基于復合模型的干式除塵系統粉塵爆炸風險分析*

高娟 苑藝笑 薛少謙 苑春苗

(1.東北大學安全工程研究所 沈陽 110819; 2. 中煤科工集團重慶研究院 重慶 400039)

0 引言

近年來，粉塵爆炸事故頻發，嚴重威脅著企業的生產安全，干式除塵系統由于其工作特點，粉塵爆炸風險較高[1]。在所有粉塵爆炸事故中，木粉塵燃爆事故占比高達17%[2]。對企業進行系統的風險分析，確定其風險等級，進而采取相應的安全管理措施，能有效防控粉塵爆炸事故。本文提出一種基于粉塵爆炸特性參數的融合FMEA及DOW分析于一體的半定量復合模型風險分析方法，并以某一木制品加工廠的干式除塵系統為例，對此方法在干式除塵系統風險分析中的應用情況進行研究。

1 復合模型風險分析理論

1.1 故障模式及影響分析

故障模式及影響分析是為分析設備故障而開發的一種定性分析方法，具體過程如下：①分析各個元件功能及其正常運行條件，挖掘元件潛在故障及類型；②根據潛在故障模式，分析其出現時對系統正常運行的影響，從而確定嚴重度；③根據潛在故障模式，尋找其出現的原因并確定原因出現的頻率，從而確定發生率和不可測度；④根據FMEA評價標準，確定故障模式的風險等級；⑤根據風險等級，找出較危險的設備，對其采取必要的安全措施降低風險。

1.2 道化學火災爆炸指數法

道化學火災爆炸指數法是一種基于工藝設備特點及所涉物料特性的對火災爆炸事故風險進行計算的定量分析方法[3]。本研究采用道化學火災爆炸指數法評價程序如圖1所示。

圖1 道化學火災爆炸指數法評價步驟

2 復合模型風險分析步驟

2.1 涉爆粉塵工藝系統的FMEA分析

本研究使用的FMEA標準為MIL-STD -1629A，此標準利用故障對系統正常運行影響的嚴重度(Severity，S)、故障原因的發生率(Occurrence，O)、監測設備對故障的不易探測度(Detection，D)來確定設備的風險大小，用危險優先數(Risk Priority Number，RPN)表示[4]。嚴重度、發生率、不易探測度的評價標準如表1所示。RPN最小值為1，最大值為200，可以通過比較最終RPN辨識工藝系統中的事故節點。

表1 嚴重度、發生率、不易探測度的評價標準

2.2 事故節點粉塵爆炸可能性分析

爆炸可能性分析需要測定粉塵爆炸特性參數，主要包括粉塵粒徑、最小點火能MIE、最大爆炸壓力Pmax、爆炸指數Kst、爆炸下限MEC、最低著火溫度MIT等。

2.2.1 確定可爆環境出現的危險性

可燃粉塵在生產過程中有兩種存在方式：堆積狀態(粉塵層)和懸浮狀態(粉塵云)。確定爆炸性粉塵環境時，判定處于懸浮狀態的粉塵云濃度是否會達到爆炸下限是首先需要考慮的條件；同時也要考慮處于沉積狀態的粉塵層，因為如開機振動、料堆坍塌、設備維修、清掃衛生、初始爆炸沖擊波等因素可以將沉積粉塵瞬間揚起而形成爆炸性粉塵環境。依據粉塵爆炸性環境出現的可能性對其進行分區，如表2所示。

表2 爆炸危險環境出現可能性及分區

2.2.2 確定有效點燃源出現的危險性

由于設備在非正常運行過程中會產生摩擦、撞擊、老化、漏電、人為失誤等情況，引發熱表面、火焰或高溫氣體、摩擦火花、靜電放電等點燃源的危險因素。確定有效點燃源出現的可能性，主要考慮粉塵著火的敏感性和點燃源出現的控制效果兩個方面，其中粉塵最小點火能和最低著火溫度是衡量粉塵著火敏感性的兩個重要指標。若某粉塵樣品根據最低著火溫度和最小點火能得到的引燃危險性級別不一致，則按較高級別確定。粉塵著火敏感性分級如表3所示，點燃源出現的控制效果分級如表4所示，有效點燃源出現的可能性分級如表5所示。

表3 粉塵著火敏感性級別

表4 點燃源控制效果

表5 有效點燃源出現可能性

2.2.3 確定粉塵爆炸發生可能性

根據可爆環境及有效點燃源出現的危險性，確定設備發生粉塵爆炸的可能性。粉塵爆炸可能性分級如表6所示。

表6 粉塵爆炸可能性級別

2.3 粉塵爆炸后果嚴重度分析

本文引入道化學火災爆炸指數法對粉塵爆炸的后果嚴重度進行計算，并根據火災爆炸指數對粉塵爆炸后果進行分級。粉塵爆炸后果危險性等級如表7所示。

表7 火災爆炸指數與危險性等級

為計算火災爆炸指數，需要確定物質系數MF、一般工藝危險系數F1、特殊工藝危險系數F2以及單元安全措施補償系數即工藝控制安全補償系數C1、物質隔離安全補償系數C2、防火措施安全補償系數C3。其中，物質系數反映所涉及物料的化學活性及易燃性，通過研究的粉塵特性參數確定。評估所涉及可燃性粉塵的物質系數選取標準如表8所示，其他參數選取標準具體見第3節。根據F&EI=MF×F3=MF×F1×F2確定火災爆炸指數，從而確定粉塵爆炸的后果嚴重度。

表8 可燃性粉塵物質系數取值

2.4 粉塵爆炸風險評價

粉塵爆炸風險是綜合考慮粉塵爆炸發生可能性和后果嚴重度的結果，風險級別的確定有多種方法，其中風險矩陣法應用時間長、范圍廣。本文采用風險矩陣法確定粉塵爆炸的風險等級，如圖2所示。

圖2 粉塵爆炸風險矩陣

根據可接受風險標準，確定所評價的設備粉塵爆炸風險是否可接受，對于不可接受風險，需要采取措施對風險進行控制，主要包括預防爆炸性粉塵環境形成、預防有效點燃源出現和降低爆炸后果嚴重度等3個方面的措施。

3 干式除塵系統風險分析實例

本節以某一木制品加工廠除塵系統為例，介紹了復合模型風險分析方法在干式除塵系統風險分析中的應用情況。

3.1 干式除塵系統的FMEA分析

以袋式除塵系統為例，袋式除塵系統分為進風口、管道、箱體、清灰系統、灰斗和排灰系統等。針對其組成設備的部件可能發生的故障類型，即各類失常狀態，通過計算RPN找出除塵系統粉塵爆炸風險較高的設備，即關鍵事故節點。對袋式除塵系統FMEA分析結果如表9所示。由表可知，干式除塵系統中管道的粉塵爆炸風險較高，其危險優先數為140，所以在FMEA的基礎上，從粉塵爆炸的可能性與后果的嚴重性方面對除塵管道展開細致分析。

3.2 除塵管道粉塵爆炸可能性分析

根據木粉的粉塵爆炸特性參數，確定可爆環境及有效點燃源出現的危險性，進而確定木粉塵在除塵管道內發生粉塵爆炸的可能性。常見的木粉塵特性參數[5]如表10所示。由表可知，木粉塵云爆炸下限質量濃度為10～20 g/m3，在FMEA分析的基礎上可知，除塵管道為經常出現可爆粉塵環境，根據表2可確定其為20區。木粉塵云最小點火能為7 mJ且最低著火溫度為360 ℃，根據表3可確定其著火敏感性為高。根據FMEA分析可知，除塵管道與輸送粉塵相互摩擦，產生靜電火花，且未采取相應措施，故根據表4可確定其控制效果為差，從而根據表5確定除塵管道有效點燃源出現可能性為正常出現。綜合以上分析，可根據表6確定粉塵爆炸發生的可能性等級為V。

表9 袋式除塵系統的FMEA分析

表10 常見的木粉塵特性參數

3.3 除塵管道粉塵爆炸嚴重性分析

由表10可知，木粉塵云最大爆炸壓力上升速率為19.2 MPa·m/s，由表8可知，其爆炸指數的粉塵分級屬于St-1等級。按照NR為0～4的選取要求逐一對比，當NR=3時，木粉能發生爆炸反應但需在密閉條件下由強引發源引發，符合除塵管道木粉塵爆炸特性，故選取NR=3，從而可確定木粉塵的物質系數MF=29。工藝設備危險系數計算如表11所示，可確定除塵管道的一般工藝危險系數F1=2.00、特殊工藝危險系數F2=2.90。根據F&EI=MF×F3=MF×F1×F2可確定火災爆炸指數為168.2，從而確定粉塵爆炸后果嚴重度等級為V。

表11 工藝設備危險系數

3.4 粉塵爆炸風險評價

根據除塵管道木粉塵爆炸可能性和嚴重度的結果，通過圖2可確定其風險等級為A，為不可接受風險。工藝設備危險系數計算如表12所示，由表可知，單元安全措施補償系數為0.45。通過采取相應安全措施，火災爆炸指數降為75.7，爆炸后果嚴重度等級降為II，除塵管道木粉塵爆炸可能性等級降為III，從而可知采取安全措施后，除塵管道木粉塵爆炸風險等級為D，為可接受風險。

表12 單元危險安全補償系數計算

4 結論

(1)本文提出了一種基于粉塵爆炸特性參數的融合FMEA及DOW分析于一體的復合模型風險分析方法，并通過實踐證明了該方法的有效性和可行性。

(2)本文以干式除塵系統為例，對所提出的半定量風險分析方法的使用步驟進行說明，為涉粉企業各個系統風險評價的具體操作提供依據。

(3)本文提出的復合模型風險分析方法對粉塵爆炸事故分析較為透徹，操作性強，也可用于其他設備系統的風險評估，從而系統判定涉爆粉塵企業的風險大小。