煤制烯烴項(xiàng)目中氣化高層廠房消防設(shè)計(jì)問題探討

王桂芳

(包頭市消防支隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

煤制烯烴項(xiàng)目中氣化高層廠房消防設(shè)計(jì)問題探討

王桂芳

(包頭市消防支隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

煤制烯烴項(xiàng)目中氣化工段是核心工藝，氣化廠房屬于甲類生產(chǎn)廠房。在我國(guó)北方寒冷地區(qū)，受氣候條件的限制以及現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工藝的需求，必須采用封閉式高層廠房，這與我國(guó)現(xiàn)行的消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相沖突。以包頭市煤制烯烴項(xiàng)目為例，通過對(duì)氣化廠房火災(zāi)危險(xiǎn)性的分析，對(duì)氣化廠房建設(shè)為封閉式高層廠房的可行性以及相關(guān)的消防設(shè)計(jì)問題進(jìn)行探討。

煤制烯烴；氣化高層廠房；消防設(shè)計(jì)

煤制烯烴項(xiàng)目中氣化廠房的工藝以水煤漿和純氧為原料，采用氣流床反應(yīng)，在高溫、高壓、非催化條件下，進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣為有效成分的粗合氣體。由于粗合氣體中一氧化碳和氫氣的含量分別達(dá)到18.39%和15.34%，爆炸極限為8.25%～74%，火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類。在我國(guó)南方地區(qū)，煤氣化裝置被設(shè)計(jì)放置在煤氣化框架上，框架四周敞開。在北方寒冷地區(qū)，由于工藝操作豎向生產(chǎn)的要求，必須采用完全封閉的廠房。以包頭市煤制烯烴項(xiàng)目氣化廠房為例，該廠房位于廠區(qū)的西部南側(cè)，設(shè)置了8臺(tái)氣化爐。氣化廠房主體共10層，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度63.2 m，占地面積為5 456 m2。按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016-2006)第3.3.1條規(guī)定，甲類生產(chǎn)廠房除生產(chǎn)必須采用多層外，宜采用單層，不應(yīng)建造高層廠房；第3.6.1條規(guī)定，有爆炸危險(xiǎn)的甲乙類廠房宜獨(dú)立設(shè)置，并宜采用敞開或半敞開結(jié)構(gòu)。

一、氣化廠房的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

氣化廠房以及工藝設(shè)備存在的主要危險(xiǎn)物質(zhì)為合成氣體和高壓純氧。氣化廠房生產(chǎn)的合成氣體為一種粗煤氣，經(jīng)測(cè)算，合成氣的分子當(dāng)量為19.6，爆炸極限范圍為8.25%～74%，爆炸極限范圍寬。合成氣體的爆炸危險(xiǎn)度為7.97，H2、CO的爆炸危險(xiǎn)度分別為17.07和4.94，因此，合成氣體一旦泄漏發(fā)生爆炸事故，其爆炸危險(xiǎn)性相對(duì)較大。爆炸極限受合成氣的溫度、壓力等因素的影響，爆炸性混合物的初始溫度越高，爆炸極限范圍越寬,初始?jí)毫υ龃螅ǚ秶矓U(kuò)大。由于合成氣體生成的溫度在1 300 ℃以上，壓力為6.5 MPa，管道運(yùn)輸在200 ℃以上，因此爆炸范圍明顯擴(kuò)大，混合氣體的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性增大。高壓純氧具有強(qiáng)烈的助燃作用，可使可燃物的最低點(diǎn)火能量降低，增大了可燃物的范圍，一旦發(fā)生泄漏，將大大提高可燃物和設(shè)備裝置系統(tǒng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性。氣化廠房裝置區(qū)內(nèi)的工藝設(shè)備、電氣設(shè)備、工藝管道以及金屬平臺(tái)可能積聚靜電，引起火災(zāi)爆炸。在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、設(shè)備檢修中發(fā)生泄漏，可能聚集在廠房框架的死角，泄漏的易燃?xì)怏w與空氣形成爆炸性混合氣體，遇到各種靜電火花，極易引起火災(zāi)事故。設(shè)備管道出現(xiàn)跑冒滴漏等現(xiàn)象，地溝、電纜溝等低凹處和空氣不流通的地方極易積聚易燃?xì)怏w，遇到火源發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。

二、氣化廠房的火災(zāi)危害性分析

氣化廠房工藝過程高溫、高壓，存在CO、H2等易燃易爆危險(xiǎn)氣體，與傳統(tǒng)的單層或多層甲類廠房相比，由于生產(chǎn)規(guī)模大，設(shè)備高，一旦發(fā)生燃燒、爆炸，破壞力強(qiáng)，影響范圍大。氣化廠房的火災(zāi)危害性主要存在兩種情況：一是易燃易爆化學(xué)氣體管道泄漏沒有被點(diǎn)燃，形成擴(kuò)散蒸氣云，發(fā)生爆炸事故。以H2為例，假定管壁內(nèi)部光滑，考慮泄漏管徑20%，泄漏孔面積為78.52 cm2，最大平均持續(xù)泄漏流速為0.95 kg·s-1，利用ALOHA進(jìn)行泄漏模擬分析，得出數(shù)據(jù)顯示，蒸氣云被引燃發(fā)生爆炸，破壞范圍在60～100 m范圍之內(nèi)。二是合成氣體在泄漏后立即被點(diǎn)燃，以H2為例，假定條件與上述情況相同，根據(jù)ALOHA進(jìn)行泄漏模擬分析，得出數(shù)據(jù)顯示，60 s之內(nèi)嚴(yán)重死亡致命區(qū)域在18 m之內(nèi)，二度嚴(yán)重?zé)齻麉^(qū)域在25 m之內(nèi)，感覺疼痛區(qū)域在41 m之內(nèi)。

三、氣化廠房本質(zhì)安全措施分析

氣化廠房本質(zhì)安全主要通過工藝安全措施來(lái)保證，工藝防火、防爆措施是最大限度減小事故發(fā)生的可能性以及危害性的主要手段。在氣化廠房中，全部選用防爆電氣，設(shè)置了防雷、防靜電等措施來(lái)控制點(diǎn)火源；同時(shí)，廠房?jī)?nèi)還通過設(shè)置DCS系統(tǒng)和各種生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故，并設(shè)置了ESD系統(tǒng)、安全連鎖、止回閥和緊急切斷閥等緊急處理措施。這些措施在完好的情況下，能夠保證氣化廠房在正常生產(chǎn)過程中不發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，即使在設(shè)備發(fā)生故障的情況下也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，避免事故的進(jìn)一步發(fā)展。

四、消防設(shè)計(jì)中的問題探討

(一)平面布局

以包頭市煤制烯烴項(xiàng)目氣化廠房為例，火災(zāi)危險(xiǎn)性類別為甲類，共10層，建筑高度為63.2 m，為甲類高層廠房。在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中，未對(duì)高層甲類廠房防火間距做出規(guī)定。參照對(duì)氣化廠房火災(zāi)危害性的分析以及《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對(duì)高層廠房防火間距的有關(guān)規(guī)定，確定氣化廠房與四周建筑廠房的防火間距最少不低于25 m，對(duì)有人操作的廠房、變電站等防火間距不少于90 m。兩個(gè)生產(chǎn)框架之間的防火間距則控制在13 m。氣化廠房與周圍建筑的防火間距較大，有利于降低氣化廠房發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，對(duì)周圍廠房或者設(shè)備、人員造成的影響。同時(shí)，在氣化廠房周圍設(shè)置環(huán)形消防車道，并將連續(xù)2個(gè)外立面作為消防撲救面，在每層均開設(shè)外窗。在廠房?jī)?nèi)設(shè)置兩部消防電梯，為撲救廠房高層部位的火災(zāi)提供了較好的外部消防救援條件。

(二)防火分區(qū)劃分

氣化廠房按照一級(jí)耐火等級(jí)設(shè)計(jì)，建筑主體的鋼構(gòu)件均刷防火涂料進(jìn)行保護(hù)。在防火分區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)上，參照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中對(duì)乙類高層廠房防火分區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)防火分區(qū)的面積不超過2 000 m2。按照每層劃分防火分區(qū)，有利于降低火災(zāi)的危害，同時(shí)利于人員疏散和消防撲救。廠房因?yàn)樯a(chǎn)工藝的要求，有設(shè)備和管道穿越樓板，為滿足設(shè)備隨著溫度變化而變形的需要，仍然存在一些縫隙。這些縫隙可能成為可燃?xì)怏w和火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的煙氣擴(kuò)散的途徑，降低了防火分區(qū)豎向分隔的效果。因此，在劃分防火分區(qū)時(shí)，要注意對(duì)穿越廠房樓板的部位采取防火分隔和封堵措施，盡量降低火災(zāi)豎向蔓延的可能性。

(三)消防安全疏散

氣化廠房的整個(gè)生產(chǎn)過程中均為自動(dòng)化管理，廠房?jī)?nèi)部設(shè)置固定工作崗位，平時(shí)現(xiàn)場(chǎng)巡檢為2人。中央控制室不設(shè)置在氣化廠房?jī)?nèi)，操作人員在控制室內(nèi)進(jìn)行全程遠(yuǎn)程監(jiān)控。按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.7.6條的規(guī)定，氣化廠房設(shè)置了2部封閉樓梯和2部室外樓梯。在疏散距離的消防設(shè)計(jì)中，參照甲類多層廠房安全疏散距離不應(yīng)大于25 m的要求執(zhí)行。因此，即使廠房發(fā)生火災(zāi)事故，也不會(huì)對(duì)生產(chǎn)人員造成較大的影響。

(四)消防通風(fēng)系統(tǒng)

由于氣化廠房主體采用全封閉的形式，需要采取合理的通風(fēng)措施，使空氣對(duì)流，以降低有毒、有害、易燃易爆危險(xiǎn)物質(zhì)的濃度。氣化廠房的設(shè)備內(nèi)有甲類危險(xiǎn)物質(zhì)CO、H2，均屬于防爆區(qū)域，在風(fēng)機(jī)的選擇中，應(yīng)選用防爆等級(jí)為dⅡCT1的防爆型產(chǎn)品。根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，事故通風(fēng)換氣次數(shù)確定為15次·h-1。在風(fēng)機(jī)的設(shè)置中，以防火分區(qū)為單位，防火分區(qū)內(nèi)上下區(qū)域均設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，同時(shí)，在每個(gè)防火分區(qū)上部梁板可能產(chǎn)生氣體積聚的空間，設(shè)計(jì)通風(fēng)口，保證在所有高度大于100 mm的梁間均設(shè)置通風(fēng)口。由于每層樓板上設(shè)備和管道的穿越處留有縫隙，會(huì)成為可燃?xì)怏w擴(kuò)散的通道，因此，在消防設(shè)計(jì)中，當(dāng)發(fā)生易燃易爆氣體泄漏時(shí)，整個(gè)氣化廠房的事故通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)全部開啟。

(五)自動(dòng)消防設(shè)施

由于氣化廠房為甲類廠房，合成氣的主要成分為CO、H2，按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的要求，應(yīng)當(dāng)設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警裝置。在報(bào)警裝置的選擇上，由于氫氣密度小，容易在合成氣中分離，爆炸危險(xiǎn)性大，因此，應(yīng)當(dāng)設(shè)置探測(cè)H2的可燃?xì)怏w探測(cè)裝置，同時(shí)，設(shè)置有毒氣體的探測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)CO的泄漏情況。兩種探測(cè)器的設(shè)置，要盡量與生產(chǎn)過程中可能發(fā)生易燃?xì)怏w、有毒氣體泄漏、聚集的位置一致，探測(cè)器與事故通風(fēng)連鎖，在探測(cè)到泄漏的第一時(shí)間，要啟動(dòng)事故通風(fēng)。生產(chǎn)裝置設(shè)置的可燃?xì)怏w或有毒氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的在線檢測(cè)信號(hào)應(yīng)送至全廠性消防控制中心，對(duì)氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行顯示和報(bào)警；同時(shí)將信號(hào)送至中央控制室的DCS系統(tǒng)操作站進(jìn)行顯示和報(bào)警。廠房?jī)?nèi)均應(yīng)按照規(guī)范要求，設(shè)置防爆型手動(dòng)報(bào)警裝置。在滅火設(shè)施的設(shè)置中，除了設(shè)置室外消火栓外，根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50160-2008)第8.6.1條的規(guī)定，設(shè)置室外消防水炮。同時(shí)，根據(jù)《固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50338-2003)的要求，消防水炮的額定流量不宜小于30 L·s-1，滅火用水連續(xù)供給時(shí)間不小于2 h。在室內(nèi)消火栓的設(shè)置中，由于氣化廠房存在易燃易爆氣體火災(zāi)的危險(xiǎn)，因此，室內(nèi)消火栓的水槍應(yīng)采用直流、水霧兩用型。當(dāng)廠房?jī)?nèi)發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏時(shí)，可利用水霧稀釋可燃?xì)怏w濃度，降低可燃?xì)怏w聚集并達(dá)到爆炸下限的可能。同時(shí)，水霧的冷卻窒息效果在一定程度上可以起到限制氣體火災(zāi)的影響范圍等作用。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)高層封閉氣化廠房的火災(zāi)危險(xiǎn)性、危害性分析，從控制生產(chǎn)的溫度和壓力，控制點(diǎn)火源，防止爆炸性混合物形成，保證安全疏散，設(shè)置泄壓、報(bào)警、滅火設(shè)施入手，強(qiáng)化生產(chǎn)本質(zhì)安全、強(qiáng)化消防安全，保證事故能夠早期發(fā)現(xiàn)、早期處理，將事故控制在初級(jí)階段，并限制火災(zāi)爆炸規(guī)模和影響范圍，確保人員在發(fā)生事故時(shí)安全疏散，基本上可保證甲類封閉高層廠房的消防安全，采用封閉式高層廠房是可行的。在廠房的使用過程中，要制定嚴(yán)格的安全生產(chǎn)管理制度和消防應(yīng)急預(yù)案，并加強(qiáng)演練。要定期對(duì)員工進(jìn)行消防安全教育和培訓(xùn)，提高消防安全意識(shí)，提高整體抗御火災(zāi)的能力。

[1] GB 50016-2006,建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[2] GB 50160-2008,石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[3] GB 50338-2003,固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯 李 蕾)

The Research on the Fire Protection Design of a High Rise Gasification Plant in Coal-to-olefins Project

WANG Guifang

(BaotouMunicipalFireBrigade,InnerMongoliaAutonomousRegion014030,China)

Gasification process is commonly regarded as the key process in the coal-to-olefins project and gasification plants are categorized as Class A plants. In North China, all the gasification plants were designed as enclosed high rise plants due to the constraints of cold weather and current technical requirements. It causes a serious contradiction between the status quo of a technical standard and specified fire protection criteria. This paper takes the CTO project in Baotou city as an example, verifies the feasibility of enclosed high rise gasification plants in CTO project and discusses the related issues in the fire protection designs.

coal-to-olefins; high rise gasification plant; fire protection design

2015-03-03

王桂芳(1971— )，女，山西大同人，高級(jí)工程師。

TU972+.4

A

1008-2077(2015)06-0062-03