冷却水塔是否需要防爆设计的判断

刘家庆 唐 滨

福陆（中国）工程建设有限公司 （上海 201210）

根据GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》的要求，冷却水塔要进行防爆设计，但由于规范仅为理论要求和设计者的参考，对于设计分析过程缺少具体的解析，设计者在设计阶段容易盲从。本文以实际项目为例，通过对项目可燃物质的分析，管壳式换热器工艺泄漏量的计算，以及如何考虑泄漏的可燃物质对冷却塔的影响，对冷却水塔是否需要进行防爆设计进行分析说明。

1 冷却水塔防爆设计标准要求

工业生产或制冷工艺过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走。冷却塔的作用是使挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，将废热传输给空气并散入大气中。

冷却水塔的结构和原理：需冷却的水在水塔顶部通过管道向下喷洒，水塔壁有吹风机吹入空气，顶部有一个很大的风机，把空气抽出塔顶，从而利于气流流动，加速水的降温。冷却塔的基本原理：干燥的空气经过风机抽动后，自进风网处进入冷却塔内，当水滴和空气接触时，二者直接传热使水的温度降低；另外，水会发生蒸发现象，其中的热量通过蒸发潜热的方式被带走（即蒸发传热），从而达到降温的目的。

工业用热交换设备主要是换热器。通常，生产和制冷工艺过程中产生的废热和冷却水之间的热交换，由管壳式换热器来实现。当管壳式换热器工艺侧压力超过设计值时，有可能导致换热器内部泄漏，高压侧工艺物料将泄漏到低压侧的冷却水系统，污染冷却水系统。当工艺物料泄漏量大时，有可能通过冷却水回水系统输送到冷却水塔，且当泄漏的工艺物料为易燃易爆危险物质时，冷却水塔若没有考虑适当的防爆设计，易燃易爆物质挥发并积聚在风机或电气仪表附近，有潜在的爆炸风险。

根据GB 50058—2014 附录B“爆炸性气体环境危险区域范围典型示例图”第12 项，对于处理生产装置用冷却水的机械通风冷却塔，当划分为爆炸危险区域时，以回水管顶部烃放空管管口为中心，半径为1.5 m 和冷却塔及其上方高度为3 m 的范围可划分为2 区，地坪下泵坑的范围宜为1 区，具体如图1所示。

美国石油协会标准规范API RP 505-2018《1类、0 区、1 区和2 区石油设施电气设备位置分类的推荐实施规程》对于冷却塔的防爆说明和典型图，与GB 50058—2014 基本一致，但是对于冷却塔泵坑有进一步的解释，即冷却塔泵坑如果位于非爆炸危险区域，则不需要划分防爆区域，因为冷却塔泵不考虑为释放源。

根据以上规范要求，在设计者进行实际工程设计时，考虑到工艺侧有可燃物质，会按照标准规范的典型图例将冷却水塔直接划分为爆炸危险区，作为保守设计考虑。但是在实际项目执行阶段，由于可燃物质的物性不同，换热器设计标准不同，若没有符合逻辑的分析说明或者计算数据佐证，仅解释为按照典型图进行设计，不但会受到业主的质疑，也会无形中增加项目成本，导致过度设计。

图1 处理生产用冷却水的机械通风冷却塔防爆划分示意图

2 冷却水塔防爆设计分析步骤

福陆（中国）工程建设有限公司的业主大部分为国外业主，且均为工程经验深厚的大型化工生产企业，如巴斯夫、英威达等，在项目实际设计阶段，首先会对国内、国外设计标准以及业主公司的企业项目执行标准进行对标。在对标阶段，会对规范中的具体设计要求进行探讨，其中在某化工项目中，对于冷却水塔是否考虑为防爆设计，国家标准和企业标准有不同的解释和要求，表现在：国家标准没有具体解释何种情况下冷却水塔可以规避防爆设计，但是该企业标准中，有关于冷却水塔是否考虑为防爆设计的具体分析步骤。

经过探讨和改进，本文以某项目为列，详细介绍项目中对于冷却水塔是否进行防爆设计的具体分析步骤。

（1）确定项目中利用冷却水进行热交换的设备（换热器）的工艺物流中是否含有会形成爆炸性混合物的可燃性气体、液体。

经过分析，该项目丁烷、丁烯、一氧化碳、氢气和辛烷存在于冷却水换热器内，且为易燃易爆物质，具体组分详见表1。

表1 换热器一览表

（2）换热器泄漏量的计算

根据国内外规范和大型化工企业设计标准，换热器管束破裂有可能导致超压工况，无论换热器两侧的设计压力是否一样，都有工艺物料泄漏到冷却水侧的潜在危险。根据API521《压力泄放和减压系统》（2014 年第六版），工艺物料的泄漏量将按照一个管束破裂的通过量来计算。

根据该公司的企业项目执行标准，所有管壳式换热器的低压侧均设置安全泄放阀，然后进行管道破裂工况泄放量计算。该项目考虑的是工艺物料泄漏到冷却水侧污染冷却水系统，以及泄漏量是否会在冷却塔风机处形成爆炸性混合物，出于保守考虑，此泄漏量包括设置安全泄放阀的泄放量，即认为所有泄漏到冷却水侧的工艺介质都会随冷却水回水系统返回到冷却塔。

根据该公司的企业项目执行标准，换热器管束破裂导致超压工况，依据其以往事故经验分析并进行反算得出结论，可以考虑换热管上5 mm 泄漏口径用作超压泄放的相关计算，计算口径的选择遵从图2 所示逻辑树。根据上述泄漏口径分析原则，管壳式换热器E2 可燃气的泄漏量均符合5 mm 口径计算条件，最大为726.2 m3/h（见表2）。

（3）可燃物爆炸下限的计算

因为该项目工艺物流是由多种可燃物质组成的混合物，因此混合物的爆炸下限可以按照莱-夏特尔公式进行计算。

图2 换热器管束破裂计算判断逻辑树

表2 换热器泄漏量

式中：x 为混合可燃气的爆炸极限；P 为混合气中各组分的体积分数，%；N为混合气中各组分的爆炸极限，%。经过计算，4 台换热器的易燃混合物的爆炸下限见表3。

表3 混合物爆炸下限

（4）冷却水塔防爆设计核算

冷却水塔属于第二类全厂性重要设施，应布置在非爆炸危险区域，与生产装置保持足够的安全距离。根据该公司企业项目执行标准的强制条款，冷却塔和工艺装置区的安全距离最小为30 m，因此冷却塔的防爆设计不受临近危险工艺装置区爆炸危险区域划分的影响。

验证冷却水塔是否需要防爆设计，除了需要计算工艺物流的泄漏量外，还需要考虑如下条件：

（1）供货商提供的冷却水塔风机的最小风量

一般在基础设计阶段，供货商的信息可能不够完善，此时建议保守考虑冷却水塔防爆设计，当供货商信息资料可以参考时，比较供货商提供的冷却水塔风机的最小风量。项目设计阶段得到3 家供货商的风机风速数据（见表4），为保守考虑，选择风机风速最低的数据进行计算，即737 604 m3/h。

表4 冷却水塔规格 m3/h

（2）易燃物质的泄漏量

泄漏的易燃物质经过冷却水塔风机最小风量的稀释是否可以达到易燃物质爆炸下限的10%（根据GB 50058—2014 第3.2.2 条－2，可燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限值的10%，以防范局部可燃气体的积聚风险），如若达到，则冷却水塔进行防爆设计。

在计算过程中，依据API521《压力泄放和减压系统》（2014 年第六版）的要求，同时按照以往设计经验，原则上不考虑两个或两个以上换热器同时发生泄漏，否则设计过于保守。

经过上述计算，管壳式换热器E2 可燃气的泄漏量最大为726.2 m3/h，冷却水风机的最小风速为737 604 m3/h。保守考虑，泄漏到冷却水侧的易燃混合物全部挥发，则易燃混合物的稀释体积分数为726.2/737604=0.098%；管壳式换热器E2 易燃混合物的爆炸下限为1.83%，考虑到可燃气体积聚可能，易燃混合物爆炸下限的10%为0.183%；经过计算，易燃混合物的稀释体积分数不会达到易燃混合物爆炸下限的10%。因此，该项目冷却水塔可以考虑为非爆炸危险区域。

3 结语

根据GB 50058—2014 的要求，冷却水塔要进行防爆设计，一般在基础设计阶段，供货商的信息可能不够完善，此时建议保守考虑冷却水塔防爆设计，但希望设计者在设计过程中，不盲从标准规范中的典型示意图。以某项目为列，详细介绍了项目中对于冷却水塔是否进行防爆设计的具体分析步骤，可以给业主和设计团队一个直观的参考，希望对设计人员有所帮助。