劉家慶 唐 濱

福陸（中國）工程建設(shè)有限公司 （上海 201210）

根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》的要求，冷卻水塔要進(jìn)行防爆設(shè)計，但由于規(guī)范僅為理論要求和設(shè)計者的參考，對于設(shè)計分析過程缺少具體的解析，設(shè)計者在設(shè)計階段容易盲從。本文以實際項目為例，通過對項目可燃物質(zhì)的分析，管殼式換熱器工藝泄漏量的計算，以及如何考慮泄漏的可燃物質(zhì)對冷卻塔的影響，對冷卻水塔是否需要進(jìn)行防爆設(shè)計進(jìn)行分析說明。

1 冷卻水塔防爆設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求

工業(yè)生產(chǎn)或制冷工藝過程中產(chǎn)生的廢熱，一般要用冷卻水來導(dǎo)走。冷卻塔的作用是使挾帶廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，將廢熱傳輸給空氣并散入大氣中。

冷卻水塔的結(jié)構(gòu)和原理：需冷卻的水在水塔頂部通過管道向下噴灑，水塔壁有吹風(fēng)機(jī)吹入空氣，頂部有一個很大的風(fēng)機(jī)，把空氣抽出塔頂，從而利于氣流流動，加速水的降溫。冷卻塔的基本原理：干燥的空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)抽動后，自進(jìn)風(fēng)網(wǎng)處進(jìn)入冷卻塔內(nèi)，當(dāng)水滴和空氣接觸時，二者直接傳熱使水的溫度降低；另外，水會發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象，其中的熱量通過蒸發(fā)潛熱的方式被帶走（即蒸發(fā)傳熱），從而達(dá)到降溫的目的。

工業(yè)用熱交換設(shè)備主要是換熱器。通常，生產(chǎn)和制冷工藝過程中產(chǎn)生的廢熱和冷卻水之間的熱交換，由管殼式換熱器來實現(xiàn)。當(dāng)管殼式換熱器工藝側(cè)壓力超過設(shè)計值時，有可能導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部泄漏，高壓側(cè)工藝物料將泄漏到低壓側(cè)的冷卻水系統(tǒng)，污染冷卻水系統(tǒng)。當(dāng)工藝物料泄漏量大時，有可能通過冷卻水回水系統(tǒng)輸送到冷卻水塔，且當(dāng)泄漏的工藝物料為易燃易爆危險物質(zhì)時，冷卻水塔若沒有考慮適當(dāng)?shù)姆辣O(shè)計，易燃易爆物質(zhì)揮發(fā)并積聚在風(fēng)機(jī)或電氣儀表附近，有潛在的爆炸風(fēng)險。

根據(jù)GB 50058—2014 附錄B“爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域范圍典型示例圖”第12 項，對于處理生產(chǎn)裝置用冷卻水的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，當(dāng)劃分為爆炸危險區(qū)域時，以回水管頂部烴放空管管口為中心，半徑為1.5 m 和冷卻塔及其上方高度為3 m 的范圍可劃分為2 區(qū)，地坪下泵坑的范圍宜為1 區(qū)，具體如圖1所示。

美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范API RP 505-2018《1類、0 區(qū)、1 區(qū)和2 區(qū)石油設(shè)施電氣設(shè)備位置分類的推薦實施規(guī)程》對于冷卻塔的防爆說明和典型圖，與GB 50058—2014 基本一致，但是對于冷卻塔泵坑有進(jìn)一步的解釋，即冷卻塔泵坑如果位于非爆炸危險區(qū)域，則不需要劃分防爆區(qū)域，因為冷卻塔泵不考慮為釋放源。

根據(jù)以上規(guī)范要求，在設(shè)計者進(jìn)行實際工程設(shè)計時，考慮到工藝側(cè)有可燃物質(zhì)，會按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的典型圖例將冷卻水塔直接劃分為爆炸危險區(qū)，作為保守設(shè)計考慮。但是在實際項目執(zhí)行階段，由于可燃物質(zhì)的物性不同，換熱器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不同，若沒有符合邏輯的分析說明或者計算數(shù)據(jù)佐證，僅解釋為按照典型圖進(jìn)行設(shè)計，不但會受到業(yè)主的質(zhì)疑，也會無形中增加項目成本，導(dǎo)致過度設(shè)計。

圖1 處理生產(chǎn)用冷卻水的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔防爆劃分示意圖

2 冷卻水塔防爆設(shè)計分析步驟

福陸（中國）工程建設(shè)有限公司的業(yè)主大部分為國外業(yè)主，且均為工程經(jīng)驗深厚的大型化工生產(chǎn)企業(yè)，如巴斯夫、英威達(dá)等，在項目實際設(shè)計階段，首先會對國內(nèi)、國外設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及業(yè)主公司的企業(yè)項目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對標(biāo)。在對標(biāo)階段，會對規(guī)范中的具體設(shè)計要求進(jìn)行探討，其中在某化工項目中，對于冷卻水塔是否考慮為防爆設(shè)計，國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有不同的解釋和要求，表現(xiàn)在：國家標(biāo)準(zhǔn)沒有具體解釋何種情況下冷卻水塔可以規(guī)避防爆設(shè)計，但是該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，有關(guān)于冷卻水塔是否考慮為防爆設(shè)計的具體分析步驟。

經(jīng)過探討和改進(jìn)，本文以某項目為列，詳細(xì)介紹項目中對于冷卻水塔是否進(jìn)行防爆設(shè)計的具體分析步驟。

（1）確定項目中利用冷卻水進(jìn)行熱交換的設(shè)備（換熱器）的工藝物流中是否含有會形成爆炸性混合物的可燃性氣體、液體。

經(jīng)過分析，該項目丁烷、丁烯、一氧化碳、氫氣和辛烷存在于冷卻水換熱器內(nèi)，且為易燃易爆物質(zhì)，具體組分詳見表1。

表1 換熱器一覽表

（2）換熱器泄漏量的計算

根據(jù)國內(nèi)外規(guī)范和大型化工企業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，換熱器管束破裂有可能導(dǎo)致超壓工況，無論換熱器兩側(cè)的設(shè)計壓力是否一樣，都有工藝物料泄漏到冷卻水側(cè)的潛在危險。根據(jù)API521《壓力泄放和減壓系統(tǒng)》（2014 年第六版），工藝物料的泄漏量將按照一個管束破裂的通過量來計算。

根據(jù)該公司的企業(yè)項目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，所有管殼式換熱器的低壓側(cè)均設(shè)置安全泄放閥，然后進(jìn)行管道破裂工況泄放量計算。該項目考慮的是工藝物料泄漏到冷卻水側(cè)污染冷卻水系統(tǒng)，以及泄漏量是否會在冷卻塔風(fēng)機(jī)處形成爆炸性混合物，出于保守考慮，此泄漏量包括設(shè)置安全泄放閥的泄放量，即認(rèn)為所有泄漏到冷卻水側(cè)的工藝介質(zhì)都會隨冷卻水回水系統(tǒng)返回到冷卻塔。

根據(jù)該公司的企業(yè)項目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，換熱器管束破裂導(dǎo)致超壓工況，依據(jù)其以往事故經(jīng)驗分析并進(jìn)行反算得出結(jié)論，可以考慮換熱管上5 mm 泄漏口徑用作超壓泄放的相關(guān)計算，計算口徑的選擇遵從圖2 所示邏輯樹。根據(jù)上述泄漏口徑分析原則，管殼式換熱器E2 可燃?xì)獾男孤┝烤? mm 口徑計算條件，最大為726.2 m3/h（見表2）。

（3）可燃物爆炸下限的計算

因為該項目工藝物流是由多種可燃物質(zhì)組成的混合物，因此混合物的爆炸下限可以按照萊-夏特爾公式進(jìn)行計算。

圖2 換熱器管束破裂計算判斷邏輯樹

表2 換熱器泄漏量

式中：x 為混合可燃?xì)獾谋O限；P 為混合氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)，%；N為混合氣中各組分的爆炸極限，%。經(jīng)過計算，4 臺換熱器的易燃混合物的爆炸下限見表3。

表3 混合物爆炸下限

（4）冷卻水塔防爆設(shè)計核算

冷卻水塔屬于第二類全廠性重要設(shè)施，應(yīng)布置在非爆炸危險區(qū)域，與生產(chǎn)裝置保持足夠的安全距離。根據(jù)該公司企業(yè)項目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制條款，冷卻塔和工藝裝置區(qū)的安全距離最小為30 m，因此冷卻塔的防爆設(shè)計不受臨近危險工藝裝置區(qū)爆炸危險區(qū)域劃分的影響。

驗證冷卻水塔是否需要防爆設(shè)計，除了需要計算工藝物流的泄漏量外，還需要考慮如下條件：

（1）供貨商提供的冷卻水塔風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)量

一般在基礎(chǔ)設(shè)計階段，供貨商的信息可能不夠完善，此時建議保守考慮冷卻水塔防爆設(shè)計，當(dāng)供貨商信息資料可以參考時，比較供貨商提供的冷卻水塔風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)量。項目設(shè)計階段得到3 家供貨商的風(fēng)機(jī)風(fēng)速數(shù)據(jù)（見表4），為保守考慮，選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)速最低的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，即737 604 m3/h。

表4 冷卻水塔規(guī)格 m3/h

（2）易燃物質(zhì)的泄漏量

泄漏的易燃物質(zhì)經(jīng)過冷卻水塔風(fēng)機(jī)最小風(fēng)量的稀釋是否可以達(dá)到易燃物質(zhì)爆炸下限的10%（根據(jù)GB 50058—2014 第3.2.2 條－2，可燃物質(zhì)可能出現(xiàn)的最高濃度不超過爆炸下限值的10%，以防范局部可燃?xì)怏w的積聚風(fēng)險），如若達(dá)到，則冷卻水塔進(jìn)行防爆設(shè)計。

在計算過程中，依據(jù)API521《壓力泄放和減壓系統(tǒng)》（2014 年第六版）的要求，同時按照以往設(shè)計經(jīng)驗，原則上不考慮兩個或兩個以上換熱器同時發(fā)生泄漏，否則設(shè)計過于保守。

經(jīng)過上述計算，管殼式換熱器E2 可燃?xì)獾男孤┝孔畲鬄?26.2 m3/h，冷卻水風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)速為737 604 m3/h。保守考慮，泄漏到冷卻水側(cè)的易燃混合物全部揮發(fā)，則易燃混合物的稀釋體積分?jǐn)?shù)為726.2/737604=0.098%；管殼式換熱器E2 易燃混合物的爆炸下限為1.83%，考慮到可燃?xì)怏w積聚可能，易燃混合物爆炸下限的10%為0.183%；經(jīng)過計算，易燃混合物的稀釋體積分?jǐn)?shù)不會達(dá)到易燃混合物爆炸下限的10%。因此，該項目冷卻水塔可以考慮為非爆炸危險區(qū)域。

3 結(jié)語

根據(jù)GB 50058—2014 的要求，冷卻水塔要進(jìn)行防爆設(shè)計，一般在基礎(chǔ)設(shè)計階段，供貨商的信息可能不夠完善，此時建議保守考慮冷卻水塔防爆設(shè)計，但希望設(shè)計者在設(shè)計過程中，不盲從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的典型示意圖。以某項目為列，詳細(xì)介紹了項目中對于冷卻水塔是否進(jìn)行防爆設(shè)計的具體分析步驟，可以給業(yè)主和設(shè)計團(tuán)隊一個直觀的參考，希望對設(shè)計人員有所幫助。