煤改气过程中存在的安全风险研究

张文连:




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“煤改气”风险和问题分析

由于我国近几年雾霾污染十分严重,煤改气被看做治霾政策之一,为无色无味的易燃气体,爆炸极限为5%~15%,与空气混合极易形成爆炸性混合物,危险性大,被列为重点监管的危险化学品;在送到最终用户之前,为助于泄漏检测,还要用四氢噻吩、硫醇等来给天然气添加气味。但是天然气带来的事故也很突出,据统计,2017年第一季度燃气爆炸事故就达到196起,第二季度燃气安全事故达到269起,平均每月有89起燃气爆炸事故发生,造成极大的安全隐患,其相应装置的工艺流程、控制手段、操作方式、安全要求与煤作为加热介质时完全不同,安全管控难度明显增大,安全要求随之增高。
2017年1月湖北省枝江市某企业锅炉房内,一台卧式内燃锅炉在调试点火时发生炉膛燃爆事故,造成了2人死亡,7人受伤惨剧。经专家初步分析,该事故是由于使用单位在燃烧器程序控制器正常运行过程中,违规将燃气安全切断阀强行短接通电开启,造成点火前燃气进入炉膛与空气混合达到爆炸极限,当程序控制器运行至点火位时炉膛发生燃爆。
2017年12月山东省潍坊市的日科化学股份有限公司年产1.5万吨塑料改性剂(AMB)生产装置发生爆燃事故,造成7人死亡、4人受伤。经初步分析,事故直接原因是:天然气通过新增设的直接燃烧加热系统串入了干燥系统,并与干燥系统内空气形成爆炸性混合气体,在启动不具备启用条件的天然气加热系统的过程中遇点火源引发爆燃。
这两起事故暴露出企业安全风险意识差,对“煤改气”产生的安全风险辨识不足,是积累问题的集中爆发,给人民生命财产和国家形象带来了严重损害。
1972年6月15日—2007年2月5日间发生在法国的121起锅炉相关事故,其中41起与燃气锅炉相关(天然气、焦炉气、液化石油气等),80起锅炉燃料未知或虽非燃气锅炉但其经验可应用至燃气锅炉的事故。29%发生在冷却系统;26.5%发生在进料管线系统(见表1)。

表1 121起事故的类型和故障设备

燃气发生燃爆事故是由于可燃气体漏入并与空气混合形成爆炸性混合物,这种混合物处在爆炸极限范围时一接触到适当的点火源就会发生爆炸事故。伴随着化学变化,炉内气体压力瞬时剧增,所产生的爆炸力超过结构强度而造成向外爆炸,由于在极短时间内大量能量在有限体积内积聚,造成锅炉炉膛处于非寻常的高压或高温状态,使周围介质发生震动或邻近的物质遭到破坏。燃气爆炸风险识别如下:

(1) 点燃风险
在点火时,如启动操作不当,出现熄火而又未及时切断气源、配气管进行可燃气体吹扫,或打开阀门时喷嘴也点不着火、被吹灭吹扫不彻底、或其他可能使炉膛中存积大量高浓度可燃气体并处于爆炸极限范围内的情况,则再次点火时引燃这些可燃气体,引起爆炸。
(2) 机械故障
气体在锅炉燃烧室的意外聚集也会形成爆炸性环境。这类事故通常发生在锅炉重新开工时。可能的事故场景有:设备出现故障后,仍然使进气管线处于打开状态;调压阀故障;使用电磁阀;进气装置气压过低;锅炉重新开工前预通风故障。因为设备不完善,阀门漏气,没有火焰检测装置和点火灭火保护装置,可燃气体充满炉内点火发生爆炸。
(3) 管道泄漏
由于燃气可燃气体消耗量大,输气管道庞大,有些管道已经腐蚀老化况,如不注意管道的检修和维护,管路发生可燃气体泄露,而造成爆炸事故。部分进气管线泄漏是由锅炉前端的阀门与进料管线连接处失去密封性导致,如连接部件老化,管件存在缺陷,管件损坏都曾引发过事故。此外,处理活动的连接部件和停车装置时须严格按照流程,遵守对应的阀门操作指南。不恰当操作滑门阀就引发了2起事故;锅炉维修后,未用压缩空气或氮气进行密封性测试,或者未关闭法兰就打开进气阀门,引发了1起事故;液化石油气锅炉上的气化器有时也会成为泄漏源,并引发了1起事故。进气管线破裂会导致大量易燃气体泄漏。比如有1起事故就是叉车移动堆积在管线前方的木质货架时,出现失误导致的。气体泄漏可能引发爆炸、火灾,造成人员伤亡和财产损失。12起进料管线泄漏事故中,6起引发了爆炸,5起引发了火灾,且5起中有3起在火灾之后发生了爆炸。锅炉本身也会成为点火源,比如锅炉上的电气部件或锅炉上的动火作业。库尔布瓦火电站事故就是一则典型案例:锅炉进气管线的阀门引发严重泄漏,导致2人死亡。
对于混合气体锅炉和碳锅炉,分析风险时要考虑天然气和碳尘同时点燃的情况,其中就有1起类似事故:锅炉进气管线泄漏,气体高速喷出后发生爆炸,悬浮在空气中的碳颗粒同时被引爆,增加了爆炸威力。1987年美国就发生1起进气管线泄漏事故。当时闪电击中城市中的1个天然气锅炉,击穿了燃气管道上的阀门,导致气体大量泄漏。
(4) 火焰不稳定

如果煤气燃烧器出力过小,火焰就会缩回燃烧器内,发生回火现象,使锅炉运行中火焰不稳定而熄灭;相反出力过大,火焰就会脱开燃烧器,发生脱火现象,此时炉膛处于高温,达到或超过可燃气体与空气混合物的着火温度,就有可能立即发生爆炸。

(5) 热传导液系统事故
在法国勒阿弗尔发电站事故中,1个新锅炉在测试过程中发生爆炸。当时,锅炉金属管的进水中含有碳氢化合物,化合物比水重,在火管内聚集,覆盖住气化器,导致金属管温度升高,之后管线破裂,喷出高压蒸气,锅炉被冲击至10m远处。事故导致1人死亡,17人受伤。

其次,泄漏到锅炉外面的热传导液,会污染环境和排水系统。相关事故场景有:维修期间抽出热传导液;他人肆意破坏;主排水管破裂或过热水泄漏到河流中导致水生动物死亡。锅炉保养时所用物品(清洗剂、阻垢剂和其他腐蚀性物质)的意外泄漏也会污染环境。阀门出现机械故障或蒸气量突然升高后,打开蒸气系统的安全阀会产生巨大噪声,影响周围环境。

多种原因还会导致热水分流管或蒸气分流管撕裂,如土地沉降、管道老化、管道的机械或热量限制(高压和温度)、操作不当引起的故障。虽然通常不会导致人员死亡,但是会引起公众疏散和热水断供。最后,运输热传导液的管道会成为易燃物和与之接触的燃料的点火源。其中1起事故就是,发电站中由于焊接不良,润滑油滴落到运输过热蒸气的管道上,引发火灾。2000年在赞比亚,1条管道因生锈堵塞,导致热量在锅炉内聚集,引发严重火灾,摧毁了事故炼化厂。1994年,德国1条超过550℃的过热蒸气管道破裂,导致6人死亡,1人受伤。

(6) 操作不当

操作人员在锅炉运行时不按照规章制度操作,操作不合理,工作不负责任,检修、值班不按规定进行,容易导致事故发生。在某起事故中,工人缺少故障分析的必要信息,仍然迫使锅炉开工,导致气体聚集,引发爆炸。在敦刻尔克的事故中,火苗控制摄像头损坏,不能检测火苗是否熄灭,之后引发事故。在里昂的事故中,由于调节控制设备失效,技术员无法确定燃烧炉意外停工的原因,之后使锅炉重新开工,导致燃烧室气体爆炸。

(7) 气源供不应求

2016年初发布的“十三五”规划目标是把2020年的天然气占能源消费的比重从2015年的6.2%提高到10%。如果满足这个目标,就要求2017~2020年间每年天然气需求增长都需要达到15%~16%。但需求增长过快,而天然气供给没有及时跟上而造成暂时短缺。对化工企业来讲要做好无气可用的准备,避免出现气源骤停引起安全事故。2018年4月26日国家发展改革委、国家能源局《关于加快储气设施建设和完善储气调峰辅助服务市场机制的意见》再一次强调了2020年“供气企业10%、城镇燃气企业5%、地方日均3天”的储气能力目标;同时提出要构建储气调峰辅助服务市场,加强储气调峰能力建设情况的跟踪调度,对推进不力违法失信等行为实行约谈问责和联合惩戒。





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可以采取的措施和经验做法


(1) 加强工作人员专业培训。燃气锅炉炉膛发生爆炸的事故,主要是由于在工作人员的管理过程中没有加强质量控制,从而出现了误操作判断等问题。所以对此就要加强司炉人员的专业化培训,对其锅炉爆炸的严重性要有深刻的认识,加强工作的责任心以及安全意识等。司炉工作人员对锅炉设备和系统结构性能等方面要有熟悉的认识,能对锅炉的燃烧以及炉膛爆炸的机理等要有基础的认识,在处理问题的能力上要突出。

(2) 加强锅炉施工质量控制。燃气锅炉炉膛爆炸事故的预防措施实施,要从施工过程中的质量控制加强重视,在这一过程中,不仅要能对一般的锅炉安全知识具备,还要能在专业的操作技能方面熟练掌握。燃气锅炉的调试过程中要加强燃烧器点火程序以及熄火保护装置的测试,避免出现爆炸要素全部具备的现象,要能对锅炉的启停等操作规范化实施,对炉膛的吹扫工作认真执行,保障吹扫的整体质量控制。在有没有点燃的燃料进入到炉膛的时候,就要尽快的放散,避开可燃可爆浓度范围,提高燃气锅炉燃烧系统自动化程度,其中的点火程控以及熄火自动保护等方面都要加强质量控制。

(3) 注重装置熄火保护以及联锁装置。为保障燃气锅炉的使用安全性,就要进行装置熄火保护以及联锁装置,这些装置的设置能自动切断向炉膛中供给燃料,避免形成炉膛爆炸条件,能起到良好的防爆作用。除此之外,要对锅炉炉膛的抗爆能力进行加强,装设必要的防爆门,这样能对炉膛爆炸的防治起到积极作用。

(4) 设计此类生产场所时,要注意分析各种潜在事故场景,特别要考虑可能暴露在风险中的周围居民;设计锅炉时要考虑某些特定条件下会产生高压的情况;保证最初的组装质量,才能保证设备长久的密封性;锅炉控制设备的位置和选择,要与具体生产环境相适应,保证通过这些设备能对锅炉进行远程控制,为生产、测试、检查和维修提供最佳作业条件;将气体检测设备融入警报系统,并联通至控制室;对于可能被意外或故意激活的敏感控制设备,使用上锁或固定系统;通过制定恰当的程序避免控制设备被突然解锁。


参考资料:
[1]郁振山.法国121起燃气锅炉事故汇总分析[J].现代职业安全,2017(10):97-99.
[2]孟鹏.化工企业“煤改气”过程中安全风险识别[J].山东化工,2018,47(03):147-148.