液氯罐區(qū)封閉化設(shè)計實例

楊文平，許景寒

（1.湖北省化學(xué)工業(yè)研究設(shè)計院，湖北 武漢 430073；2.湖北省緣達化工工程有限公司，湖北 武漢 430073）

液氯為黃綠色的油狀液體，在15℃時密度為1.4256 kg/m3。液氯作為重要的化工原料，通常氣化后使用，可用于紡織、造紙工業(yè)的漂白，自來水的凈化、消毒，鎂及其他金屬的煉制，農(nóng)藥、醫(yī)藥、洗滌劑、橡膠、塑料制品中間體等各種含氯化合物的合成。

氯具有強氧化性、助燃，其火災(zāi)危險性類別為乙類，根據(jù)《危險化學(xué)品目錄》（2015版），氯屬于急性毒性（吸入）類別2，此外氯也被列入劇毒化學(xué)品目錄，是受國家重點監(jiān)管的危險化學(xué)品。

隨著國家對環(huán)保、安全的日益重視，鑒于氯的危險特性，對于液氯的安全儲存及使用也受到涉氯行業(yè)從業(yè)人員越來越多的重視。本文以現(xiàn)行法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合某精細化工企業(yè)實際工程設(shè)計案例，簡要對液氯儲存廠房各專業(yè)的安全設(shè)施設(shè)計要點進行了介紹，以期為工程設(shè)計人員和涉氯企業(yè)安全管理人員和操作人員提供參考。

1 工藝系統(tǒng)設(shè)計

1.1 液氯儲量及儲存形式的選擇

該精細化工項目主要生產(chǎn)酰氯類產(chǎn)品，年產(chǎn)量1.4 萬t，液氯消耗量約59 t/d，采用槽車進行運輸。參考《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》SH 3007—2014 的規(guī)定，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，液氯儲存天數(shù)按5 d 進行設(shè)計，即需要儲存的液氯為295 t。因儲存量較大，設(shè)計采用儲罐進行儲存。經(jīng)與業(yè)主溝通，選用公稱容積為65 m3臥式儲罐，儲罐尺寸為Φ3 000 mm×10 020 mm，儲罐數(shù)量為4用1備，儲存系數(shù)≤0.8[1]。備用儲罐保持長空，應(yīng)急情況下倒罐使用。液氯儲罐材質(zhì)為16 MnR，壁厚為10 mm，設(shè)計溫度60℃，設(shè)計壓力1.76 MPa。

1.2 工藝流程的選擇

液氯罐區(qū)工藝流程主要包括卸車、儲存、外送三個步驟，其中卸車工藝的選擇是整個液氯罐區(qū)設(shè)計的關(guān)鍵，不同卸車方式適用場合和要求也有較大差異，目前國內(nèi)液氯的卸車工藝主要有氣化卸氯、空壓卸氯、位差抽卸三種工藝[2-3]。

（1）氣化卸氯

氣化卸氯的原理是采用部分液氯氣化提高槽車內(nèi)的壓力，通過槽車與儲罐的壓差將槽車內(nèi)液氯卸入液氯儲罐中，這是目前國內(nèi)比較常用的卸氯工藝。該工藝要求嚴格控制液氯氣化的操作溫度和操作壓力，液氯有一定損耗，環(huán)保性較差。

（2）空壓卸車

空壓卸氯的原理是利用壓縮空氣或氮氣的壓力進行卸車，因為氯氣遇水會發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生鹽酸，對設(shè)備、管材腐蝕性較大，因此需要嚴格控制空氣或氮氣中的含水率，一般宜控制在0.01%以下。但該工藝液氯損耗較大，環(huán)保性最差。

（3）位差抽卸

位差抽卸的原理是采用液氯泵將槽車內(nèi)的液氯抽出送入液氯儲罐。液氯槽車的液相管是頂入式的，直接靠位差無法把液氯卸干凈，且卸車時間很長。故需增加一只地槽，通過其卸壓把槽車的液氯引下再用泵送入大槽，而大槽的料也可通過該泵輸送至車間使用。該方法無論從環(huán)保性還是液氯損耗來說都優(yōu)于前面兩種方案，且卸車時間短。只是對泵的選擇要求較為嚴格同時需要保持較高的位差?？紤]到本項目液氯用量較大，為避免較大的液氯損耗、選用位差抽卸工藝進行卸車。

1.3 罐區(qū)布置方案的選擇

通?；ろ椖康墓迏^(qū)設(shè)計包括儲罐區(qū)、泵區(qū)、裝卸鶴位等幾個部分，各部分之間均有一定的防火間距的要求。為了防止液氯在儲存、裝卸等過程因泄漏造成安全事故，同時結(jié)合現(xiàn)行的國家、行業(yè)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，液氯罐區(qū)采用密閉廠房形式，液氯廠房的尺寸定為54 m×18 m，同時配備事故氯氣吸收系統(tǒng)?？偲矫娌贾门c周邊建構(gòu)筑物的防火間距按乙類廠房設(shè)計。由于氯氣有毒，廠房應(yīng)布置在人員集中場所的全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)。

封閉廠房的設(shè)計思路是罐區(qū)發(fā)生氯氣泄漏時，事故引風(fēng)機會將整個廠房內(nèi)的含氯空氣都抽至堿液吸收系統(tǒng)進行無害化處理，其風(fēng)量跟廠房的容積成正比，而風(fēng)量的大小直接關(guān)系到設(shè)備及運行成本的高低。根據(jù)GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》第6.4.3條可知，事故風(fēng)量計算公式如下。

Q=A×H×n

其中，Q為事故風(fēng)量；A為廠房面積或分區(qū)面積；H為廠房高度，當(dāng)H≤6 m 時，按實際高度計算；當(dāng)H大于6 m，H取值為6 m；n為通風(fēng)換氣次數(shù)，12次/h。

顯然，當(dāng)廠房的高度一定時，事故風(fēng)量與廠房或隔間的面積成正比，而事故風(fēng)量直接關(guān)系到風(fēng)機選型及運行成本。因此，為了降低成本，液氯廠房采用分區(qū)設(shè)計，盡量減少分區(qū)面積。結(jié)合工藝需要，本液氯廠房內(nèi)部分為儲罐區(qū)、卸車氣化區(qū)、卸車鶴位三個功能區(qū)，各分區(qū)采用實體墻分隔。室外設(shè)備區(qū)主要布置有應(yīng)急吸收塔、風(fēng)機、堿液儲罐等。

1.4 工藝安全設(shè)計

（1）液氯為全壓力式儲存的液化氣體，儲罐及管道等均需承受液氯儲存溫度下的飽和蒸汽壓，液氯儲罐材質(zhì)選用16 MnR 能滿足儲存條件下溫度與壓力的使用要求。本項目液氯廠房重大危險源R值為537.6，大于100，液氯廠房構(gòu)成危險化學(xué)品一級重大危險源，液氯廠房除了設(shè)置基本的DCS 控制系統(tǒng)外，還應(yīng)設(shè)計安全儀表系統(tǒng)（SIS）[4]。因此本項目液氯儲罐設(shè)計了雙壓力、雙液位、雙溫度監(jiān)測，分別將信號集中至DCS 系統(tǒng)和SIS 系統(tǒng)，壓力、液位監(jiān)測應(yīng)設(shè)置根部閥。儲罐進出口采用雙閥，同時儲罐進口及出口分別設(shè)置了兩個緊急切斷閥，一道切斷閥接入DCS 系統(tǒng)，另一道接入SIS 系統(tǒng)。液氯儲罐區(qū)設(shè)置了一臺同樣容積的儲罐作為事故罐，一旦有儲罐發(fā)生泄漏時可將其中大部分液氯倒至事故罐。液氯管道和氯氣管道設(shè)置安全閥，對管道進行安全泄壓，并將安全閥出口管道連接到堿液池；設(shè)置低點排污口，定期對殘留物進行排放，排放口連接堿液池。

（2）正常生產(chǎn)過程中廢氯氣和事故氯氣采用兩級堿液噴淋循環(huán)吸收系統(tǒng)進行吸收，經(jīng)處理的尾氣如符合排放標(biāo)準(zhǔn)則直接高空排放至大氣，如不合格則通過旁路排至廠房內(nèi)進行循環(huán)吸收，直至吸收合格。廢氣處理裝置應(yīng)滿足緊急情況下的系統(tǒng)事故氯吸收處理能力，吸收液循環(huán)槽具備切換、備用和配液的條件，保證設(shè)備有效運行[5]。

（3）液氯及氯氣管道采用Q345E 無縫鋼管，閥門選用氯氣專用截止閥，氯氣設(shè)計流速控制不超過12 m/s。液氯管道法蘭選用凹凸面法蘭，法蘭及閥門壓力等級不低于PN25，墊片選用金屬纏繞墊，緊固件選用全螺紋螺柱，材質(zhì)為35CrMo。

（4）液氯及氯氣管道焊縫檢測方法采用RT，焊縫檢測比例不低于100%，質(zhì)量合格等級為Ⅱ；強度試驗采用液壓試驗，試驗壓力為管道設(shè)計壓力的1.5倍；泄漏試驗介質(zhì)采用空氣，試驗壓力為1.0倍的設(shè)計壓力。

（5）液氯儲罐設(shè)有兩組安全閥，安全閥前設(shè)置有爆破片，爆破片和安全閥之間應(yīng)設(shè)遠傳壓力檢測儀表，高位報警，安全閥放空管線引至廠房內(nèi)堿液池。典型的液氯儲罐工藝流程簡圖見圖1。

圖1 典型的液氯儲罐工藝流程簡圖

2 液氯罐區(qū)封閉廠房的設(shè)計

2.1 土建專業(yè)設(shè)計

土建的安全設(shè)計主要包括防火、抗震等方面，由于氯有較強的腐蝕性，在潮濕空氣中還會產(chǎn)生氯化氫，同時廠房需要有良好的密閉性，因此廠房采用框架結(jié)構(gòu)形式，抗震設(shè)防等級為重點設(shè)防類。廠房占地面積986.44 m2，建筑面積為986.44 m2，廠房耐火等級為二級，高度8.5 m，1層。整個廠房為一個防火分區(qū)，分為三個獨立的功能區(qū)域，每個區(qū)域至少兩個獨立的安全疏散出口。氯氣為助燃介質(zhì)，單獨儲存時本身不具備爆炸的可能性，廠房不需要采取泄爆措施，墻體采用A5.0蒸壓加氣混凝土砌塊。

2.2 電氣專業(yè)設(shè)計

電氣的安全設(shè)計主要包括應(yīng)急照明、疏散指示系統(tǒng)、防雷措施等，其中消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)采用集中電源非集中控制型系統(tǒng)。應(yīng)急照明集中電源采用輸入電源AC220 V/50 Hz，輸出為安全電壓DC24 V，切換時間≤0.25 s，應(yīng)急時間90 min。應(yīng)急照明燈采用非燃燒材料制作的面板或燈罩。標(biāo)志燈的所有金屬構(gòu)件應(yīng)采用耐腐蝕構(gòu)件或進行防腐處理。廠房內(nèi)疏散照明的地面最低水平照度均按10.0l Lx 設(shè)計。

防雷措施按照第三類防雷建筑物設(shè)防，非金屬屋面在屋頂明敷φ12 熱鍍鋅圓鋼作為防雷接閃器，網(wǎng)格不大于20 m×20 m 或者24 m×16 m，金屬屋面利用雙層厚度≥0.5 mm 金屬屋面及鋼檁條做接閃器；利用混凝土立柱（或構(gòu)筑物）內(nèi)至少兩根直徑≥Φ16的鋼筋綁扎或焊接作為引下線，有鋼立柱的直接利用鋼立柱作為引下線，引下線之間平均間距≤25 m；利用承臺及基礎(chǔ)橫梁內(nèi)鋼筋網(wǎng)作為接地裝置。

2.3 消防專業(yè)設(shè)計

消防安全設(shè)計是為了滿足廠房消防安全要求，設(shè)計了室外消火栓系統(tǒng)和室內(nèi)消火栓系統(tǒng)，消火栓給水由消防水池及消防泵房供給。室外消火栓系統(tǒng)消防用水量標(biāo)準(zhǔn)為25 L/s，火災(zāi)持續(xù)時間按3 h 計。消防水量270 m3/h，消防環(huán)管管徑為DN200。室內(nèi)消火栓給水為臨時高壓制區(qū)域消防給水系統(tǒng)，消防用水量標(biāo)準(zhǔn)為10 L/s，火災(zāi)持續(xù)時間按3 h 計，消防水量108 m3/h。本建筑物室內(nèi)消火栓環(huán)狀管網(wǎng)的2 條引入管直接從廠區(qū)消防給水管網(wǎng)上的不同管段處連接，呈環(huán)狀布置，管徑DN100，引入管壓力為0.60 MPa。同時在相應(yīng)位置布置手提式磷酸銨鹽干粉滅火器或推車式磷酸銨鹽干粉滅火器，滅火器型號為 MF/ABC5 89B 5 kg、MFT/ABC35 183B 35 kg，滅火器適用溫度范圍為-10～55℃。

2.4 暖通專業(yè)設(shè)計

暖通專業(yè)的安全設(shè)計主要包括事故通風(fēng)系統(tǒng)。依據(jù)HG/T 20698—2009《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》及《化學(xué)品安全技術(shù)說明書》（MSDS），本廠房應(yīng)設(shè)置機械排風(fēng)，平時通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)少于10次/h，風(fēng)機為防腐型，液氯儲存區(qū)和汽化區(qū)采用軸流式風(fēng)機進行平時通風(fēng)換氣。事故換氣次數(shù)不應(yīng)小于12次/h，且應(yīng)與房內(nèi)氣體報警器聯(lián)鎖控制。事故通風(fēng)通過風(fēng)管引至室外成套事故氯吸收裝置，經(jīng)兩級洗氣塔吸收后，合格氣體經(jīng)排氣筒排放。事故通風(fēng)的通風(fēng)機應(yīng)分別在室內(nèi)及靠近外門的外墻上設(shè)置電氣開關(guān)。事故發(fā)生后，關(guān)閉相應(yīng)區(qū)的門窗、平時排風(fēng)機及入口電動密閉閥，開啟相應(yīng)區(qū)事故排風(fēng)管道上的電動密閉閥，并聯(lián)鎖啟動送風(fēng)機進行機械補風(fēng)，啟動事故氯氣吸收裝置。液氯儲存區(qū)排風(fēng)管道采用硬聚氯乙烯風(fēng)管（含阻燃劑），管溝敷設(shè)，卸車區(qū)和汽化區(qū)事故排風(fēng)管沿墻柱吊裝。汽化區(qū)內(nèi)設(shè)置移動式軟管吸風(fēng)罩，吸風(fēng)罩通過移動軟管接排風(fēng)管道，移動式吸風(fēng)罩應(yīng)能覆蓋廠房所有區(qū)域。廠房由于封閉的緣故可能會產(chǎn)生負壓，故為防止負壓過大事故系統(tǒng)無法抽氣，廠房內(nèi)還應(yīng)設(shè)置余壓閥，保持廠房內(nèi)壓為微負壓，當(dāng)廠房內(nèi)外壓差過大時余壓閥自動打開補氣，壓差正常后余壓閥自動關(guān)閉。

2.5 電信專業(yè)設(shè)計

電信專業(yè)的安全設(shè)計主要是火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計，本廠房采用集中火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，控制室的操作室兼作消防控制室安放火警控制器。按照GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》（2018版）第8.12.4條，在乙類裝置設(shè)置手動火災(zāi)報警按鈕和聲光警報器，室內(nèi)相關(guān)設(shè)備采用壁裝方式，手動火警按鈕自帶消防電話。設(shè)備信號傳輸類型為總線型，所有消防報警設(shè)備及模塊均需可靠接地。報警設(shè)備信號線纜采用導(dǎo)線穿鋼管方式，經(jīng)乙類裝置接線箱埋地敷設(shè)至控制室火警控制器。從金屬保護管引至火警消防控制設(shè)備盒、接線箱的線路，均采用可撓（金屬）電氣導(dǎo)管保護。

2.6 自控專業(yè)設(shè)計

自控專業(yè)的安全設(shè)計主要包括有毒氣體檢測及ESD 系統(tǒng)等。由于液氯罐區(qū)廠房構(gòu)成了一級重大危險源，按照規(guī)范要求需要設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)。同時氯氣屬于GB 30000.18—2013《化學(xué)品分類和標(biāo)簽規(guī)范第18部分：急性毒性》中急性呼入毒性2類，按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置自帶聲光報警器的氣體探測器。探測器的安裝高度宜距地坪或樓地板0.3～0.6 m，探測器盡量靠近釋放源安裝，探測半徑為2.0 m。氣體報警控制系統(tǒng)采用獨立的GDS 系統(tǒng)，安裝在操作人員常駐的中控室，GDS 系統(tǒng)設(shè)置單獨的操作站完成報警和控制功能。

根據(jù)HAZOP 分析及SIL 評估報告，本項目液氯儲罐的安全儀表等級按SIL2設(shè)計。SIS 系統(tǒng)按照故障安全性設(shè)計，正常生產(chǎn)操作由生產(chǎn)裝置的DCS 自控系統(tǒng)完成，只有故障狀態(tài)下采取緊急停車防止發(fā)生事故。SIS 采用獨立的控制器，可由TUV 安全認證的冗余、冗錯的獨立控制器完成裝置的緊急停車（ESD）功能。

3 結(jié)束語

液氯罐區(qū)的密閉化設(shè)計，能夠從源頭上預(yù)防和減少安全事故，降低事故產(chǎn)生的后果，提升液氯儲運過程的本質(zhì)安全水平，為企業(yè)在液氯儲存和使用過程中提供最大限度的安全保障。液氯罐區(qū)密閉化的同時，設(shè)計上也應(yīng)考慮經(jīng)濟合理性，設(shè)計過程中在滿足規(guī)范的前提下將各功能區(qū)進行分隔，有利于減少設(shè)備投資和運行成本。