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莱钢炼钢厂转炉煤气系统安全性评价

孙继先，樊章新，刘鹏云

（莱芜钢铁股份有限公司炼钢厂，山东莱芜271104）

摘　要：

莱钢炼钢厂应用美国道化学公司火灾爆炸指数法对转炉煤气回收系统进行安全性评价，评价结果表明，通过“安全补偿”，系统固有危险等级由“非常大”降到“较轻”，甚至接近于“安全状态”，说明在科学管理和控制下可以降低风险级别，从而为有目标、有方向地预防和控制煤气事故提供决策依据。

关键词：

转炉煤气系统；安全评价；危险系数；单元；定量

中图分类号：

TF088　　文献标识码：

SafetyEstimationofConverterGasSystem

attheSteel-makingPlantofLaigang

SUNJi-xian，FANZhang-xin，LIUPeng-yun

（TheSteel-makingPlantofLaiwuIronandSteelGroupCo.Ltd.,Laiwu271104,China）

Abstract：

ThefireexplodeindexofAmericanDowChemicalCo.isusedinsafetyevaluatingofconvertergassystematthesteel-makingplantofLaigang.Theevaluationresultshowsthattheinhererisklevelsofsystemmaybecutdownthroughsafetycompensation.Thelevelcanbereducedfromrarebiggertosmaller,evennearthesafetystate.Itdeclaresthattherisklevelcanbecutdownunderthescientificmanagementandcontrol,thusprovidesthedecisionmakingbasisforobjectivepreventinganddirectivecontrollingthegasaccidents.

Keywords：

convertergassystem；safetyestimation；hazardcoefficient；unit；fixedquantity

1前言

　　美国道化学公司（DowChemicalCo.）的火灾、爆炸指数评价法主要用于评价工艺装置及所含物料的潜在火灾、爆炸和反应性危险。

指数评价法使系统结构复杂，用概率难以表述的危险性单元评价得以定量评价、定量处理后模糊信息用具体数据定量表达，从而使评价结果较准确地反映危险程度，从而为有目标、有方向地采取相应的预防、控制措施提供了决策依据。

　莱芜钢铁股份有限公司炼钢厂（简称莱钢炼钢厂）转炉煤气系统，包括转炉煤气回收与加压输送两个子系统，利用美国道化学公司火灾爆炸指数法（第7版）进行评价（见表1），从评价结果来看，两个子系统单元的工艺单元危险系数非常大，按危险评价等级都列为“危险非常大”一级，但经过“安全措施系数”进行补偿，修正后的危险级别都降为“较轻”等级，说明在科学地组织、管理、控制之下可以降低风险级别。

表1F&EI值及危险等级

F&EI值

1～60

61～96

97～127

128～158

>159

危险等级

最轻

较轻

中等

很大

非常大

2　建立评价单元安全评价工艺模型

2.1　转炉煤气回收系统

　　转炉煤气回收系统包括35t转炉本体3座及其汽化冷却系统、烟气净化系统、转炉煤气回收三联件（三通切换阀、水封逆止阀、旁通阀）、放散烟囱。

转炉煤气回收系统在冶炼过程中转炉本体产生的炉气经活动烟罩捕集、汽化冷却系统降温、烟气净化系统除尘后成为合格转炉煤气，经除尘风机提压后输入2万m3煤气柜。

不合格的烟气通过烟囱放散。

工艺流程见图1。

图1转炉煤气回收工艺流程

　　依据对转炉煤气生产过程的工艺分析，确认整个回收系统为危险单元。

从活动烟罩开始到除尘风机的入口系统处于负压段（-0.0～-14.6kPa），风机出口处于正压段（2.40～2.67kPa）,系统存在火灾爆炸的可能，所以整个系统都列为主要的爆炸、火灾危险场所。

2.2　转炉煤气加压、输送系统

　　加压站包括2万m3干式橡胶布帘煤气柜1座，400m3/min的加压机3台，以及辅助设施。

2万m3煤气柜中的转炉煤气经加压机提压到10～15kPa后送往用户，见图2。

根据加压站工艺过程的分析，加压站区主要危险源为2万m3煤气柜，工艺生产过程的危险来自于加压生产，加压站区为主要火灾、爆炸、有毒物质扩散的危险区，以此为危险单元进行危险性评价。

图2转炉煤气加压输送系统

3　危险评价技术程序

　　危险评价技术程序模型见图3。

图3危险评价技术程序模型图

3.1　物资系数的确定

　转炉煤气系统其工艺物质为转炉煤气，其组分主要为CO，参照《危险评价方法及其应用》附录《物质系数和特性表》，得物质系数为21。

3.2　确定一般工艺危险系数

　　基本危险系数：

给定值为1.00。

　　放热反应：

危险系数范围为0.30～1.25，本单元炉口烟气温度为1450℃，转炉烟气产生的过程为剧烈氧化反应，冶炼反应一旦失控会出现严重的爆炸事故，参照美国道化学公司火灾爆炸指数法（第7版），取危险系数为1.00。

　　物料处理与输送：

危险系数范围为0.25～1.05，取危险系数为0.50、0.50。

　　密闭式单元或室内工艺单元：

危险系数范围为0.25～0.90，取危险系数为0.50、0.25。

　　通道：

危险系数范围为0.20～0.35，转炉煤气回收系统中的烟气净化系统通道狭窄，层高不足，取危险系数为0.35，加压站区有通道设置，对火灾消防作用重要，但防毒功能不足，取危险系数为0.20。

　　排放和泄爆控制：

取危险系数为0.50。

　　一般工艺危险系数F1为基本危险系数与所有危险系数之和，各单元的F1值如表2所示。

操作状态为设计—开车—正常操作—停车。

3.3　确定特殊工艺危险系数F2

　　基本危险系数为1.00

　　毒性物质：

毒性物质的危险系数为0.2N,CO的Nh为3,故该项危险系数为0.60。

　易燃范围及接近易燃范围的操作：

根据指南，转炉煤气回收系统回收过程中一直处于爆炸极限范围内，其危险系数为0.30；煤气柜有泄露的可能，取危险系数为0.40。

　　过程失常或吹扫故障：

根据指南，取危险系数为0.30。

　　一直在燃烧范围内：

根据指南，转炉煤气回收系统及加压系统操作系统中含有一定量的氧气，存在爆炸的可能，故取危险系数为0.20。

　　粉尘爆炸：

根据指南，回收系统和加压系统不可预见的危险因素很多，分别取危害系数为1.00和2.00。

　　易燃及不稳定物质的质量及燃烧热：

回收系统：

以转炉煤气回收量为420m3/min计，10minCO的物质量为：

3200kg。

同样，加压站区工艺过程的物质量和燃烧热同回收系统。

表2转炉煤气回收、加压二单元火灾、爆炸指数

项目

煤气回

收系统

煤气加

压系统

备注

操作状态

设计—开车—正常操作—停车

选定代表性物质

1物质系数MF

2一般工艺危险

危险系数值域

基本系数

1．00

⑴放热化学反应

0．30～1．25

1．00

炉前大喷可导致工艺失控

⑵吸热反应

0．20～0．40

⑶物料处理与输送

0．25～1．05

0．50

系统二单元都存在负压段

⑷密闭式或室内工艺单元

0．25～0．90

0．50

0．25

⑸通道

0．20～0．35

0．35

0．20

通道不符合要求

⑹排放和喷爆控制

0．25～0．50

0．30

0．50

一般工艺危险系数F1

3．65

2．45

3特殊工艺危险

基本系数

1．00

⑴毒性物质

0．20～0．80

0．60

⑵负压（＜66.66Kpa）

0．50

⑶易燃范围及接近易燃范围的操作

惰性化——未惰性化——

⑴罐装易燃液体

0．50

0．30

0．40

⑵过程失常或吹扫故障

0．30

⑶一直在燃烧范围内

0．80

0．20

⑷压力

操作压力（绝对压力）kpa

释放压力（绝对压力）kpa

⑸易燃及不稳定物质的质量

物质质量kg

物质燃烧热Hc（kJ/kg）

3200kg

2432kJ/kg

3200kg

2432kJ/kg

10166kJ/kg

a工艺中的液体及气体

0.04

b贮存中的液体及气体

0.14

c贮存中的可燃固体及工艺中的粉尘

（6）腐蚀及磨损

0.10～0.75

0.50

0.20

（7）泄露—接头和填料

0.10～1.50

1.50

（8）使用明火设备

1.0

0.5

（9）热油热交换系统

0.15～1.15

（10）转动设备

0.50

风机房风机、炉前活动烟罩、加压站加压机

特殊工艺危险系数F2

6.94

7.38

工艺单元危险系数F3=F1*F2

25.33

18.08

火灾、爆炸指数F&EI=F*MF

531.95

379.68

根据能量值（X）与危险系数（Y）的曲线方程：

　　lgY=0.17179+0.42988（lgX）-0.37244（lgX）2+0.17712（lgX）3-0.029984（lgX）4

（1）

查“工艺中的液体或气体危险系数图”得危险系数为0.04。

以2万m3煤气柜正常贮气量为1.5万m3计，根据能量值（X）与危险系数（Y）的曲线方程：

　　lgY=-0.289069+0.472171（lgX）-0.074585（lgX）2-0.018614（lgX）3

（2）

查“储存中的液体或气体危险系数图”得危险系数为0.14。

　　腐蚀与磨损：

危险系数范围为0.10～0.75，参照指南，取回收系统危险系数为0.50，加压系统为0.20。

　　泄露—连接头和填料处：

危险系数范围为0.10～1.50，根据指南，回收系统水封组及风机后、加压站橡胶布帘，泄露几率较大，故取危险系数为1.50。

　　转动设备，根据指南，取危险系数为0.50。

　　特殊工艺危险系数F2等于基本危险系数与各项选取危险系数之和，各单元的F2值如表3所示。

3.4　单元危险系数F3

　　F3是一般工艺危险系数F1和特殊工艺危险系数F2的乘积，各单元的F3值如表3所示。

3.5　计算火灾、爆炸（有毒）指数F&EI

　　火灾、爆炸（有毒）指数是单元工艺危险系数F3和物质系数MF的乘积，各单元火灾、爆炸（有毒）指数见表3。

3.6　确定单元危险系数DF

　　危害系数DF的方程根据MF值不同，由F3值决定DF值，F3最大值取8.0，带入下式：

　　Y=0.340314-0.076531（X）+0.003912（X2）-0.00073（X3）（3）

4　各单元安全措施补偿系数计算

4.1　工艺控制安全补偿系数C1

　　应急电源：

根据指南，回收系统设有无间接保护电源，取补偿系数为0.98，加压站区为Ⅱ路供电，补偿系数取0.98。

　　紧急切换/断装置：

补偿系数范围为0.60～0.80，回收系统紧急切换装置系计算机自动控制，取0.60；加压站区紧急切断装置由人工控制，取0.75。

　　CO浓度监测：

补偿系数范围为0.70～0.80，煤气回收系统设置固定式CO报警仪和便携式CO报警仪，取值为0.75、0.70。

　　泄爆/放散装置：

补偿系数范围为0.84～0.98，回收系统可实现手动、自动放散，加压站区在煤气柜体设置放散管，取值分别为0.92、0.98。

　　计算机控制/监护：

煤气回收、加压系统实现计算机控制和监护，取值分别为0.90、0.92。

　　操作程序/事故方案：

补偿系数范围0.85～0.98，取值为0.88、0.85。

　　成分自动/人工分析：

补偿系数范围为0.91～0.98，转炉煤气系统设有煤气成分自动分析仪和奥氏成分分析仪，取值为0.96、0.94。

　　人员素质：

补偿系数范围为0.80～1.00，取值分别为0.85、0.80。

　　其它工艺危险分析：

补偿系数范围为0.91～0.98，危险的可控不仅与岗位作业人员有关，与

　　管理者的业务指导、监护力度都有关系，取值0.92。

　　C1值的计算为以上各系数值之积，计算结果见表3。

表3工艺控制安全补偿系数C1

项目

补偿系数范围

回收系统采用补偿系数

加压系统采用补偿系数

应急电源

0.98

紧急切换/断装置

0.60～0.80

0.60

0.75

CO浓度监测

0.70～0.80

0.75

0.70

泄爆/放散装置

0.84～0.98

0.92

0.98

计算机控制/监控

0.85～0.99

0.90

0.92

操作程序/事故方案

0.85～0.98

0.88

0.85

成分自动/人工分析

0.91～0.98

0.96

0.94

人员素质

0.80～1.00

0.85

0.80

其它工艺危险分析

0.91～0.98

0.92

0.2412

0.2728

4.2物质隔离安全补偿系数C2

　　遥控放散装置：

补偿系数范围为0.96～0.98，转炉煤气回收系统由计算机控制和手动控制放散，取值为0.97。

　　排空装置：

补偿系数范围为0.96～0.98，回收系统可实现自动排空，且可以实现N2置换，故取0.97。

　　排放装置：

补偿取值范围0.91～0.91，无论正常检修还是出现系统故障，回收系统皆可实现自动或手动排放，取值为0.9、0.95。

　　联锁装置：

设置联锁装置给定补偿系数为0.98，转炉煤气系统设置了可靠的联锁装置，取值为0.98。

　　C2值的计算为以上各系数值之积，计算结果见表4。

4.3　防火设施安全补偿系数C3

　　泄漏监测装置：

补偿系数取值范围为0.94～0.98，取值分别为0.95、0.94。

　　钢质结构：

补偿系数范围为0.95～0.98，取值分别为0.96、0.97。

表4物质隔离安全补偿系数C2

项目

补偿系数范围

回收系统采用补偿系数

加压系统采用补偿系数

遥控放散装置

0.96～0.98

0.97

排空装置

0.96～0.98

0.97

排放装置

0.91～0.97

0.96

0.95

联锁装置

0.98

0.8852

0.8760

　　消防水供应系统：

取补偿系数0.94。

　　特殊灭火系统：

取补偿系数为0.91。

　　洒水灭火、水幕、泡沫灭火、普通灭火系统：

补偿系数取值见表5。

　　电缆防护：

根据指南，取补偿系数为0.95。

表5防火设施安全补偿系数C3

项目

补偿系数范围

回收系统采用补偿系数

加压系统采用补偿系数

泄漏检测装置

0.94～0.98

0.95

0.94

钢质结构

0.95～0.98

0.96

0.97

消防水供应系统

0.94～0.97

0.94

特殊灭火装置

0.91

洒水灭火系统

0.74～0.97

0.96

水幕

0.97～0.98

0.98

泡沫灭火装置

0.92～0.98

0.98

手提式灭火器/喷水枪

0.93～0.98

0.95

0.93

电缆防护

0.94～0.98

0.95

0.6491

0.6353

　　转炉煤气回收系统、加压系统二单元安全措施补偿系数，计算结果为：

　　安全措施补偿系数=C1·C2·C3

　　回收系统安全措施补偿系数：

C1·C2·C3=0.1386

　　加压系统安全措施补偿系数：

C1·C2·C3=0.1518

　　由表3可知：

回收系统火灾、爆炸危险系数为53195，其固有的危险性即火灾、爆炸（有毒）危险性为“非常大”，经安全措施修正后为7373，则危险性降为“较轻”。

加压站区火灾、爆炸危险系数为37968，危险性为“非常大”，经安全措施修正后为57.64，则危险性降为“最轻”。

5　各工艺单元危险分析汇总

5.1　确定暴露半径

　　火灾、爆炸事故视为全方位扩散的主体圆柱形破坏，2万m3煤气柜中心为代表性危险源，回收系统以转炉中心，计算暴露半径。

　　暴露半径：

Y=0.84X×0.3048（m），X=F&EI

　　回收系统暴露半径：

Y1=0.84×531.95×0.3048=136.2（m）

　　加压系统暴露半径：

Y2=0.84×379.68×0.3048=97.2（m）

　　暴露面积：

πR2

　　回收系统暴露面积A1=19500m2

　　加压系统暴露面积A2=13000m2

5.2　暴露区域内财产损失

　　转炉煤气回收系统一旦发生爆炸事故，不仅有固定资产的直接损失，还应包括恢复重建停工造成的间接生产损失。

参照莱钢炼钢厂1999年“3.10”事故，暴露区域内财产损失为800万元。

加压站损失灾害可能来自于橡胶布帘的火灾甚至爆炸，橡胶布帘系易燃物品，以1994年工程结算造价1500万元计，则损失价值1230万元。

5.3　计算基本最大可能财产损失—基本MPPD

　　基本最大可能财产损失是根据多年来开展损失预防积累的数据来确定的，它以危害系数DF值的计算依据，即：

　　基本MPPD=暴露区域内财产损失×DF

　　计算结果见表6。

表6转炉煤气系统二单元危险分析汇总

项目

转炉煤气回收系统

转炉煤气加压系统

1.物质系数MF

21（CO）

2.火灾、爆炸指数（F&EI）

531.95/73.73

379.68/57.03

3.暴露半径/m

136.2

97.2

4.暴露面积/m2

14562

7418

5.暴露区内财产损失/万元

800

1230

6.危险系数DF

0.523

7.基本最大可能财产损失（基本MPPD）

420

640

8.安全措施补偿系数C1·C2·C3

0.1386

0.1502

9.实际最大可能财产损失（实际MPPD）

100

10.最大可能停产天数（MPDO）

120

11.停产损失BI/万元

7600

230

5.4　实际最大可能财产损失—实际MPPD

　　实际最大可能财产损失见表6。

可见，转炉煤气系统其防护措施比较完善，安全措施补偿系数C1·C2·C3乘积值很小，这样以补偿系数为计算依据的实际最大可能财产损失数值较小。

5.5　最大可能工作日损失MPDO

　对于转炉煤气回收系统参照莱钢炼钢厂1999年“3.10”事故，转炉系统的最大可能工作日损失为20天。

　根据指南，加压站区最大可能财产损失MPPD系火灾、爆炸危险造成，符合道化学公司计算指南，由于安全补偿措施得当，危险的可能性低于70%，根据指南，查表求得最大可能停工天数MPDO为120天。

5.6计算停产损失BI

　　停产损失按下式计算：

　　BI=VPM×0.70×MPDO/30

　　式中VPM—每月产值；

　　0.70—固定成本系数。

　　转炉煤气回收月产值以120万元计，每座转炉回收转炉煤气直接产值以120/3万元计，转炉冶炼产值以年产300万t钢，吨钢价格以2000元计，则每座转炉的月产值约为17000万元，则回收系统BI约为7600万元，加压系统BI约为230万元。

6　结论

　　通过应用美国道化学公司火灾、爆炸指数评价法对莱钢炼钢厂转炉煤气系统进行危险指数评价，得出转炉煤气系统固有危险系数非常大，为保证转炉煤气系统发挥正常效用，必须加强管理。

从安全措施补偿系数可知，经安全补偿，将危险等级降到了“较轻”的等级程度，接近于“安全状态”。

但是，企业也应正确对待此“指数评价法”评价结果，生产过程中任何微小的隐患都可能导致较大的事故，所以，还必须利用已积累的经验，不断加强管理，完善保安措施，使系统接近于“安全状态”。

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