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煤改氣過程中存在的安全風險研究

張文連:




01



“煤改氣”風險和問題分析

由于我國近幾年霧霾污染十分嚴重,煤改氣被看做治霾政策之一,為無色無味的易燃氣體,爆炸極限為5%~15%,與空氣混合極易形成爆炸性混合物,危險性大,被列為重點監(jiān)管的危險化學品;在送到最終用戶之前,為助于泄漏檢測,還要用四氫噻吩、硫醇等來給天然氣添加氣味。但是天然氣帶來的事故也很突出,據(jù)統(tǒng)計,2017年第一季度燃氣爆炸事故就達到196起,第二季度燃氣安全事故達到269起,平均每月有89起燃氣爆炸事故發(fā)生,造成極大的安全隱患,其相應裝置的工藝流程、控制手段、操作方式、安全要求與煤作為加熱介質(zhì)時完全不同,安全管控難度明顯增大,安全要求隨之增高。
2017年1月湖北省枝江市某企業(yè)鍋爐房內(nèi),一臺臥式內(nèi)燃鍋爐在調(diào)試點火時發(fā)生爐膛燃爆事故,造成了2人死亡,7人受傷慘劇。經(jīng)專家初步分析,該事故是由于使用單位在燃燒器程序控制器正常運行過程中,違規(guī)將燃氣安全切斷閥強行短接通電開啟,造成點火前燃氣進入爐膛與空氣混合達到爆炸極限,當程序控制器運行至點火位時爐膛發(fā)生燃爆。
2017年12月山東省濰坊市的日科化學股份有限公司年產(chǎn)1.5萬噸塑料改性劑(AMB)生產(chǎn)裝置發(fā)生爆燃事故,造成7人死亡、4人受傷。經(jīng)初步分析,事故直接原因是:天然氣通過新增設的直接燃燒加熱系統(tǒng)串入了干燥系統(tǒng),并與干燥系統(tǒng)內(nèi)空氣形成爆炸性混合氣體,在啟動不具備啟用條件的天然氣加熱系統(tǒng)的過程中遇點火源引發(fā)爆燃。
這兩起事故暴露出企業(yè)安全風險意識差,對“煤改氣”產(chǎn)生的安全風險辨識不足,是積累問題的集中爆發(fā),給人民生命財產(chǎn)和國家形象帶來了嚴重損害。
1972年6月15日—2007年2月5日間發(fā)生在法國的121起鍋爐相關事故,其中41起與燃氣鍋爐相關(天然氣、焦爐氣、液化石油氣等),80起鍋爐燃料未知或雖非燃氣鍋爐但其經(jīng)驗可應用至燃氣鍋爐的事故。29%發(fā)生在冷卻系統(tǒng);26.5%發(fā)生在進料管線系統(tǒng)(見表1)。

表1 121起事故的類型和故障設備

燃氣發(fā)生燃爆事故是由于可燃氣體漏入并與空氣混合形成爆炸性混合物,這種混合物處在爆炸極限范圍時一接觸到適當?shù)狞c火源就會發(fā)生爆炸事故。伴隨著化學變化,爐內(nèi)氣體壓力瞬時劇增,所產(chǎn)生的爆炸力超過結構強度而造成向外爆炸,由于在極短時間內(nèi)大量能量在有限體積內(nèi)積聚,造成鍋爐爐膛處于非尋常的高壓或高溫狀態(tài),使周圍介質(zhì)發(fā)生震動或鄰近的物質(zhì)遭到破壞。燃氣爆炸風險識別如下:

(1) 點燃風險
在點火時,如啟動操作不當,出現(xiàn)熄火而又未及時切斷氣源、配氣管進行可燃氣體吹掃,或打開閥門時噴嘴也點不著火、被吹滅吹掃不徹底、或其他可能使爐膛中存積大量高濃度可燃氣體并處于爆炸極限范圍內(nèi)的情況,則再次點火時引燃這些可燃氣體,引起爆炸。
(2) 機械故障
氣體在鍋爐燃燒室的意外聚集也會形成爆炸性環(huán)境。這類事故通常發(fā)生在鍋爐重新開工時??赡艿氖鹿蕡鼍坝校涸O備出現(xiàn)故障后,仍然使進氣管線處于打開狀態(tài);調(diào)壓閥故障;使用電磁閥;進氣裝置氣壓過低;鍋爐重新開工前預通風故障。因為設備不完善,閥門漏氣,沒有火焰檢測裝置和點火滅火保護裝置,可燃氣體充滿爐內(nèi)點火發(fā)生爆炸。
(3) 管道泄漏
由于燃氣可燃氣體消耗量大,輸氣管道龐大,有些管道已經(jīng)腐蝕老化況,如不注意管道的檢修和維護,管路發(fā)生可燃氣體泄露,而造成爆炸事故。部分進氣管線泄漏是由鍋爐前端的閥門與進料管線連接處失去密封性導致,如連接部件老化,管件存在缺陷,管件損壞都曾引發(fā)過事故。此外,處理活動的連接部件和停車裝置時須嚴格按照流程,遵守對應的閥門操作指南。不恰當操作滑門閥就引發(fā)了2起事故;鍋爐維修后,未用壓縮空氣或氮氣進行密封性測試,或者未關閉法蘭就打開進氣閥門,引發(fā)了1起事故;液化石油氣鍋爐上的氣化器有時也會成為泄漏源,并引發(fā)了1起事故。進氣管線破裂會導致大量易燃氣體泄漏。比如有1起事故就是叉車移動堆積在管線前方的木質(zhì)貨架時,出現(xiàn)失誤導致的。氣體泄漏可能引發(fā)爆炸、火災,造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。12起進料管線泄漏事故中,6起引發(fā)了爆炸,5起引發(fā)了火災,且5起中有3起在火災之后發(fā)生了爆炸。鍋爐本身也會成為點火源,比如鍋爐上的電氣部件或鍋爐上的動火作業(yè)。庫爾布瓦火電站事故就是一則典型案例:鍋爐進氣管線的閥門引發(fā)嚴重泄漏,導致2人死亡。
對于混合氣體鍋爐和碳鍋爐,分析風險時要考慮天然氣和碳塵同時點燃的情況,其中就有1起類似事故:鍋爐進氣管線泄漏,氣體高速噴出后發(fā)生爆炸,懸浮在空氣中的碳顆粒同時被引爆,增加了爆炸威力。1987年美國就發(fā)生1起進氣管線泄漏事故。當時閃電擊中城市中的1個天然氣鍋爐,擊穿了燃氣管道上的閥門,導致氣體大量泄漏。
(4) 火焰不穩(wěn)定

如果煤氣燃燒器出力過小,火焰就會縮回燃燒器內(nèi),發(fā)生回火現(xiàn)象,使鍋爐運行中火焰不穩(wěn)定而熄滅;相反出力過大,火焰就會脫開燃燒器,發(fā)生脫火現(xiàn)象,此時爐膛處于高溫,達到或超過可燃氣體與空氣混合物的著火溫度,就有可能立即發(fā)生爆炸。

(5) 熱傳導液系統(tǒng)事故
在法國勒阿弗爾發(fā)電站事故中,1個新鍋爐在測試過程中發(fā)生爆炸。當時,鍋爐金屬管的進水中含有碳氫化合物,化合物比水重,在火管內(nèi)聚集,覆蓋住氣化器,導致金屬管溫度升高,之后管線破裂,噴出高壓蒸氣,鍋爐被沖擊至10m遠處。事故導致1人死亡,17人受傷。

其次,泄漏到鍋爐外面的熱傳導液,會污染環(huán)境和排水系統(tǒng)。相關事故場景有:維修期間抽出熱傳導液;他人肆意破壞;主排水管破裂或過熱水泄漏到河流中導致水生動物死亡。鍋爐保養(yǎng)時所用物品(清洗劑、阻垢劑和其他腐蝕性物質(zhì))的意外泄漏也會污染環(huán)境。閥門出現(xiàn)機械故障或蒸氣量突然升高后,打開蒸氣系統(tǒng)的安全閥會產(chǎn)生巨大噪聲,影響周圍環(huán)境。

多種原因還會導致熱水分流管或蒸氣分流管撕裂,如土地沉降、管道老化、管道的機械或熱量限制(高壓和溫度)、操作不當引起的故障。雖然通常不會導致人員死亡,但是會引起公眾疏散和熱水斷供。最后,運輸熱傳導液的管道會成為易燃物和與之接觸的燃料的點火源。其中1起事故就是,發(fā)電站中由于焊接不良,潤滑油滴落到運輸過熱蒸氣的管道上,引發(fā)火災。2000年在贊比亞,1條管道因生銹堵塞,導致熱量在鍋爐內(nèi)聚集,引發(fā)嚴重火災,摧毀了事故煉化廠。1994年,德國1條超過550℃的過熱蒸氣管道破裂,導致6人死亡,1人受傷。

(6) 操作不當

操作人員在鍋爐運行時不按照規(guī)章制度操作,操作不合理,工作不負責任,檢修、值班不按規(guī)定進行,容易導致事故發(fā)生。在某起事故中,工人缺少故障分析的必要信息,仍然迫使鍋爐開工,導致氣體聚集,引發(fā)爆炸。在敦刻爾克的事故中,火苗控制攝像頭損壞,不能檢測火苗是否熄滅,之后引發(fā)事故。在里昂的事故中,由于調(diào)節(jié)控制設備失效,技術員無法確定燃燒爐意外停工的原因,之后使鍋爐重新開工,導致燃燒室氣體爆炸。

(7) 氣源供不應求

2016年初發(fā)布的“十三五”規(guī)劃目標是把2020年的天然氣占能源消費的比重從2015年的6.2%提高到10%。如果滿足這個目標,就要求2017~2020年間每年天然氣需求增長都需要達到15%~16%。但需求增長過快,而天然氣供給沒有及時跟上而造成暫時短缺。對化工企業(yè)來講要做好無氣可用的準備,避免出現(xiàn)氣源驟停引起安全事故。2018年4月26日國家發(fā)展改革委、國家能源局《關于加快儲氣設施建設和完善儲氣調(diào)峰輔助服務市場機制的意見》再一次強調(diào)了2020年“供氣企業(yè)10%、城鎮(zhèn)燃氣企業(yè)5%、地方日均3天”的儲氣能力目標;同時提出要構建儲氣調(diào)峰輔助服務市場,加強儲氣調(diào)峰能力建設情況的跟蹤調(diào)度,對推進不力違法失信等行為實行約談問責和聯(lián)合懲戒。





02





可以采取的措施和經(jīng)驗做法


(1) 加強工作人員專業(yè)培訓。燃氣鍋爐爐膛發(fā)生爆炸的事故,主要是由于在工作人員的管理過程中沒有加強質(zhì)量控制,從而出現(xiàn)了誤操作判斷等問題。所以對此就要加強司爐人員的專業(yè)化培訓,對其鍋爐爆炸的嚴重性要有深刻的認識,加強工作的責任心以及安全意識等。司爐工作人員對鍋爐設備和系統(tǒng)結構性能等方面要有熟悉的認識,能對鍋爐的燃燒以及爐膛爆炸的機理等要有基礎的認識,在處理問題的能力上要突出。

(2) 加強鍋爐施工質(zhì)量控制。燃氣鍋爐爐膛爆炸事故的預防措施實施,要從施工過程中的質(zhì)量控制加強重視,在這一過程中,不僅要能對一般的鍋爐安全知識具備,還要能在專業(yè)的操作技能方面熟練掌握。燃氣鍋爐的調(diào)試過程中要加強燃燒器點火程序以及熄火保護裝置的測試,避免出現(xiàn)爆炸要素全部具備的現(xiàn)象,要能對鍋爐的啟停等操作規(guī)范化實施,對爐膛的吹掃工作認真執(zhí)行,保障吹掃的整體質(zhì)量控制。在有沒有點燃的燃料進入到爐膛的時候,就要盡快的放散,避開可燃可爆濃度范圍,提高燃氣鍋爐燃燒系統(tǒng)自動化程度,其中的點火程控以及熄火自動保護等方面都要加強質(zhì)量控制。

(3) 注重裝置熄火保護以及聯(lián)鎖裝置。為保障燃氣鍋爐的使用安全性,就要進行裝置熄火保護以及聯(lián)鎖裝置,這些裝置的設置能自動切斷向爐膛中供給燃料,避免形成爐膛爆炸條件,能起到良好的防爆作用。除此之外,要對鍋爐爐膛的抗爆能力進行加強,裝設必要的防爆門,這樣能對爐膛爆炸的防治起到積極作用。

(4) 設計此類生產(chǎn)場所時,要注意分析各種潛在事故場景,特別要考慮可能暴露在風險中的周圍居民;設計鍋爐時要考慮某些特定條件下會產(chǎn)生高壓的情況;保證最初的組裝質(zhì)量,才能保證設備長久的密封性;鍋爐控制設備的位置和選擇,要與具體生產(chǎn)環(huán)境相適應,保證通過這些設備能對鍋爐進行遠程控制,為生產(chǎn)、測試、檢查和維修提供最佳作業(yè)條件;將氣體檢測設備融入警報系統(tǒng),并聯(lián)通至控制室;對于可能被意外或故意激活的敏感控制設備,使用上鎖或固定系統(tǒng);通過制定恰當?shù)某绦虮苊饪刂圃O備被突然解鎖。


參考資料:
[1]郁振山.法國121起燃氣鍋爐事故匯總分析[J].現(xiàn)代職業(yè)安全,2017(10):97-99.
[2]孟鵬.化工企業(yè)“煤改氣”過程中安全風險識別[J].山東化工,2018,47(03):147-148.