氯气透平压缩机安全风险分析与防范

李 洁 ，曹 颖 ，杨东棹 ，孟 昊 ，李 如 ，徐铭泽

（1.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津300131；2.中国海洋石油集团有限公司）

氯气输送是氯碱生产工艺的工序之一，其输送设备经历了从小型纳氏泵到大型透平压缩机的演变过程，相对于小型纳氏泵，氯气透平压缩机具有输出压力高、压缩比大、运转周期长、易于实现自动化和大型化的优点［1-2］。随着中国氯碱行业的快速发展和生产规模的不断扩大，氯气透平压缩机已被广泛应用在国内的氯碱行业中，属于氯碱行业的核心设备之一，其运行状态直接影响氯碱系统的安全平稳性。但是由于其属于带电和承压设备、动部件多、运行负荷变化大、气体流速大、零部件摩擦损失大、运行中涉及剧毒物质等特点，也容易发生各类生产安全事故，尤其是因氯气泄漏造成人员中毒事故，事故后果极为严重。笔者对氯气透平压缩机运行过程中的安全风险进行了定性和定量分析，并提出了安全对策措施，以期为氯碱企业提供借鉴和参考。

1 氯气透平压缩机工作原理

氯气透平压缩机是一种多级离心式压缩机，主要由进气管、叶轮、扩压器、蜗室等组成，其工作原理是借助于叶轮的高速旋转所产生的离心力对氯气做功，把叶轮旋转的机械能转化为动能，增大气体流速，气体在流经扩压器和蜗壳时速度降低，气体的动能转化为静压能，增大氯气压力，经过压缩的气体再经弯道和回流器进入下一级叶轮，进一步压缩增压，以满足工艺要求［3］。

2 系统安全分析方法

系统安全分析方法即应用系统安全工程评价的方法对系统或工程进行风险分析。本文采用系统安全分析方法之一——定量风险评价法（QRA）对氯气透平压缩机运行过程中的安全风险进行分析。

定量风险评价（QRA）目前已广泛应用于运输、建筑、能源、化工、航空、军事等诸多领域，在安全规划、安全评价及安全设施设计等方面应用尤为普遍。在安全评价领域，定量风险评价即通过对系统或设备的事故概率和事故后果的严重程度进行量化分析，进而精确描述系统的风险，并将量化的风险指标与可接受标准进行对比，提出降低风险的措施［4-5］。

近年来，国内外许多相关组织开发了定量风险评价软件，通过对历史数据的统计及内嵌的数学模型模块，可方便快捷地对事故后果及概率进行分析［5］。本文选用中国安全生产科学研究院开发的《CASST-QRA重大危险源区域定量风险评价软件V2.0》（以下简称“CASST-QRA”软件）对氯气透平压缩机因氯气泄漏引发的人员中毒事故进行定量分析。

3 氯气透平压缩机安全风险分析

3.1 物质危险性分析

氯气透平压缩机中涉及的主要化学品为氯气，根据 《国家安全监管总局办公厅关于印发危险化学品目录（2015版）实施指南（试行）的通知》（安监总厅管三［2015］80 号）［6］，氯气属于危险化学品和剧毒品，其主要危险性见表1。

表1 物料主要危险性

3.2 氯气透平压缩机可能发生的生产安全事故类型分析

本文采用《企业职工伤亡事故分类标准》（GB 6441—1986）对氯气透平压缩机运行过程中可能发生的生产安全事故进行分类，具体内容如下。

1）机械伤害。氯气透平压缩机防护设施缺陷，人体不慎接触压缩机运转部件外露部分，可能发生机械伤害事故。

2）触电。电气设备无保护接零、接地措施或失效，没按规定安装漏电保护器或失灵、线路绝缘损坏、误操作等可能发生触电事故。

3）物理爆炸。选材不合理，设计、制造缺陷，使用过程超压，压力表、安全阀等附件失灵，导致承压设备超压，可能发生物理爆炸事故。

4）噪声。压缩机属于高噪声设备，若不采取消声、吸声、隔声措施，作业人员长期接触高噪声，可造成噪声性耳聋。

5）中毒。因磨损、腐蚀、喘振、超压、设计制造缺陷等原因导致氯气透平压缩机泄漏，进而造成人员中毒事故。

通过以上分析内容可以看出，在氯气透平压缩机运行过程中，可能存在的事故类型有机械伤害、触电、物理爆炸、噪声和中毒，其中机械伤害、触电、物理爆炸、噪声一般影响范围较小，仅对作业人员个体造成伤害，而氯气泄漏引发中毒事故的后果预期将非常严重，本文将采用定量风险评价法（QRA）对该类事故的风险进行定量分析。

3.3 定量风险评价（QRA）

1）事故后果模式分析［7］

氯气发生泄漏后将在大气中进行扩散，形成气体云团，由于氯气具有很强的毒性，将造成一定浓度气体云团范围内的人员中毒。

若泄漏方式为连续泄漏，泄漏速率为Q（kg/s）时，则空间某一点在t时刻的氯气浓度由下式得出:

式中:x为下风方向至泄漏点的距离，m；y，z为侧风方向、垂直向上方向离泄漏点的距离，m；u为风速，m/s；σy、σz分别为y、z方向的扩散参数；t为扩散时间，s。

对于扩散参数σy和σz，这里引用TNO（荷兰应用科学研究组织）有关的公式:

扩散参数a、b、c、d与大气稳定条件见表2。

表2 扩散参数与大气稳定条件

根据上述两个大气扩散公式，结合氯气的毒性特性，即可算出氯气泄漏后造成的毒害区域。本文采用CASST-QRA软件，以某企业年产60万t离子膜烧碱装置为例，对氯气透平压缩机因氯气泄漏引发的中毒事故进行定量风险评价，该软件已内嵌上述毒性物质扩散计算模型。

2）设备简介

某企业年产60万t离子膜烧碱装置氯气透平压缩机设计参数见表3。

表3 氯气透平压缩机设计参数

3）泄漏扩散事故情景模拟

①危险有害物质的选取。氯气透平压缩机设计的主要化学品是氯气，因此，选取氯气为危险有害物质进行模拟计算与评价。

②泄漏源、泄漏方式及泄漏事故规模的选取。泄漏源:氯气透平压缩机。泄漏方式:假定氯气透平压缩机正在正常平稳运行，设备内充满物料，发生连续性氯气泄漏。泄漏事故规模:在氯气透平压缩机工作压力确定的情况下，泄漏事故规模取决于泄漏孔径的大小，具体内容见表4。

表4 氯气透平压缩机典型泄漏事故情景选取

③泄漏持续时间的选取。实际生产过程中，由于采取相关自动控制措施，加之作业现场有人员巡视，泄漏持续时间一般不超过10 min。CASST-QRA软件包按持续泄漏10 min考虑泄漏量。

④模拟气象条件。对气体扩散起主要作用的气象条件包括:风速、风向、大气稳定度、混合层高度、气温等。根据本工程所在区域的自然条件，模拟计算选择正常的气象条件，主要气象环境参数选取见表5。

表5 气体扩散环境参数选取

4）模拟计算结果

利用CASST-QRA软件包内嵌计算模型，在泄漏事故模拟情景下，模拟计算结果见表6。

表6 定量风险评价结果统计

5）模拟计算结果分析

本文应用CASST-QRA软件对某企业年产60万t离子膜烧碱装置氯气透平压缩机开展了定量风险评价工作，得出主要结论如下:

①氯气透平压缩机因泄漏引发人员中毒事故危害相当严重，由表6模拟分析结果可知，当氯气透平压缩机因大孔泄漏（100 mm）引发人员中毒事故时，死亡半径、重伤半径和轻伤半径分别达到84、136、202 m，不仅覆盖了烧碱装置区，还影响到了该企业周边装置区，可能造成大规模人员伤亡。

②氯气透平压缩机因大孔泄漏引发人员中毒属于极端不利事故，发生概率较低，根据CASST-QRA软件提供的数据，泄漏基础概率为10-4量级，但是不排除因磨损、腐蚀等原因造成氯气透平压缩机泄漏的情况，应当引起企业的高度重视。

4 安全风险防范措施

通过对氯气透平压缩机运行过程进行安全风险分析，笔者提出如下防范措施，供企业参考和借鉴［8-10］:

1）氯气透平压缩机工艺配管应设置防喘振回路，防喘振工况指标（压力、流量）应输入联锁信号。2）在采用氯气透平压缩机场合，电解系统氯气总管应设置氯气负压密封槽（负压安全水封），在非正常状态下，可自动吸入空气，防止产生大的负压。3）氯气透平压缩机设置循环水在线分析，及时发现设备泄漏造成的氯气泄漏事故。4）确保润滑油冷却系统的能力和有效性，并对润滑油品质进行定期检测，一旦发现油质异常，应立即停机更换。5）严格控制氯气的含水量指标，配备在线氯气含水检测仪，并定期对检测仪进行校检。6）严格控制密封气品质，特别是含水量指标；保证密封气压力。7）及时检修和更换主机各轴承，防止轴瓦间隙过大引起各密封损坏。8）完善氯气透平压缩机各级氯入口、出口的流量和压力监控报警及切断措施。9）设置事故氯气吸收处理设施；涉氯气现场应配备应急抢修器材和应急防护设备。10）氯气透平压缩机区域应按照《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》（GB 50493—2009）的要求设置氯气有毒气体检测报警器。11）氯气透平压缩机外露的运转部分和有危及人身安全的部位，均应设防护罩。12）氯气透平压缩机应装设短路保护、接地故障保护、过载保护、断相保护、低电压保护等安全设施。13）氯气透平压缩机应采用双电源或双回路供电方式。14）建立健全岗位安全技术操作规程以及安全管理制度；加强对从业人员的安全教育。