液氯储间应急通风系统分析与设计

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[摘要] 以某知名外资化工项目中的液氯储罐间建筑内的液氯事故预测分析和量化计算为例，设计相应的应急通风系统。

[关键词] 氯气泄漏，建筑事故分析软件，应急通风系统，系统响应时间

中图分类号：S611文献标识码： A

引言

氯气属于剧毒物质，浓度极低的氯气仍然能对眼睛和呼吸系统的黏膜产生极强的刺激性。由于氯气泄漏事故扩散迅速、预防和事故处置困难、毒性极强、危害范围广等特点，针对具体项目只有全面熟悉氯气的理化性质及储运状态，了解影响氯气泄漏事故造成危害的主要因素，才能有针对性地设计氯气泄漏事故的应急通风系统。

1 工程概况

某知名化工企业聚氨酯项目中由于工艺生产需要,在面积150平米,高22.5米完全密闭的液氯罐储放间内，需要考虑为液氯储罐可能在230秒内释放约2600公斤氯气的事故状态设计一套应急通风和中和吸收装置。该通风系统在正常情况下以设计的10次/小时的换气次数在密闭储放间内维持-50Pa的相对负压，当事故状态下切换通风机以本文内所论述的通风量紧急稀释，排除至碱液吸收装置内中和氯气，以防止大量氯气外泄造成更大规模的事故和影响。在项目设计阶段采用了Bentley HevaComp V8i建筑事故分析软件定量分析了事故发生时可能的泄漏参数，并以此结合以往的工程实践设计应急通风系统。

2 液氯泄漏状况分析

2.1 环境和建筑参数

考虑到设备运行和液氯储藏温度要求，夏季室内温度应不超过夏季室外通风计算温度5°C，Bentley HevaComp软件中项目所在地夏季室外通风计算温度略高于我国相关文献，因此选取了34.9°C作为环境温度基准。

由于此项目不同于其他氯气紧急释放系统中，不会将大量的氯气释放到大气环境中，因此并没有过多的考虑其他气候参数和相对地理位置的影响，也不考虑由于三氯化氮浓度过高产生的整体爆炸情况。

在未发生事故的正常状态下，建筑物室内设计压力选取为-50Pa，根据以往的良好工程实践表明，在-50Pa的室内相对负压状态下，在建筑物护的细小缝隙中产生约1m/s的逆向气流，能够有效防止污染物通过建筑物密封薄弱处外溢到大气环境中。低于-50Pa的负压由于分子热运动和缝隙中的“暂态效应”，导致污染物扩散至外界；高于-50Pa的巨大负压在缝隙周围产生的高速涡流区可能出现局部正压和气流逆转的出现，亦是不合理的选择。

运用CFD技术模拟该项目氯气泄漏状态，输入这幢液氯储罐间建筑的基本信息如下表所示，由于建筑物为单层大挑空建筑，室内照明要求亦略高于普通仓库，因此夏季室内照明热负荷选取50w/m2。

'A'单元 'B'单元

长度 宽度 高度 长度 宽度 高度 'A'单元外表面积 'B'单元外表面积 总外表面积 'A'单元体积 'B'单元体积 总体积

(m) (m) (m) (m) (m) (m) (m2) (m2) (m2) (m3) (m3) (m3)

9 8.6 20 9.6 8.6 25 609.4 820.56 1429.96 1548 2064 3612

2.2 泄漏状态的模拟和计算

关于液氯储罐和管道系统的泄漏大致有以下两种情况：

储罐和管道外壁上不易察觉的微小渗漏，而室内安全的允许浓度是不超过1mg/m3，此类的泄漏风险在项目中通过结合良好工程实践和通风系统设计，加强日常运行管理等手段予以克服，不在本文过多论述。

关于灾难性的泄漏，通过运用动态流体电脑模拟软件Bentley HevaComp V8i，在设定环境参数下计算得出泄漏发生时可能产生的情况，并据此设计符合项目需要的应急通风系统。

设计合理的通风系统，离不开对危险物任何可能情况下意外泄漏的速率地估算。对于不同类型的管道或设备破裂，泄漏的意外，危险物泄漏量可以由下列两个经验公式算得，同时也与Bentley HevaComp软件结合起来综合进行分析判断。

破裂开口宽度小于10mm的泄漏量:

qvc = lc k1(rp)n

qvc = 危险物泄漏的体积流量 (L/s)

lc = 裂缝总长度 (m)

k1 = 单位长度裂缝流量系数 (L.s-1.m-1.Pa-n)

rp = 裂缝内外压差 (Pa)

n = 流量因子

破裂开口宽度大于等于10mm的泄漏量:

qv = CdA(2rp/ρ)0。5

qv =危险物泄漏的体积流量 (m3/s)

Cd = 流量系数

A = 裂口面积 (m2)

rp =裂缝内外压差(Pa)

ρ= 空气密度 (kg/m3)

上边两个公式可以计算出一般性泄漏情况下的最大可能氯气泄漏量，而当整个储罐或管道严重损毁或破坏时的氯气溢出，需要换一种方式进行分析。在利用Bentley HevaComp和Phast simulation事故分析软件进行模拟后，整个储罐的液氯大致在17秒的时间内会完全溢出到地面液氯池内，平均300kg/s。其中约21%的液氯瞬间气化到空气中，约63kg/s。同时进入地面氯液池内的液氯也将持续气化，在事故发生后液氯开始气化后的前17s，气化速率约为72kg/s，相当于氯气26000l/s，远超过一般状态下的通风速率。在这之后随着室内氯气浓度的增加，室内气压与温度的变化，气化率将下降为9kg/s。在这个过程中，2606kg的液氯将在230秒内完全气化成气体，室内的负压由于大量的氯气气化而转为正压。前60秒和完整230秒周期内的释放率可见下表。

时间(s) 持续周期(s) 释放率(kg/s) 释放总量(kg)

0-17 17 73.2 1244.4

17-25 8 14 112

25-43 18 21 378

43-60 17 4.2 71.4

60 1805.8

前60秒释放情况表

时间(s) 持续周期(s) 平均释放速率(l/s)

0-60 60 10737

60-120 120 6119

120-180 180 4579

180-230 230 3910

230秒内释放情况表

3液氯储间应急通风系统设计

在选择应急通风系统类型的过程中，考虑了三种可能可行的方案。

1. 设置一台抽风机，通过连接通风管道连接多个排风点，再通过屋面通风管道在一个位置进行自然补风的系统。

2. 设置一台送风机，通过连接通风管道连接多个送风点，再设置与方案1一样的机械抽风系统，保持室内负压。

3. 设置一台抽风机，不通过连接通风管道连接一个排风点，再再通过屋面通风管道在多个位置自然补风的系统。

下表总结了这三个方案的大致有缺点。通过比较，最终选择方案3为最优系统。

系统 优点 缺陷

1 系统构成最简单 在某些情况下，排风能力会由于位置分散而下降，折衷的系统

2 容易形成优良的空气流态从而有效地排除污染物 系统复杂。 系统能力由送风系统确定； 需要大风量的排风系统来达到室内负压要求

3 系统构成最简单， 可有效地排除污染物 密闭的储间也作为管道系统的一部分，可以维持一个较高负压

三种通风系统方案比较

在考虑应急通风系统之前，在事故未发生的正常状态下，室内同样需要设计一套普通的通风系统，以维持室内-50Pa的相对负压，在综合计算和考虑了负压要求，室内夏季温度不高于室外通风温度5°C等诸多因素，最终选取在普通情况下，室内设计通风换气率为10次/小时。下图显示了通风换气率在10次与15次之间比较，室内温度仅存在0.5°C上下的浮动，因此认为10次/小时的换气率是比较合理的。

换气次数（次/小时） 室外通风计算温度(0C) 室内温度峰值(0C)

10 34.9 37.4

15 34.9 36.9

应急排风系统的流程可见下图，整个内部净高22.5米高液氯储罐间的按不同高度设置四层应急送风管道，由通往屋面的竖向立管利用室内负压补充清洁空气。由于氯气密度大于空气，因此设置位于储间下部的排风口通过两台离心排风机在正常情况下将室内维持一定负压。

液氯储间排风系统流程图

该排风系统分为正常状态和应急状态两种模式，正常状态下，一台为平时正常状态用排风用低压风机对室内进行排风，保持室内约-50Pa的相对负压，作为气体检测系统和应急排风系统响应滞后而导致迅速气化的氯气外溢的裕量，同时防止污染物外溢。并保证在一般状态下，即便存在微量泄露，室内氯气浓度不超过1mg/ m3，该正常运行状态下的排风直接由竖向排风立管直接排放大气。应急状态下，气体检测系统报警并启动应急通风系统，应急风机，氯气洗涤装置和相应管道切换启动，以大风量，超高负压保证任何形式的储罐泄漏事故下，氯气不外溢到室外大气。

为了实现上述两个运行模式的通风系统设计，需要从下列几个方面进行分析，计算:

1. 正常状态下通风量和室内负压的选择计算。

根据在化工领域的一些剧毒气体排放系统的实践，依据毒物等级的不同，室内负压差通常选择在-50Pa～-200Pa之间。这个压力是在不考虑室外风压的情况下实践得到的。而另一个与之相关的参数是建筑物缝隙处由于室内负压产生的流动空气的速度。根据试验，当这个流动速度达到1m/s时，防止污染物外溢的效果是最好的。因此通过1m/s的渗透风速选取了室内正常情况下维持-50Pa的负压，再由该值与建筑物维护结构的信息计算得出通风换气率约为11.2次/小时，即40320m3/h。

在设计阶段要准确了解建筑物维护结构严密程度的信息是非常困难的，它受建筑物形式，材料，高度，地理位置，施工质量等诸多因素所影响。在具体设计计算过程中，我们参考了国外CIBSE守则等的相关经验，在一般情况下，室内外压差维持在50Pa需要约5 m3/h* m2，也就相当于2.1次/小时的换气率，然而根据以往其他国内工程项目中类似气闸的经验，当维持室内负压情况下，50Pa的压差在1.3 m3/h* m2单位面积换气量下能够长时间维持，因此设计取值为2m3/h* m2作为保守估计。下表为设计计算过程中对于不同情况下排风量选择的汇总表。

机械通风率 负压补风率 渗透漏风率 室内负压

(l/s) (l/s) (l/s) (Pa)

11200 8135 3065 -232

15000 10468 4532 -384

17000 11648 5352 -475

当一扇门短暂开启时

11200 3434 7766 -41

15000 4597 10403 -74

17000 5209 11791 -95

正常情况下的室内压力

氯气释放率 机械排风率 负压补风率 渗透漏风率 室内负压

(l/s) (l/s) (l/s) (l/s) (Pa)

26000 11200 0 0 >0

26000 26000 0 0 0

26000 30000 3253 747 -37

26000 30500 3620 880 -46

26000 35000 6720 2280 -158

极端情况下排风率及室内压力变化

氯气释放率 机械排风率 负压补风率 渗透漏风率 室内负压 一扇门开启时室内负压

(l/s) (l/s) (l/s) (l/s) (Pa) (Pa)

10737 11200 428 35 -1 >-1

10737 15000 3447 816 -42 -6

6119 11200 4040 1041 -57 -9

4579 11200 5121 1500 -92 -14

3910 11200 5579 1711 -109 -18

极端情况下排风率及室内压力变化

4 控制系统设计

由上面的计算可知，约72kg的蒸发量相当于26000l/s的气体量将超过通风设备的负荷，然而液氯蒸汽实际上也不会瞬间与室内空气充分混合，如果作假设性计算，每秒蒸发出的氯气在1s内就可与空气充分混合，那么根据建筑物尺寸和通风量，内部氯气的浓度将达到7000ppm。而实际上，要使整个空间都出现较高浓度的氯气，这混合过程是需要时间的。通过上述已知条件Bentley HevaComp和Phast simulation模拟的结果是在地面处的氯气浓度没有超过20ppm，也就是说没有达到美国卫生协会颁发的紧急响应计划守则中的危险等级3级。直至17s将尽，地面高度出现了短暂的局部浓度超过20ppm的情况。由于短暂接触20ppm浓度的氯气并不会立即对人体健康产生危险作用，并且更低的浓度可以使安全接触污染物的时间更长，例如美国职业健康安全委员会规定了10ppm的短暂接触氯气混合物，不会对生命和健康造成危害。因此，用于紧急状态下的氯气洗涤设备的响应时间必须在事故发生后的15秒内，即可满足安全排放的要求。而这15秒的响应时间还和两个因素有关，首先是气体监测系统必须尽早地发现事故，也就是说氯气浓度达到紧急响应计划指南ERPG-3等级的50%限值后，气体传感器才能发出警报，这与传感器与泄漏点相对位置有关，也于室内局部风向有关，这对报警产生了滞后时间；另一个因素是，室内泄漏的氯气，总要在室内混合一部分空气然后通过风管，风机才能被输送到水洗设备，这同样需要占用一定的时间。因此这两个因素互相作用，选取15s的响应时间认为是合适的。

气体探测系统根据工程惯例一般设置在潜在风险较高的管道设备旁和排风管内，在本项目中，液氯储间每层设置12只氯气检测传感器，组成多输入阈值逻辑系统，以满足15s响应时间的要求。

参考文献

[1]液氯使用安全技术要求 AQ3014-2008 北京：国家安全生产监督管理总局，2008.

[2]氯气安全规程 GB11984-2008 北京：国家安全生产监督管理总局，2008.

[3]关于氯气安全设施和应急技术的指导意见 北京：中国氯碱工业协会，2010.

[4]氯中三氯化氮安全规程 北京：国家安全生产监督管理总局，2008.

[5] Reference date, Chartered Institution of building services engineer guide Volume C，2000

作者简介：陈超（1979-），男，上海人，工程硕士，中级工程师，注册暖通工程师，从事化工医药行业暖通空调设计和管理工作。