燃气导热油锅炉房的设计探讨

杨文平,许景寒

(1.湖北省化学工业研究设计院,湖北 武汉 430073;2.湖北省缘达化工工程有限公司,湖北 武汉 430073)

在化工项目中,经常有温度超过200 ℃的生产过程需要用导热油来加热,而作为配套提供加热导热油的设施就是导热油锅炉房。燃气导热油炉作为化工项目中最常见的类型,在设计过程中经常需要向总图、建筑、电气等专业提工艺条件,对于导热油锅炉房的火灾危险性类别判定、是否属于明火地点、爆炸危险区域划分这几个问题一直存在争议,也影响着导热油锅炉房的准确设计,本文就这三个方面的问题进行探讨并对导热油锅炉房的安全设计要点进行了总结,为类似的工程设计提供参考。

1 导热油锅炉房的火灾危险性类别的判定

由《建筑设计防火规范》GB 50016—2014(2018版)第3.1.1可知:生产的火灾危险性应根据生产中使用或产生的物质及其数量等因素划分[1]。因此在讨论导热油锅炉房火灾危险性之前有必要先对导热油的性质进行了解,某企业导热油的性质一览表如表1。

表1 某企业导热油性质一览表

由表1可知导热油是丙类可燃液体。另外根据《有机热载体》GB 23971-2009可知导热油是可燃介质,火灾类别为丙类,目前行业内对于导热油为可燃液体这一点并无争议,但是在设计过程中关于导热油锅炉房的火灾危险性类别的划分存在乙类、丙类及丁类这三种观点。

1.1 丁类火灾危险性的划分依据

有观点认为导热油锅炉房火灾类别是丁类,其主要是依据《建筑设计防火规范》GB 50016—2014(2018版)。在GB 50016条文解释表一中明确列举了锅炉房属于丁类,该规范没有说明是何种锅炉,因此目前设计上很多采用此条文进行设计。

根据《锅炉房设计标准》GB 50041—2020第15.1.1条中对锅炉房的火灾危险性按照不同功能间进行了分类,其中锅炉间为丁类,油箱间等属于丙类,调压间属于甲类[2]。对于燃气锅炉房,不存在用作燃料的储油间,调压间只是用于燃气调压,燃气只存在于管道中并不储存,因此按照建规GB 50016第3.1.2条规定,由于燃气量较少整个锅炉房建筑的火灾危险性依旧可以按照危险性低的锅炉间划分为丁类。但是该规范主要适用于蒸汽锅炉和热水锅炉,不适用导热油锅炉房的设计。

导热油锅炉明显不同于蒸汽锅炉,前者热媒为导热油,后者热媒为水蒸汽,即使均采用天然气作为燃料,导热油锅炉房设计过程中通常还有导热油低位槽、注油泵、导热油循环泵、导热油膨胀槽等丙类设备,显然将导热油锅炉房整体定为丁类是不恰当的。

也有观点认为根据《导热油供热站设计规范》SY/T 7405—2018第13.1.1条导热油锅炉房属于丁类,根据第13.1.1条:日用油箱间(燃料油)属于丙类生产厂房;燃气调压间属于甲类生产厂房;炉前操作间属于丁类生产厂房[3]。这与GB 50041的规定相同,从该规范可以看出,炉前操作间火灾危险性类别划分未考虑导热油火灾危险性的影响,但是规范并没有说整个导热油锅炉房属于丁类,并且化工项目中低位油槽与高位油槽等设备所占锅炉房建筑面积小于5%的情况几乎不存在,利用炉前操作间的火灾危险性类别决定整个锅炉房的火灾危险性显然值得商榷。

现行规范没有明确说明导热油锅炉房整体属于丁类,因此建议设计过程中仍需要考虑导热油的火灾危险性的影响。

1.2 丙类火灾危险性的划分依据

还有观点认为导热油炉房火灾危险性类别是丙类,其主要依据是《建筑设计防火规范》GB 50016—2014(2018版),由于导热油属于可燃液体,闪点大于60 ℃,其火灾危险性为丙类。导热油本身是用作加热的媒介,不作为燃料,按照建规GB 50016第3.1.1条锅炉房火灾危险性应为丙类。

1.3 乙类火灾危险性的划分依据

也有观点认为导热油炉房火灾危险性类别是乙类,其主要依据是很多时候导热油炉的工作温度达到300 ℃,此种情况下,导热油的工作温度多是超过闪点。按照《石油化工企业设计防火标准》GB 50160—2008(2018版)中的规定,超过闪点的丙B类液体火灾危险性应视为乙B类[4],通常在导热油锅炉房中锅炉间的面积占比是最大的,按照建规的规定,导热油炉的火灾危险性类别应为乙类。

综上,导热油锅炉房的火灾危险性存在丙类和乙类的情况,不建议划分为丁类。具体的火灾类别划分应该以导热油炉的工况和采用的设计标准确定。

2 导热油锅炉是否属于明火点的判定

对于锅炉房中导热油炉是否属于明火地点一直有较大的争议,因为一旦定为明火地点,其与其他建构筑物尤其是甲乙类建构筑物的防火间距要按明火地点考虑,GB 50016甲类厂房、乙类厂房与明火点的间距均为30 m,而非明火地点与甲乙类厂房的防火间距仅为12 m,显然是否为明火地点对防火间距的要求影响较大,因此导热油炉是否属于明火点的讨论很有必要。

根据规范GB 50016,明火地点指室内外有外漏火焰或赤热表面的固定地点。不少设备制造厂家及项目建设方认为导热油炉现在的制造水平已经相当高了,其燃烧均可以控制在燃烧室内进行,燃烧室为密闭构造,不存在外漏火焰,另外设备、管路均有良好的保温也不存在炽热表面,因此导热油炉可以不作为明火地点。

但是石化规GB 50160除了明火地点之外还有明火设备的概念,明火设备是指燃烧室与大气连通,非正常情况下有火焰外露的加热设备和废气焚烧设备。一般的燃气导热油炉均是由鼓风机将大气中空气送入燃烧室与燃气混合,显然燃烧室可以认为是与大气相通的,因此导热油锅炉可以认定为明火设备。

在笔者接触的安全评价单位还有设计单位中都是将导热油炉作为明火设备,其与周边的间距按明火地点考虑。为了项目顺利通过各项审查程序,建议锅炉房按照明火地点进行设计。

3 导热油锅炉房锅炉间是否划为爆炸危险区域的判定

目前存在观点认为,导热油火灾危险性类别是丙B类,操作温度超过闪点按照GB 50160第3.0.2条,其火灾危险性类别应视为乙B类,按照《爆炸危险性环境电力装置设计规范》GB 50058—2014第3.1.1条其可以不划为爆炸危险区域,因此导热油锅炉房除了调压间其余区域均不应划为爆炸危险区域。

笔者认为此观点存在两方面的问题:一方面在化工项目设计中,并不是所有的项目总平面布置设计都执行GB 50160,如项目设计过程中本身不执行此规范,仍将超过闪点的导热油按照此条划分火灾危险性显然是不妥的;另一方面,依据GB 50058第3.3.1条第4款规定:当可燃液体闪点≥60 ℃时,在物料操作温度高于可燃液体闪点的情况下,可燃液体可能泄漏时,其爆炸危险区域的范围宜适当缩小,但不宜小于4.5 m[5]。一个建筑物的火灾危险性与爆炸危险区域划分没有必然联系,例如有些甲、乙类场所如可燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限的10%时可不划为爆炸危险区域,还有些丁、戊类建筑中有少量易燃易爆甲、乙类物质的场所需要划分爆炸危险区域,因此,笔者认为对于锅炉房要根据实际情况来确定是否划分爆炸危险区域。

还有观点认为导热油锅炉属于明火设备,按照GB 50058第3.2.2条第三款规定,导热油锅炉附近可以不划为爆炸危险区域。现行规范对于“明火设备附近”没有明确的数值,唯一给出这个数值的规范就是《石油化工企业生产装置电力设计技术规范》SH/T 3038—2000第4.2.6条提到明火的设备周围1.5 m,但在后来更新的SH/T 3038—2017中删除了1.5 m的距离要求[6],更新后的内容与GB 50058第3.2.2条一致。这个修改可能是由于明火设备类型太多、设备制造水平差异也较大,因此规范未将此距离作具体规定。虽然规范未明确具体数值,但是这个数值显然不可能太大。

因此,在导热油工作温度超过其闪点的情况下,建议导热油锅炉房的锅炉间离锅炉本体1.5 m以外的释放源场所应该划为爆炸危险区域,其爆炸危险区域范围可以按照4.5 m半径进行设计。

对于工作温度小于等于导热油闪点的情况,导热油锅炉房的锅炉间可以不划为爆炸危险区域。

4 燃气导热油锅炉房的安全设计要点

4.1 总图

燃气导热油锅炉房应布置在靠近热负荷比较集中的区域,这样能够使导热油供热管道尽可能短,经济上更合理,供整个厂区使用的燃气导热油炉房应独立布置[7],并布置在爆炸危险区域以外。由于导热油炉属于明火设备,布置在可能散发可燃气体的场所和设施的全年最小频率风向的下风侧[4],与周围建构物的防火间距除了考虑火灾类别的因素外,还应考虑明火的因素。如采用GB 50160进行总平设计,供全厂使用的导热油炉房还应按全厂二类重要设施考虑。

4.2 工艺及管道

燃气导热油锅炉典型工艺流程如图1。导热油系统应设置膨胀槽,膨胀槽的设计压力不低于0.2 MPa,安装高度应高于导热油使用系统最高点3.0 m左右,且应确保在位于设计允许的最低液位时导热油循环泵不发生汽蚀,膨胀槽不得位于锅炉的正上方。闭式膨胀罐应设置安全阀,安全阀起跳压力可以设定为膨胀槽设计压力的0.93倍。导热油储油罐的设计压力不低于0.2 MPa,设置在单独的储油间内与锅炉间采用防火隔墙分隔,导热油管道穿墙部位应采用防火封堵。

导热油系统应设置氮气等惰性气体置换和保护系统,氮气的供气压力不低于0.3 MPa。与导热油管道及设备直接连接的氮气管道应设置止回阀和两道切断阀,止逆阀应该按照与导热油管道同一压力等级进行设计。

导热油管道应选用无缝钢管,管材性能不应低于《低中压锅炉用无缝钢管》GB/T 3087—2022中的20#钢,压力等级不宜低于PN25。

导热油管道的设计温度不应低于导热油最高工作温度加上30 ℃之和。管道设计流速不应高于2 m/s。

导热油锅炉的进口管道应装设一道切断阀,并应在进口切断阀和出口切断阀之间装设安全阀,安全阀的排出口宜接至储油罐。

导热油管道在布置时应考虑温度引起的应力问题,设计时应按照规定进行应力分析,并采取相应的补偿措施。

导热油管道不应横跨锅炉上方,位于人员通道上方的管道不设置法兰和阀门,净高不低于2.2 m。

供工艺生产使用的导热油管道应该按照《压力管道规范工业管道》GB/T 20801—2020进行设计、安装、报检,其压力管道类别应划为GC2(锅炉范围内的管道除外)。

图1 典型燃气导热油炉工艺流程图

4.3 自控

导热油燃烧器应设置点火程序控制和熄火保护装置。导热油系统应设置联锁保护装置,当导热油出现超温、超压、燃气压力过高、过低、循环泵故障等能够自动报警,并联锁停止燃烧器。

燃气调压间、炉前燃烧器燃气切断阀组应设置可燃气体浓度检测报警器,并与燃气供气管道切断阀、燃烧器和事故风机联锁,一旦发生泄漏,自动切断阀门,停止燃烧器。

4.4 土建

燃气导热油锅炉房的建筑耐火等级不应低于二级,安全疏散出口不宜少于两个。锅炉间、储油间及辅助用房之间采用防火隔墙,隔墙上开设的门为甲级防火门。锅炉房抗震设防类别为重点设防类。燃气锅炉房使用天燃气,锅炉房需计算泄压面积(建筑面积10%)。采用轻钢屋面泄压,泄爆压力≤50 kPa,质量不超过60 kg/m2。

4.5 电气

导热油锅炉房的用电负荷等级应该按照不低于二级负荷进行设计。锅炉房应设置应急照明。导热油供热站室外线路宜采用电缆直埋地敷设,室内线路采用电缆穿热镀铮焊接钢管保护采用桥架架空敷设。有2区气体的爆炸危险场所,防雷按第二类防雷要求设防。

4.6 暖通

导热油锅炉房的锅炉间使用天然气燃料,因可能会发生天然气泄漏,有爆炸危险。锅炉间和燃气计量间设置机械通风,平时通风换气次数为6次/h,事故通风换气次数不小于12次/h。锅炉房的风机均选防爆型,防爆等级同电气一致。防爆风机及风管应设置导除静电的接地措施。防爆风机的传感器及执行器采用本质安全型。事故风机与室内设置的有毒或可燃气体报警联锁控制。

4.7 消防

锅炉房内应设置消火栓,室内消火栓栓口距地面或楼板面1.10 m。锅炉房灭火器配置场所的危险等级为严重危险级,建筑的火灾种类按B类考虑,应设置手提式或推车式磷酸铵盐干粉灭火器。

5 结语

1)导热油锅炉房的火灾危险性类别划分与采用的设计标准及导热油的工作温度有关,设计过程中应根据实际情况来确定;导热油锅炉属于明火设备,设计时需要按明火地点考虑;导热油锅炉间是否划分爆炸危险区域应根据导热油的工作温度来确定。

2)高温导热油具有较大的危险性,且导热油在运行过程中其热稳定性会逐渐变差,闪点也会逐渐降低,因此导热油锅炉房的准确设计十分重要。只有在导热油锅炉房设计前对基础资料和设计条件进行充分研究,在设计过程中严格按照安全设计要点进行设计, 才能够从源头预防和减少安全事故,有利于提升项目的本质安全水平。