电厂脱硝氨区运输管道泄漏危险与消防安全设计分析

胡宜磊，戴 琪

(兴安盟消防支队，内蒙古 兴安盟 137423)

电厂脱硝氨区运输管道泄漏危险与消防安全设计分析

胡宜磊，戴 琪

(兴安盟消防支队，内蒙古 兴安盟 137423)

减少氮氧化物(NOx)排放量，是当前环境部门乃至全社会最重要的工作之一，我国各电力集团、发电公司对已建机组逐步进行脱硝改造，新建火电机组同步建设脱硝装置。火电厂脱硝氨区装置工艺中的氨气运输管道工序，因泄漏方式和外部环境不同，会产生不同形式的火灾、爆炸和中毒。以某火力发电厂氨区为例，从氨气运输管道发生泄漏事故后，氨气的泄漏量、爆炸能量、爆炸伤害半径、毒害区域等方面进行探讨，建立氨气运输管道爆炸事故后果及危害模型，分析电厂氨区氨气运输管道的消防安全设计，力求为解决此类工程消防安全问题提供借鉴。

氨气运输管道；火灾危险性；消防设计

随着我国环保政策要求的不断提高，氮氧化物(NOx)作为大气的主要污染源，减少其排放量，是当前环境部门乃至全社会最重要的工作之一[1]。我国各电力集团、发电公司积极响应国家政策，将脱硝纳入电力建设总体规划，对已建机组逐步进行脱硝改造，新建火电机组同步建设脱硝装置。目前，选择性催化还原(SCR)法是国内大型燃烧设备首选烟气脱硝技术，而SCR法通常以氨为还原剂[2]。

火电厂脱硝氨区装置主要工艺包括液氨卸车、液氨储罐、液氨气化及氨气运输，工艺流程简图如图1。储罐内的液氨进入液氨蒸发器，通过加热蒸发的方式将其转化为氨气，氨气靠压力通过管道送入脱硝工段。氨气运输管道因泄漏方式和外部环境不同，会产生不同形式的火灾、爆炸和中毒。

图1 脱硝氨区装置工艺

现行的《火力发电厂与变电站设计防火规范》(GB 50229—2006)[3]对氨气运输管道的消防安全设计没有相应要求，现行的《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)[4]、《石油化工企业设计防火规范》(GB 50160—2008)[5]、《水喷雾灭火系统设计规范》(GB 50219—95)[6]等均无系统性要求，《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》(报批稿)[7]亦未对此有完整的设计规定。为了确保电厂脱硝项目的消防安全，急需研究完善、细化设计标准。

1 氨气运输管道泄漏事故特点

氨气分子式为NH3，相对分子质量17.031，无色有刺激性恶臭，极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨。氨气的密度为0.771 g·L-1，爆炸极限为15.7%～27.4%(最易引燃浓度17%)，引燃温度为651 ℃，属于乙类可燃气体。

1.1 火灾爆炸

因氨气运输管道连接点、边沿、阀门、焊点形成泄漏[8]，当管道破裂时，管道内氨气由破裂前的压力降至大气压，历经时间很短，会发生压缩气体介质压力管道爆炸。

1.2 中毒

氨为无色气体，具有强烈的刺激性，吸入高浓度氨可引起反射性呼吸停止。氨吸入人体，轻度中毒者出现流泪、咳嗽，眼结膜、鼻黏膜、咽部充血、水肿；中度中毒会出现呼吸困难、紫绀，有肺炎迹象；重度中毒可发生肺水肿，或有呼吸困难等症状。氨气从管道内泄漏出来后，由于压力变化，氨气顺风扩散，使人和其他动物呼吸困难，致人死亡[9]。液氨还能致皮肤灼伤。

因此，本文选择某发电厂氨区氨气运输管道(地上敷设)的相关设计数据为主要研究参数，以上述压力管道爆炸及气体毒害性为基础，计算研究事故后果与伤害范围，进行消防安全设计分析。

2 氨气运输管道爆炸事故后果及危害模型构建

2.1 氨气泄漏量

式中，Qc为气体泄漏速度，kg·s-1；Cd为气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1，三角形时取0.95，长方形时取0.9，经与此发电厂技术人员沟通，出现不规则三角形裂口几率较大，本文拟定取0.95；A为裂口面积，m2，经与此发电厂技术人员沟通，此前管道密闭性试验中，发现过较小裂口，约为0.05 m2，本文取0.05 m2；P为容器内介质的压力，Pa；M为气体摩尔质量，氨气为1.7×10-2kg·mol-1；R为气体常数，8.314 5 J·mol-1·K-1；T为气体温度，取40 ℃(313 K)；κ为气体绝热指数。

经计算可得，Qc为72.675 kg·s-1。

2.2 压力管道爆炸能量

2.2.1 压缩气体爆炸能量

爆炸属于瞬间降压过程，不论管道内介质的温度与周围环境存在多大温差，都可以认为管道内的气体与环境无热量交换，即此时气体介质的膨胀是一个绝热过程。气体爆炸能量可按理想气体绝热膨胀时所释放的能量来计算[10]。在管道介质压力为0.9 MPa，温度为40 ℃的工况下，直径为108 mm的氨气管道爆炸能量可按式(2)计算：

式中，Eg为气体介质压力容器的爆炸能量，kJ；P为爆炸前气体的绝热压力，MPa；V为压力容器的容积，取0.009 2 m3；κ为气体绝热指数。

经计算可得，Eg为11 kJ。

2.2.2 二次爆炸

假设20%参与爆炸，则二次爆炸能量按式(3)计算：

式中，E为二次爆炸产生能量，kJ；V1为参与反应的可燃气体，m3；Hc为气体燃烧高热值，kJ·m-3，氨气取17 250 kJ·m-3。

计算可得E=310.5 kJ，该氨气管道的爆炸总能量Ez=Eg+E=11+310.5=321.5 kJ。

2.3 压力管道爆炸伤害半径

TNO根据真实气体蒸气云爆炸实验数据，提出了计算蒸气云爆炸冲击波损害半径的经验公式[10]：

式中，R为冲击波损害半径，m；C为经验常数，取值0.03～0.4；N为效率因子，与可燃蒸气云持续扩散所造成的浓度下降和燃烧效率有关，可近似取10%；E为可燃蒸气云爆炸能量，kJ。

伤害等级1级(即建筑物、设备破坏严重，1%人员伤亡、人员肺部伤害、50%以上人员耳膜破裂、50%以上的人员被碎片击伤)，R1=0.03×(0.1×310.5×1000)1/3=0.91 m；伤害等级2级(即建筑物外部可修复性破坏，1%人员耳膜破裂、1%人员被碎片击伤)，R2=0.06×(0.1×310.5×1000)1/3=1.82 m；伤害等级3级(即玻璃破碎，人员被碎玻璃击伤)，R3=0.15×(0.1×310.5×1000)1/3=4.55 m；伤害等级4级(即10%玻璃破碎)，R4=0.4×(0.1×310.5×1000)1/3=12.15 m。

2.4 毒害区域

氨气在空气中的浓度达到0.5%时，人吸入5～10 min即可死亡，则0.09 m3(V1)的氨气可以产生致死的有毒空气体积为：Vk=V1×100/0.5=0.09×100/0.5=19 m3。

假设有毒空气以半球形向地面扩散[10]，则求出该有毒气体扩散半径为:

3 消防安全设计分析

3.1 管道布置位置

《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》(报批稿)[7]第3.5.3.3条，氨气管道跨越电气化、非电气化铁路时，轨面以上净空高度分别不应小于6.6m、5.5m；跨越储氨区内道路时，路面以上的净空高度不应小于4.5m；跨越人行道时，道面以上的净空高度不应小于2.5m；上文得出某发电厂氨区氨气运输管道泄漏爆炸后的伤害半径分别为0.91m、1.82m、4.55m、12.15m，氨气致人死亡扩散半径2.09m。经对比数据，并考虑到管道内部压力越大、规格越大，伤害半径及氨气致人死亡扩散半径也越大[11]，建议增大氨气管道与车行道、人行道的设置距离，补充氨气运输管道外层设置保温、防护层的规定，并对保温、防护层的材料选择及厚度进行要求；补充氨气运输管道与周围建筑物、构筑物防火间距的规定。

3.2 消防设施设置

《水喷雾灭火系统设计规范》(GB50219—95)[6]第3.1.2条及《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》(报批稿)[7]第10.0.7条，均规定氨气运输管道上应设水喷雾消防系统，水喷雾强度不小于1L·min-1·m-2；规范对是否需要安装报警设施未做出相关要求。上文得出某发电厂氨区氨气运输管道发生泄漏，其泄漏速度为72.675kg·s-1，若持续泄漏，与空气混合，遇点火源极易发生爆炸，建议补充氨气运输管道应设置可燃气体浓度监测报警系统的规定，补充水喷雾系统的响应时间的规定；且二者需采用联动控制方式，在控制室设置手动直接控制装置。

4 结语

根据《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)、《石油化工企业设计防火规范》(GB50160—2008)、《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》(报批稿)、《水喷雾灭火系统设计规范》(GB50219—95)等技术标准，结合上文所建立的氨气运输管道爆炸事故后果及危害模型，进行了氨气运输管道的消防安全设计分析，提出相关建议：增加氨气管道与车行道、人行道的设置距离；补充氨气运输管道与周围建(构)筑物防火间距、设置可燃气体浓度监测报警、水喷雾系统的响应时间的要求规定。同时，建议在氨区不同工段配备防毒面具、空气呼吸器及相关应急救援设备，从而最大限度地保证紧急情况下的人员安全，不断增强职工紧急应变能力和事故处理能力，做出及时准确的响应。

[1] 张淼.XX电厂锅炉烟气脱硝工艺技术方案优选研究[D].长春:吉林大学,2016.

[2] 张晶.火电厂烟气脱硝工程液氨储罐区消防设计[J].华电技术,2012,34(10):12-13,33.

[3] 中华人民共和国建设部.火力发电厂与变电站设计防火规范:GB50229—2006[S].北京:中国计划出版社,2007.

[4] 中华人民共和国公安部.建筑设计防火规范:GB50016—2014[S].北京:中国计划出版社,2015.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.石油化工企业设计防火规范:GB50160—2008[S].北京:中国计划出版社,2009.

[6] 中华人民共和国公安部.水喷雾灭火系统设计规范:GB50219—95[S].北京:中国计划出版社,1995.

[7] 中华人民共和国国家能源局.火力发电厂烟气脱硝设计技术规程(报批稿)[S].

[8] 高梦非,张哲源,张苗,等.氨分解装置中液氨储罐火灾爆炸危险性分析[J].中国安全生产科学技术,2014,10(8):150-155.

[9] 谭小术,董刚,刘鑫,等.浅谈对重大危险介质液氨的安全管理[J].氮肥技术,2009,30(1):43-44.

[10] 傅智敏.工业企业防火[M].北京:中国人民公安大学出版社,2008.

[11] 余旭红,周春香.在用氨制冷管道风险分析[J].化学工程与装置,2011(4):152-156,166.

(责任编辑 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，内蒙古呼和浩特人，高级工程师； 戴琪(1990— )，女，内蒙古乌兰浩特人，硕士。

TU998.1

A

1008-2077(2017)08-0048-03