為乙B類[4],通常在導熱油鍋爐房中鍋爐間的面積占比是最大的,按照建規的規定,導熱油爐的火災危險性類別應為乙類。

綜上,導熱油鍋爐房的火災危險性存在丙類和乙類的情況,不建議劃分為丁類。具體的火災類別劃分應該以導熱油爐的工況和采用的設計標準確定。

2 導熱油鍋爐是否屬于明火點的判定

對于鍋爐房中導熱油爐是否屬于明火地點一直有較大的爭議,因為一旦定為明火地點,其與其他建構筑物尤其是甲乙類建構筑物的防火間距要按明火地點考慮,GB 50016甲類廠房、乙類廠房與明火點的間距均為30 m,而非明火地點與甲乙類廠房的防火間距僅為12 m,顯然是否為明火地點對防火間距的要求影響較大,因此導熱油爐是否屬于明火點的討論很有必要。

根據規范GB 50016,明火地點指室內外有外漏火焰或赤熱表面的固定地點。不少設備制造廠家及項目建設方認為導熱油爐現在的制造水平已經相當高了,其燃燒均可以控制在燃燒室內進行,燃燒室為密閉構造,不存在外漏火焰,另外設備、管路均有良好的保溫也不存在熾熱表面,因此導熱油爐可以不作為明火地點。

但是石化規GB 50160除了明火地點之外還有明火設備的概念,明火設備是指燃燒室與大氣連通,非正常情況下有火焰外露的加熱設備和廢氣焚燒設備。一般的燃氣導熱油爐均是由鼓風機將大氣中空氣送入燃燒室與燃氣混合,顯然燃燒室可以認為是與大氣相通的,因此導熱油鍋爐可以認定為明火設備。

在筆者接觸的安全評價單位還有設計單位中都是將導熱油爐作為明火設備,其與周邊的間距按明火地點考慮。為了項目順利通過各項審查程序,建議鍋爐房按照明火地點進行設計。

3 導熱油鍋爐房鍋爐間是否劃為爆炸危險區域的判定

目前存在觀點認為,導熱油火災危險性類別是丙B類,操作溫度超過閃點按照GB 50160第3.0.2條,其火災危險性類別應視為乙B類,按照《爆炸危險性環境電力裝置設計規范》GB 50058—2014第3.1.1條其可以不劃為爆炸危險區域,因此導熱油鍋爐房除了調壓間其余區域均不應劃為爆炸危險區域。

筆者認為此觀點存在兩方面的問題:一方面在化工項目設計中,并不是所有的項目總平面布置設計都執行GB 50160,如項目設計過程中本身不執行此規范,仍將超過閃點的導熱油按照此條劃分火災危險性顯然是不妥的;另一方面,依據GB 50058第3.3.1條第4款規定:當可燃液體閃點≥60 ℃時,在物料操作溫度高于可燃液體閃點的情況下,可燃液體可能泄漏時,其爆炸危險區域的范圍宜適當縮小,但不宜小于4.5 m[5]。一個建筑物的火災危險性與爆炸危險區域劃分沒有必然聯系,例如有些甲、乙類場所如可燃物質可能出現的最高濃度不超過爆炸下限的10%時可不劃為爆炸危險區域,還有些丁、戊類建筑中有少量易燃易爆甲、乙類物質的場所需要劃分爆炸危險區域,因此,筆者認為對于鍋爐房要根據實際情況來確定是否劃分爆炸危險區域。

還有觀點認為導熱油鍋爐屬于明火設備,按照GB 50058第3.2.2條第三款規定,導熱油鍋爐附近可以不劃為爆炸危險區域?，F行規范對于“明火設備附近”沒有明確的數值,唯一給出這個數值的規范就是《石油化工企業生產裝置電力設計技術規范》SH/T 3038—2000第4.2.6條提到明火的設備周圍1.5 m,但在后來更新的SH/T 3038—2017中刪除了1.5 m的距離要求[6],更新后的內容與GB 50058第3.2.2條一致。這個修改可能是由于明火設備類型太多、設備制造水平差異也較大,因此規范未將此距離作具體規定。雖然規范未明確具體數值,但是這個數值顯然不可能太大。

因此,在導熱油工作溫度超過其閃點的情況下,建議導熱油鍋爐房的鍋爐間離鍋爐本體1.5 m以外的釋放源場所應該劃為爆炸危險區域,其爆炸危險區域范圍可以按照4.5 m半徑進行設計。

對于工作溫度小于等于導熱油閃點的情況,導熱油鍋爐房的鍋爐間可以不劃為爆炸危險區域。

4 燃氣導熱油鍋爐房的安全設計要點

4.1 總圖

燃氣導熱油鍋爐房應布置在靠近熱負荷比較集中的區域,這樣能夠使導熱油供熱管道盡可能短,經濟上更合理,供整個廠區使用的燃氣導熱油爐房應獨立布置[7],并布置在爆炸危險區域以外。由于導熱油爐屬于明火設備,布置在可能散發可燃氣體的場所和設施的全年最小頻率風向的下風側[4],與周圍建構物的防火間距除了考慮火災類別的因素外,還應考慮明火的因素。如采用GB 50160進行總平設計,供全廠使用的導熱油爐房還應按全廠二類重要設施考慮。

4.2 工藝及管道

燃氣導熱油鍋爐典型工藝流程如圖1。導熱油系統應設置膨脹槽,膨脹槽的設計壓力不低于0.2 MPa,安裝高度應高于導熱油使用系統最高點3.0 m左右,且應確保在位于設計允許的最低液位時導熱油循環泵不發生汽蝕,膨脹槽不得位于鍋爐的正上方。閉式膨脹罐應設置安全閥,安全閥起跳壓力可以設定為膨脹槽設計壓力的0.93倍。導熱油儲油罐的設計壓力不低于0.2 MPa,設置在單獨的儲油間內與鍋爐間采用防火隔墻分隔,導熱油管道穿墻部位應采用防火封堵。

導熱油系統應設置氮氣等惰性氣體置換和保護系統,氮氣的供氣壓力不低于0.3 MPa。與導熱油管道及設備直接連接的氮氣管道應設置止回閥和兩道切斷閥,止逆閥應該按照與導熱油管道同一壓力等級進行設計。

導熱油管道應選用無縫鋼管,管材性能不應低于《低中壓鍋爐用無縫鋼管》GB/T 3087—2022中的20#鋼,壓力等級不宜低于PN25。

導熱油管道的設計溫度不應低于導熱油最高工作溫度加上30 ℃之和。管道設計流速不應高于2 m/s。

導熱油鍋爐的進口管道應裝設一道切斷閥,并應在進口切斷閥和出口切斷閥之間裝設安全閥,安全閥的排出口宜接至儲油罐。

導熱油管道在布置時應考慮溫度引起的應力問題,設計時應按照規定進行應力分析,并采取相應的補償措施。

導熱油管道不應橫跨鍋爐上方,位于人員通道上方的管道不設置法蘭和閥門,凈高不低于2.2 m。

供工藝生產使用的導熱油管道應該按照《壓力管道規范工業管道》GB/T 20801—2020進行設計、安裝、報檢,其壓力管道類別應劃為GC2(鍋爐范圍內的管道除外)。

圖1 典型燃氣導熱油爐工藝流程圖

4.3 自控

導熱油燃燒器應設置點火程序控制和熄火保護裝置。導熱油系統應設置聯鎖保護裝置,當導熱油出現超溫、超壓、燃氣壓力過高、過低、循環泵故障等能夠自動報警,并聯鎖停止燃燒器。

燃氣調壓間、爐前燃燒器燃氣切斷閥組應設置可燃氣體濃度檢測報警器,并與燃氣供氣管道切斷閥、燃燒器和事故風機聯鎖,一旦發生泄漏,自動切斷閥門,停止燃燒器。

4.4 土建

燃氣導熱油鍋爐房的建筑耐火等級不應低于二級,安全疏散出口不宜少于兩個。鍋爐間、儲油間及輔助用房之間采用防火隔墻,隔墻上開設的門為甲級防火門。鍋爐房抗震設防類別為重點設防類。燃氣鍋爐房使用天燃氣,鍋爐房需計算泄壓面積(建筑面積10%)。采用輕鋼屋面泄壓,泄爆壓力≤50 kPa,質量不超過60 kg/m2。

4.5 電氣

導熱油鍋爐房的用電負荷等級應該按照不低于二級負荷進行設計。鍋爐房應設置應急照明。導熱油供熱站室外線路宜采用電纜直埋地敷設,室內線路采用電纜穿熱鍍錚焊接鋼管保護采用橋架架空敷設。有2區氣體的爆炸危險場所,防雷按第二類防雷要求設防。

4.6 暖通

導熱油鍋爐房的鍋爐間使用天然氣燃料,因可能會發生天然氣泄漏,有爆炸危險。鍋爐間和燃氣計量間設置機械通風,平時通風換氣次數為6次/h,事故通風換氣次數不小于12次/h。鍋爐房的風機均選防爆型,防爆等級同電氣一致。防爆風機及風管應設置導除靜電的接地措施。防爆風機的傳感器及執行器采用本質安全型。事故風機與室內設置的有毒或可燃氣體報警聯鎖控制。

4.7 消防

鍋爐房內應設置消火栓,室內消火栓栓口距地面或樓板面1.10 m。鍋爐房滅火器配置場所的危險等級為嚴重危險級,建筑的火災種類按B類考慮,應設置手提式或推車式磷酸銨鹽干粉滅火器。

5 結語

1)導熱油鍋爐房的火災危險性類別劃分與采用的設計標準及導熱油的工作溫度有關,設計過程中應根據實際情況來確定;導熱油鍋爐屬于明火設備,設計時需要按明火地點考慮;導熱油鍋爐間是否劃分爆炸危險區域應根據導熱油的工作溫度來確定。

2)高溫導熱油具有較大的危險性,且導熱油在運行過程中其熱穩定性會逐漸變差,閃點也會逐漸降低,因此導熱油鍋爐房的準確設計十分重要。只有在導熱油鍋爐房設計前對基礎資料和設計條件進行充分研究,在設計過程中嚴格按照安全設計要點進行設計, 才能夠從源頭預防和減少安全事故,有利于提升項目的本質安全水平。