基于风险的火灾爆炸风险控制技术应用研究

员文权

（ 上海翊员科技有限公司，上海 201611）

1 事故描述-加油站爆炸事故

2000年2月11日15时40分左右，江西樟树市某加油站发生爆炸，死亡6人，炸塌小楼一座。

加油站为砖混结构三层楼房，地下一层，地上二层。地下一层建筑面积108 m2，有两个10 m3柴油罐，一个6 m3汽油罐，3 m3空罐一个，及10余个油桶。地上一层建筑面积为57.26 m2，有一个5 m3柴油罐，两台加油机和卧室；地上二层为两间住房，面积与地上一层相同。油罐设在密闭地下室内，室内灯管和卸油泵为非防爆型设备，且采用敞口喷溅式卸油，卸油时罐室内油气浓度较大，遇电器打火，引发爆炸。

本案例的启示是如果环境中存在爆炸性风险，需要防止点火源的出现，从而避免火灾爆炸事故的发生。

本文通过阐述出现爆炸性环境的频率(即危险区域划分)与点火源的控制，讨论基于风险的火灾爆炸控制策略，从而使同时出现爆炸性环境与点火源的频率满足风险可接受标准。

2 火灾爆炸基本原理回顾

对于易燃气体、易燃液体发生火灾爆炸必须具备三要素，如图1所示。

图1 火灾爆炸三要素

对于可燃粉尘发生粉尘爆炸必须具备五要素，如图2所示。

图2 粉尘爆炸五要素

易燃气体/易燃液体着火爆炸三要素与可燃粉尘爆炸五要素的一个共同点是必须具备可燃物、氧化剂和点火源才会发生爆炸，只要移去这三者中的一个就不会发生爆炸。可燃物与氧化剂混合物的定义为爆炸性环境，可以用危险区域划分进行表征，因此可以将三要素简化为如下表达方式：危险区域+点火源=着火爆炸。

3 危险区域划分有关标准及对照

危险区域划分(Hazardous Area Classification,HAC) 是系统性地、定性地识别爆炸性环境可能出现频率的一种工具，在此基础上提出相应控制措施以防止泄漏的易燃物质被点燃而导致着火爆炸。

危险区域划分的目的是根据易燃物质出现的频率和持续时间，将爆炸性区域环境按危险程度进行分类。

目前国际上关于危险区域划分的标准主要有两类：一类是国际电工委员会标准IEC 60079-10-1：2020《爆炸性环境 第10-1部分：危险区域划分-爆炸性气体环境》以及IEC 60079-10-2：2015《爆炸性环境 第10-2部分：危险区域划分可燃性粉尘环境》[1-2]；另一类是NFPA70美国电气法规NEC 500-503以及NEC 505-506提供了危险区域划分要求[3]。

我国危险区域划分标准主要采用的是GB 50058—2014《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》[4]。

危险区域划分标准对照如表1所示：

表1 危险区域划分标准对照

无论采用哪种标准对危险区域进行划分，其原理和方法基本一致。本文以国际电工委员会标准IEC 60079-10-1及IEC 60079-10-2为例回顾介绍危险区域划分方法。

4 危险区域划分方法

4.1 危险区域的定义及定性表征

根据IE C60079-10-1，爆炸性气体环境的定义如下[1]：

1)0区：易燃气体、蒸气形成的爆炸性环境持续存在或者长时间存在的区域。

2)1区：易燃气体、蒸气形成的爆炸性环境在正常生产运行过程中偶尔出现或者定期出现的区域。

3)2区：易燃气体、蒸气形成的爆炸性环境在正常生产运行过程中不太可能出现，如果出现也是偶尔发生或者短时间存在的区域。

根据IEC 60079-10-2，爆炸性粉尘环境的定义如下[2]：

1)20区：爆炸性粉尘环境以粉尘云的形式持续出现或者长时间出现或者频繁出现的区域。

2)21区：爆炸性粉尘环境以粉尘云的形式在正常生产运行过程中偶尔出现的区域。

3)22区：爆炸性粉尘环境以粉尘云的形式在正常生产运行过程中不太可能出现，如果出现也是短时间出现的区域。

可以将易燃气体和蒸气与可燃粉尘出现爆炸性环境的频率和持续时间汇总于表2中。

表2 危险区域出现频率及持续时间的定性表征

表2针对每个不同的危险区域划分，提供了定性地持续时间用于参考，如爆炸性环境每年出现的时间为10～1 000小时，可以划分为1区/21区。需要注意的是精细化工有很大差别,精细化工行业通常产品变化很大，在一年时间中可能某个产品只生产1个月(即最多720小时)，但是不可以将涉及易燃液体的反应釜内部划分为1区，因此表格中给出的持续时间只是用于参考和定性评估。

4.2 危险区域划分要求简介

作为基于风险的火灾爆炸风险控制策略非常关键的一部分内容，需要编制系统性的危险区域划分研究报告，不同公司对于危险区域划分研究报告的格式要求有所不同，但都应至少包括以下内容：

1)危险区域划分时所用的资料以及工艺信息。

2)与危险区域划分有关的工程控制措施，如：通风系统设计文件。

3)生产工艺条件说明(如操作温度，操作压力等)。

4)释放源等级说明。

5)危险区域划分图。

危险区域划分需要综合考虑释放源类型、易燃液体的闪点、爆炸下限、粉尘区域清洁频率、通风条件、工艺操作条件以及操作模式等因素综合评估。

5 基于风险的火灾爆炸控制策略

5.1 控制策略的风险表征

当爆炸性环境与点火源同时出现时就会发生着火爆炸事故。爆炸性环境的出现频率可以使用上述危险区域划分进行表征。但是现实生产过程中企业不可能将危险区域出现的频率和点火源出现的概率降低为零，也不可能将火灾爆炸的风险真正降低为零，因此形成了基于风险的火灾爆炸控制策略，可以使用以下公式进行表征。

f=f1×f2

其中：

f: 发生着火爆炸的频率

f1: 出现爆炸性环境的概率

f2: 出现点火源的频率。

从风险可接受标准角度考虑，如果希望将火灾爆炸的发生频率f控制于某一频率以下，则需要平衡同时出现爆炸性环境的概率f1与出现点火源的频率f2，从而最终满足风险可接受标准，可以用简易图示进行表征(图3)。

图3 基于风险的火灾爆炸平衡控制策略

类似于表征危险区域，我们可以将点火源出现的频率定性地用以下方法表述：

1)一直/经常出现。

2)偶尔出现。

3)很少出现。

4)几乎不出现。

5.2 基于风险的火灾爆炸平衡控制策略

如果将出现爆炸性环境的概率与出现点火源的频率表征根据以上简易图汇总，可以得到以下基于风险的火灾爆炸控制策略动态表(表3)。

表3 基于风险的火灾爆炸平衡控制矩阵

根据上面的控制策略可以得出：

1)假设爆炸性环境一直出现(即0区或者20区)，则需要将点火源出现的频率控制到“几乎不出现”。

2)假设爆炸性环境偶尔出现(即1区或者21区)，则需要将点火源出现的频率控制到“很少出现”。

3)假设爆炸性环境很少出现(即2区或者22区)，则只需要将点火源出现的频率控制到“偶尔出现”。

4)假设爆炸性环境几乎不出现(即非危险区域)，则从风险角度点火源可以一直或者经常出现也可以满足风险控制要求。

在实际生产过程中有时候很难将点火源控制到“几乎不出现”，如静电中的火花放电，即使有静电接地和跨接也很难做到。因此依据基于风险的火灾爆炸控制策略动态表，这种情况下就需要降低爆炸性环境出现的概率。现将点火源出现的频率及其允许的爆炸性环境出现的概率汇总于表4中。

表4 基于点火源出现概率的火灾爆炸平衡控制矩阵

5.3 基于风险的平衡控制策略的应用

下面通过具体的例子阐述基于风险的火灾爆炸控制策略动态表。

假设室外储罐区有一个10 m3的正已烷储罐，其操作参数与当地气象条件如下：

储罐的操作参数：

1)操作温度：常温。

2)储罐呼吸阀的设定压力：20 kPag。

当地气象条件：

1)全年平均气温：16 ℃。

2)极端最高气温：40.2 ℃。

3)极端最低气温：-12.1 ℃。

1月和2月上旬是全年最冷季节，平均温度为5 ℃。

由于正已烷的闪点为-22 ℃，通过其饱和蒸气压计算可以得出，在全年平均气温下储罐内气相中正已烷的浓度约为13%，在全年最冷季节平均温度下储罐内气相中正已烷的浓度约为8%，因此在室温条件下储罐内气相正已烷的浓度基本都高于其爆炸上限LEL(7.5%),即使储罐内有空气也不处于其爆炸范围，但是当空罐首次从槽车往储罐进正已烷时或者清罐维修后再次进正已烷时，储罐内气相正已烷的浓度从零跨越其爆炸范围(爆炸下限到爆炸上限)最终大于爆炸上限，意味着储罐内出现爆炸性环境的概率为偶尔出现。此外当从正已烷储罐通过泵将物料输送至下游用户过程中空气会通过呼吸阀进入储罐导致形成爆炸性环境，但是考虑到正已烷的闪点、挥发性及转料频次，一些企业通常认为此过程中爆炸性环境为偶尔出现。

此外，在当地全年平均气温下(16 ℃)的饱和蒸气压约为13.45 kPag，在25 ℃的饱和蒸气压约为20 kPag，即在储存过程中且储罐内温度低于25 ℃时，储罐呼吸阀不会排气。但是当处于进料阶段或者储罐内温度大于25 ℃，呼吸阀会排气至大气环境，因此出现爆炸性环境的概率为偶尔出现，储罐内部总体可以划分为1区(图4)。

图4 正已烷储罐危险区域划分示意图

根据基于风险的火灾爆炸控制策略，正已烷储罐内部危险区域划分为1区的情况下需要将可能出现的点火源控制到“很少出现”。以静电为点火源为例，如果未考虑静电控制措施(包括接地与跨接、流速控制等)的前提下，静电出现的频率为一直/经常出现，在增加静电控制措施后可以认为其偶尔出现，仍然不能满足“很少出现”的控制要求，因此企业可以通过增加氮气保护并设氮气低压报警将爆炸性环境出现的概率降低为“很少出现”从而满足总体风险控制要求。

6 结论与建议

综上所述，大部分流程工厂都会涉及易燃物质从而可能导致潜在的火灾爆炸事故。当易燃物质和空气形成的爆炸性环境与点火源同时出现时就会发生着火爆炸事故。爆炸性环境出现的概率可以通过危险区域进行表征，本文简单介绍了危险区域划分的常用标准对照、划分方法及要求从而回顾了爆炸性环境出现的概率表征。在此基础上，提出了采用基于风险的火灾爆炸控制策略。根据爆炸性环境出现的频率(危险区域划分)，并结合点火源出现的概率阐述了控制策略的风险表征、火灾爆炸平衡控制矩阵，即如果爆炸性环境出现的概率越高，点火源出现的频率需要控制的越低。在实际生产过程中如果不能将点火源出现的频率降低至平衡控制矩阵所要求的水平时，企业需要采取措施降低爆炸性环境出现的概率。此外，本文通过正已烷储罐的危险区域划分及静电为点火源的案例介绍了采用基于风险的火灾爆炸控制策略的应用。