空分装置的安全设计探讨

空分装置的安全设计探讨

刘岳

上海科元燃化工程设计有限公司200122

摘要：随着工业的飞速发展，国内空分行业发展迅速，相关部门对空分装置项目的安全监管也越来越严格。本文对空分项目前期的安全设计工作，从总图布局、工艺设备以及工艺消防等几个方面做了分析和探讨。

关键词：空分装置；安全设施设计；总图布置；工艺设备；消防

前言

工业气体被称为是工业的“血液”。随着各行业的飞速发展，工业气体的重要性和作用日益凸显。气体产品作为基础原料，服务于石油化工、金属冶炼制造、环境保护等各个工业领域，应用非常之广，不仅仅涉及到了工业，甚至可以说我们生活的方方面面。目前工业上最常用的气体主要指通过空气分离装置来制取的氧、氮、氩三种气体。如果再进一步提纯还可以得到氪、氙等稀有气体。

机遇当然也就伴随着挑战，尽管空分装置工艺比较成熟，工艺物料也相对安全，但随着近期各类化工项目安全事故频发，可以预料到的，未来的几年，相关部门对空分装置项目的安全监管会越来越严格。相应的，对安全设计的审查要求也会越来越高。下面，笔者结合十年的空分项目设计经验，就空分装置的安全设计工作，从总图布局、工艺设备以及消防设计等几个方面谈一点看法。

一、空分项目的总平面安全设计

目前主流的空分工厂总平面布置，都是按照功能区来划分。以一套完整的日产千吨氧气的空分工厂为例，一般会设置空分主装置区，液化气体存放区，公用工程区，办公区等四个区域。

空分主装置区，是空气分离的主工艺区域，例如冷箱，空气压缩机，预处理系统，膨胀机等都在此区域内。其中冷箱更是核心装置，一旦发生爆炸有可能影响到控制室、分析室内操作人员的安全。

液态罐区储存了大量的氧氮氩液化气体产品，液化的气体一旦发生大量泄漏，迅速蒸发膨胀，可形成一个较大的污染空间，蒸发后会因为吸热形成一个低温区，液氧泄漏可能扩散至办公、主控、发电机房等存在易燃可燃物的区域，有引起火灾的可能。液氮、液氩泄漏可能形成窒息区，有可能对办公、主控等区域内的人员造成伤害。在总平面布置的时候，要考虑风向等因素，合理布置，万一发生泄漏事故时尽量减少这类伤害事故发生造成的影响。

液化气体存放区如果与分析室、控制室相距较近，泄漏的氮气可能对分析室内的工作人员造成影响，严重时可能引起窒息事故的发生；如果距离过远，又会使投资增加很多，同时也不利于操作人员观察现场情况。

空分装置的任何一个装置发生事故均有可能影响相邻的装置。如发生爆炸，相互之间的影响较大，存在引起二次事故的可能。因此合理的总平面布置，不仅能够使装置运行更加合理顺畅，更能够避免某些安全事故的发生。

二、空分项目工艺及设备的安全设计

现在的空气分离行业，工艺已经非常成熟，自动化程度高，装置内各工艺生产设备的主要工艺参数如温度、压力、流量、液位及气体成分等都是进行集中监视、控制及报警。但安全设计永远不是以自动化程度来决定其可靠性。还是需要在设计时将危险有害因素分析清楚，在源头上采取必要措施，来防止安全事故的发生。

空分装置内有大量的液氧或氧气存在，根据《建筑设计防火规范》，空分系统的制氧工段火灾危险性为乙类。因此我们需要在所有氧气介质的工艺管道及设备的材料选用上谨慎一些。举个例子，氧气和液氧与碳钢和不锈钢接触，如果出现火花，可能发生燃爆。因此通常情况下，低压的氧气管道都会选用304不锈钢，流速也会控制在20m/s以下，防止流速过快而产生火花；而对于高压的氧气，特别是某些局部流速会很快的位置，比如安全阀前的三通或支管台，一般会选用蒙乃尔材质。详细的数据和要求都可以在《氧气站设计规范》中查到。另外，氧气遇油脂等易燃、可燃物会发生燃烧爆炸，即液氧管道、设备脱脂不完全可引起燃烧爆炸，因此脱脂是氧气管道和设备施工过程中必须要重视的一道工序。如有条件，建议在现场进行，经检验脱脂合格的设备，应加强保护，防止污染。

除了氧气造成的燃爆事故外，窒息事故是空分厂需要重视的另一个点。在平时检修作业，且氮气氩气可能发生泄漏的位置，加装氧浓度探测器，每次都要保证工作空间的氧浓度在正常范围内方可进入。所有员工驻守的密闭工作空间，例如分析室，也需要设置环境氧浓度探头，以防装置区氮气氩气等泄漏，威胁到室内员工的生命安全。此外，空分塔或者其他低温泵模块，在检修前需要将填充的珠光砂取出，如防护措施不当，珠光砂坍塌，很可能会造成人员窒息。同样充填珠光砂时，如发生泄漏，人员防护不当也会造成窒息事故。所有的安全阀及放空阀，都要在远离操作面的安全区域防空。目前主流的做法，是气相放空向上，排至高出操作面约3米的位置，液相放空向下，排至距地面高度200毫米至300毫米的位置。大量液体向下排空时，要考虑防止液体飞溅或者冲起地面的小石子等杂物伤人，必要时可以设置隔离带。

人在进入氧泄漏区时，吸入40%以上高浓度氧时也有可能引起氧中毒。因此这些富氧区域也要设置氧浓度探头避免此类事故的发生。

除了上面提到的几条，还有一种也是空分装置项目常常会遇到的：低温液体流入碳钢管道或者设备导致的管道设备冻裂的事故。近年来无论国内还是国外，此类事故都有发生，甚至出现过伤人致死的严重后果。究其原因，是对低温报警的重视程度不够。建议所有的不锈钢碳钢材质界面前都设置低温报警装置，且连锁切断阀门，并给予其足够的响应时间。如果条件允许，切断阀后再设置一段不锈钢管道（气体公司的经验长度是30米），万一有低温液体漏过，可以利用此段不锈钢管道使其安全的吸热挥发，不至于影响到后面的碳钢管。若低温报警装置前有气化装置下游的多个支路并入，可能会出现气液混合不均导致探头探测温度不准确的情况。应对方法是可以在探头前多设置几个弯头（2~3个即可），通过多次改变流向使气液尽量混合均匀以保证探头探测数据的准确性。

三、空分项目消防安全设计

水火无情，预防火灾从来都是工程项目安全设计的重中之重。空分装置因为助燃气体氧气的大量生产及存放，消防的重要性更加不可掉以轻心。本着以“预防为主，防消结合”的原则，下面就工艺防火讲一点自己的看法。

作为安置和支撑设备的主体结构，各建构筑的耐火等级、工艺指标要求等必须符合规范要求。一般空分装置的建构筑物耐火等级都要求二级以上（公用工程区域除外），氧气生产和储存的区域，即冷箱和液氧、氧气储罐均为乙类的火灾危险类别，消防设计时需要按此来考虑消防水量和设置相应的消防设备。此外，空压机的润滑油站，以及存放润滑油的原料仓库，需要根据润滑油的物料性质来定义火灾危险类别，通常情况下很大可能是要按照丙类来设计。

设备储罐的支座必须牢固，且为非燃烧体。有爆炸危险的设备，例如主冷凝蒸发器，就需要采用特殊的结构，减少可燃物的集聚。

一般空分装置中的液氧贮存及输送系统为21区火灾危险环境，其余为一般正常环境。工艺设备的电机选型也要考虑到这一点。

结语

“安全第一，预防为主”是当前工程行业要自始至终认真贯彻的方针。工程设计作为一个项目的起始点，更要把安全放在第一位。各大气体公司也应该以更高的标准来要求自己，与设计单位、监管部门通力配合，消除安全隐患，增强装置可靠性，以保证工业气体行业可以安全的、快速的、有序的发展，从而可以更好的为工业发展服务，带来更大的经济效益和社会效选用防爆益。

参考文献：

[1]国家标准规范GB16912-2008深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程GB50030-2013氧气站设计规范GB50016-2006建筑设计防火规范

[2]法液空、林德、普莱克斯、空气化工等气体公司的企业标准（不涉及知识产权保护的部分）