锅炉爆炸能量及TNT当量在锅炉安全评价中的应用

杨天义

(四川省诚实安全咨询技术服务有限责任公司，四川 成都 610041)

锅炉在运行过程中储存着大量的能量，一旦约束、限制能量的措施失控，能量大量释放发生锅炉爆炸，可能造成重大人员伤亡事故及重大经济损失。因此，应选用合理的评价方法对锅炉进行定量评价，特别是一些企业如垃圾焚烧发电厂、火力发电厂、化工厂、水泥厂余热电站等，锅炉是其重要组成部分或重点部位，更应进行定量评价。

锅炉安全评价方法有安全检查表、事故树分析法、故障类型及影响分析、锅炉爆炸事故后果模拟分析方法等，定量评价主要选用锅炉爆炸事故后果模拟分析方法，其基本思路是信息采集→爆炸能量计算→将爆炸能量换算成TNT当量→计算爆炸能量对人、建筑物的伤害半径→根据计算结果提出针对性的安全对策措施，该方法主要用于安全现状评价、安全验收评价及专项安全评价。

1 信息采集

（1）收集锅炉安装、使用说明书、质量证明书、锅炉图样等锅炉技术资料，获取锅炉型号、规格、水容积、压力、温度等工艺参数，向企业咨询锅炉实际工况，并检查锅炉铭牌、现场仪表及自控系统等核实与技术资料、企业介绍情况的符合性。

（2）查阅资料获取饱和水在大气压力下、系统运行压力下的焓、熵值。

（3）收集锅炉房及相关厂房的设计图、竣工图等工程技术档案，获取锅炉房及相关厂房建筑结构、层数、高度、耐火等级、门窗类型及分布、泄压设施、消防系统等，并现场检查确认。

（4）结合收集的工程技术资料，现场检查锅炉房的平面布置及内部布置，测量锅炉房与周边建筑物的距离、锅炉与锅炉房墙体、门、窗的距离，查清值班室、中控室、人员集中场所、重要场所的人员分布情况，并测量其与锅炉的距离。

2 锅炉爆炸能量计算

本文以某厂SLC600-4.0/400型余热锅炉为例计算锅炉爆炸能量及TNT当量。

2.1 余热锅炉参数

锅筒内径：Φ1400，筒身直段长13800mm，总长约为15800mm。

额定蒸发量：51.3t/h；

过热蒸汽压力：4.0MPa；

过热蒸汽温度：400℃；

锅筒工作压力：5.2MPa；

锅筒水容积为：水压时25m³，运行时10m³。

2.2 锅炉爆炸能量

SLC600-4.0/400型余热锅炉锅炉水主要存在于锅筒、水冷壁、过热器、省煤器及连接管等部位，计算锅炉爆炸能量时主要选择锅筒为计算对象。

锅炉爆炸能量分为两部分：水蒸汽的爆炸能量和高温饱和水在容器破裂时释放出的能量。

（1）水蒸汽的爆破能量

水蒸汽的爆破能量：

公式中符号含义及取值说明：

Eg：气体的爆破能量(kJ)；

P：容器内的绝对压力(MPa)，P=大气压+表压（过热蒸汽压力）=4.1MPa；

V：水蒸汽的容积(m³)，V=锅筒容积-水容积。锅筒容积由锅筒内径、长度计算得到(约24m³)，也可检查锅筒铭牌取得；锅筒水容积按锅炉参数取值(运行时10m³)，因此，水蒸汽容积约14m3。在无锅筒容积及水容积的情况下可按照汽水容积比为5:3进行计算；

k：气体的绝热指数，即气体的定压热与定容之比，查阅资料得k=1.135。

经计算，水蒸汽爆炸能量Eg=151396kJ。

（2）高温饱和水在容器破裂时释放出的爆破能量

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

公式中符号含义及取值说明：

E：过热状态液体的爆破能量(kJ)；

H1：爆炸前饱和液体的焓，按照过热蒸汽压力4.0MPa，查阅资料H1=1087.2kJ/kg；

H2：在大气压力下饱和液体的焓，查阅资料H2=416.51kJ/kg；

S1：爆炸前饱和液体的熵，按照过热蒸汽压力4.0MPa查阅资料，S1=2.7962kJ/(kg·K)；

S2：在大气压力下饱和液体的熵，查阅资料S2=1.30kJ/(kg·K)；

T1：介质在大气压力下的沸点，T1=373K；

W：饱和液体的质量，计算得W=10×103kg；

经计算，饱和水的爆炸能量为E=1126074kJ。

（3）余热锅炉爆炸能量

余热锅炉爆炸能量：

E=151396+1126074=1277470kJ。

3 爆炸能量的伤害、破坏作用

锅炉爆炸时，大部分能量(约占总能量的85%～97%)是产生空气冲击波，而多数情况下冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的。冲击波超压对人、建筑物的伤害、破坏作用见表1、表2。

表1 冲击波超压对人体的伤害作用

表2 冲击波超压对建筑物的破坏作用

计算冲击波超压的伤害、破坏作用，首先应将锅炉爆炸能量E换算为TNT当量q，再用公式a=0.1q1/3求出爆炸的模拟比a，然后计算爆炸冲击波超压的伤害、破坏作用。在锅炉安全评价时，主要有两种计算方式：

一是根据现场测量的锅炉与人、建筑物(门、窗、墙壁)的距离R，根据公式R0=R/a，计算1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0，根据R0值查阅文献1找出距离为R0处的超压ΔP0(即为R处的超压)，对照表1、表2找出对人员、建筑物的伤害、破坏作用。

二是根据表1、表2的超压ΔP计算对人（建筑物）的伤害(破坏)半径，预测可能受事故影响的人员、建筑物、周边场所(设备)等。

下面以上述余热锅炉为例演示第二种计算方式，计算冲击波超压对人（建筑物）的伤害(破坏)半径。

（1）锅炉爆炸能量换算为TNT当量

因1kgTNT爆炸所放出的爆破能量为4230～4836kJ/kg，取平均爆破能量为4500kJ/kg，则余热锅炉爆炸能量换算成TNT当量为：q=1277470/4500=283.88kg。

（2）爆炸的模拟比a=0.1q1/3=0.66。

（3）冲击波超压对人(建筑物)的伤害(破坏)半径计算示例。

由表1知：冲击波超压造成大部分人员死亡的超压为ΔP＞0.10MPa，根据ΔP查阅文献1并应用中间插值法得到基准炸药量(1000kg的TNT)爆炸实验中的相当距离R0＜22.3m，根据公式R0=R/a，得到伤害半径R＜14.7m，即爆炸冲击波可造成距爆源（锅筒）14.7m范围内的大部分人员死亡。

表3 锅炉房受损情况及冲击波伤害影响范围

由表2知：冲击波超压造成防震钢筋混凝土破坏的超压为ΔP=0.10～0.20，根据ΔP查阅文献1并应用中间插值法得到基准炸药量(1000kg的TNT)爆炸实验中的相当距离R0=16.9～22.3m，根据公式R0=R/a，得到伤害半径R=11.2～14.7m，即爆炸冲击波可造成距爆源（锅筒）11.2～14.7m范围内的防震钢筋混凝土破坏。同理，用同样的方法可以计算出冲击波超压对人员(建筑物)造成不同程度伤害(破坏)作用的伤害(破坏)半径。

（4）预测可能受事故影响的人员、建筑物、周边场所(设备)。在安全评价时应根据伤害半径计算结果，结合信息采集的情况，综合预测、判断可能受到事故影响的人员、建筑物、周边场所(设备)。通常来讲，一般会出现表3所列的几种情况。

说明：图中虚线(圆形)表示伤害半径，表示锅炉能量释放源。

4 对策措施

锅炉安全评价时，应根据伤害作用及伤害半径的计算结果提出针对性的对策措施，主要从平面布局、建筑结构、锅炉安全管理等方面进行考虑。

图1

图2

图3

图4

（1）锅炉房应合理选址，布置在厂区边缘地带，同时应考虑地势、风向的影响。锅炉房与周边建筑物的防火间距应满足规范要求，人员密集场所和重要部门不应设置在上一层、下一层、贴邻，应尽量布置在锅炉房伤害半径之外。

（2）锅炉房应采用抗爆墙体，并设置泄压面积满足要求的泄压设施，将爆炸能量影响范围限制在锅炉房内，通过泄压口向外释放能量。泄压设施可采用轻型屋顶、轻质墙体、泄压窗等，泄压方向应避开人员集中场所和主要道路，尽量设置在靠近容易发生爆炸的部位。

（3）锅炉房墙体上应尽量少开设门、窗洞口，开设的门、窗洞口不应朝向人员集中场所(如控制室)、人员经常通行的道路、走廊及重要场所(如高低压配电室)等，当建筑物及房间与锅炉房相邻时，相邻墙体上应不开设门、窗洞口。

（4）锅炉应进行经常性维护保养和定期检查，压力表、安全阀等安全附件、安全保护装置应进行定期校验、检修，确保齐全、有效，并建立锅炉安全技术档案。

（5）加强锅炉安全管理，制定锅炉安全管理制度、安全操作规程，锅炉操作人员应持证上岗，严格按操作规程作业，杜绝“三违”。

（6）制定锅炉事故应急救援预案，成立应急救援组织，配备应急救援物资，定期组织演练。

5 结语

在进行锅炉安全评价时，通过计算锅炉爆炸能量及TNT当量，确定锅炉的伤害半径，可以用于预测锅炉发生爆炸事故时可能受到伤害的人或建筑物，该评价方法作为预防、预测事故的重要手段，可使锅炉风险控制在可接受范围内。

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