酒精企业生产装置的安全现状评价（11）
第十一章 锅炉系统安全评价
11.1概述
酒精有限公司为满足酒精生产过程中的蒸汽供应需求，建有锅炉房一座，燃料主要为煤。同时，利用污水处理部产生的副产物沼气作为燃料使用。
本章主要针对锅炉系统中的主要危险、有害因素进行分析评价。
锅炉型号：SHL20-25-400A型。两台。
工作压力：2.45MPa；
蒸汽温度：400℃；
额定蒸发量：20T/H。
燃烧方式：层燃及室燃。
燃料：煤及沼气。
11.2锅炉系统危险、有害因素分析
锅炉系统主要危险、有害因素分析见表11-1。
表11-1 锅炉系统危险源及主要危险性
|
序号 |
系统名称 |
危险源(因素) |
危险性 |
|
1 |
燃气系统、管道阀门等 |
沼气泄漏 |
火灾、爆炸 |
|
2 |
运行中熄火 |
可燃气体聚集在炉膛中 |
爆炸 |
|
3 |
锅炉水位 |
严重缺水 严重满水 |
爆炸、管道水冲击 |
|
4 |
锅炉压力 |
超压 |
受压元件破裂甚至爆炸 |
|
5 |
锅炉腐蚀 |
受压元件，厚度减薄 |
受压元件破裂甚至爆炸 |
|
6 |
锅炉结垢 |
受压元件过热 |
破裂或爆炸 |
|
7 |
水位计 |
水位计故障 |
严重缺水爆炸 严重满水，水冲击 |
|
8 |
安全阀 |
安全阀故障 |
超压爆炸 |
|
9 |
压力表 |
压力表故障 |
超压爆炸 |
|
10 |
水泵、风机、 蒸汽排放 |
噪声 |
伤害健康 |
|
11 |
坑、沟、池井 |
无盖、无栏杆 |
误入伤害人体 |
|
12 |
检修作业 |
未按规程作业 |
人身伤害 |
|
13 |
锅炉平台楼梯 |
无栏杆、无防滑平台 |
坠 落 |
|
14 |
各种电器设备 |
无可靠接地接零系统 |
触 电 |
|
15 |
锅炉本体及 汽水管道 |
高温热源 |
烫 伤 |
|
16 |
照明 |
无照明或照明不足、 无事故照明 |
误伤人体 |
|
17 |
自然灾害 |
洪涝、地震、雷击 |
危及设备人身安全 |
11.3锅炉系统事故树分析
为了科学地分析蒸汽锅炉爆炸事故，并从中得到有益的教训，从而制定出有效防范措施，本章将锅炉超压、锅炉缺水、锅炉结垢、锅炉腐蚀等四个引起锅炉爆炸的主要事件，用事故树分析法加以分析评价，并找出主要防范措施。
为了科学地分析蒸汽锅炉爆炸事故，并从中得到有益的教训，从而制定出有效防范措施，本章将锅炉超压、锅炉缺水、锅炉结垢、锅炉腐蚀等四个引起锅炉爆炸的主要事件，用事故树分析法加以分析评价，并找出主要防范措施。
11.3.1锅炉超压分析
（1）事故树分析
锅炉超压事故树分析见图11-1。
图11-1锅炉超压事故树分析
（2）求最小割（径）集。
用最小割集进行分析，结构函数式为：
T= X1+X2X3 X6 X7 X8X9 X10X11 +X4X5 X12X13 X14X15 X16 X17 X18
最小径集三组，分别为：
（3）结构重要度分析
从3个最小径集看出：X1是单事件的最小径集，X2X3 X6 X7 X8X9 X10X11同时出现在1组最小径集P2中，X4X5 X12X13 X14X15 X16 X17 X18同时出现在1组最小径集P3中,可以得到：
Iφ⑴最大；
Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼＝Iφ⑽＝Iφ⑾；
Iφ⑷＝Iφ⑸＝Iφ⑿＝Iφ⒀＝Iφ⒁＝Iφ⒂＝Iφ⒃＝Iφ⒄＝Iφ⒅
得结构重要度顺序为：
Iφ⑴＞Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼＝Iφ⑽＝Iφ⑾＞Iφ⑷＝Iφ⑸＝Iφ⑿＝Iφ⒀＝Iφ⒁＝Iφ⒂＝Iφ⒃＝Iφ⒄＝Iφ⒅
（４）预防锅炉缺水措施：
通过事故树分析，最小径集3个，从3个径集方案中任何一个缺水事故就可以避免。
通过分析，在18个基本事件中，水位报警器(X1) 失灵是最主要原因，其次是操作人员脱岗(X4)和排污阀故障(X2)。
若能抓住这三个关键，抓住3个预防锅炉缺水的主要环节，能解决这三个问题，缺水事故就基本不会发生。
11.3.3锅炉结垢分析
（１）事故树分析
锅炉结垢事故树分析见图11-3。
图11-3锅炉结垢事故树分析
（2）求最小割（径）集
（1）事故树分析
锅炉超压事故树分析见图11-1。
图11-1锅炉超压事故树分析
（2）求最小割（径）集
用最小径集进行分析，结构函数式为：
T= X1X2X3 X4+ X5+X6 X7 X8X9 X10X11 X12X13 X14X15
从而得到最小径集3组，分别为：
（3）结构重要度分析
Iφ⑸＞Iφ⑴＝Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑷＞Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼＝Iφ⑽＝Iφ⑾＝Iφ⑿＝Iφ⒀＝Iφ⒁＝Iφ⒂
（4）锅炉超压事故原因：
通过事故树分析可知，锅炉超压事故最小割（径）集3个，防止锅炉超压事故的措施有3个方案。
通过分析，在15个基本原因事件中，压力上升(X5)是最主要的原因；其次是安全阀没有定期进行试验(X1)，因而无法避免安全阀因机械原因失效；再者就是操作人员脱岗和巡查、监视不到位。
抓住了这3个原因，就抓住了解决锅炉超压的主要环节。严格按规定检测锅炉附件，加强操作人员的安全意识和责任心，提高操作人员操作技能同样是防止锅炉超压的重要方面。
用最小径集进行分析，结构函数式为：
T= X1X2X3 X4+ X5+X6 X7 X8X9 X10X11 X12X13 X14X15
从而得到最小径集3组，分别为：
（3）结构重要度分析
Iφ⑸＞Iφ⑴＝Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑷＞Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼＝Iφ⑽＝Iφ⑾＝Iφ⑿＝Iφ⒀＝Iφ⒁＝Iφ⒂
（4）锅炉超压事故原因：
通过事故树分析可知，锅炉超压事故最小割（径）集3个，防止锅炉超压事故的措施有3个方案。
通过分析，在15个基本原因事件中，压力上升(X5)是最主要的原因；其次是安全阀没有定期进行试验(X1)，因而无法避免安全阀因机械原因失效；再者就是操作人员脱岗和巡查、监视不到位。
抓住了这3个原因，就抓住了解决锅炉超压的主要环节。严格按规定检测锅炉附件，加强操作人员的安全意识和责任心，提高操作人员操作技能同样是防止锅炉超压的重要方面。
11.3.2锅炉缺水分析
（1）事故树分析
锅炉缺水事故树分析见图11-2。
（1）事故树分析
锅炉缺水事故树分析见图11-2。
（2）求最小割（径）集。
用最小割集进行分析，结构函数式为：
T= X1+X2X3 X6 X7 X8X9 X10X11 +X4X5 X12X13 X14X15 X16 X17 X18
最小径集三组，分别为：
（3）结构重要度分析
从3个最小径集看出：X1是单事件的最小径集，X2X3 X6 X7 X8X9 X10X11同时出现在1组最小径集P2中，X4X5 X12X13 X14X15 X16 X17 X18同时出现在1组最小径集P3中,可以得到：
Iφ⑴最大；
Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼＝Iφ⑽＝Iφ⑾；
Iφ⑷＝Iφ⑸＝Iφ⑿＝Iφ⒀＝Iφ⒁＝Iφ⒂＝Iφ⒃＝Iφ⒄＝Iφ⒅
得结构重要度顺序为：
Iφ⑴＞Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼＝Iφ⑽＝Iφ⑾＞Iφ⑷＝Iφ⑸＝Iφ⑿＝Iφ⒀＝Iφ⒁＝Iφ⒂＝Iφ⒃＝Iφ⒄＝Iφ⒅
（４）预防锅炉缺水措施：
通过事故树分析，最小径集3个，从3个径集方案中任何一个缺水事故就可以避免。
通过分析，在18个基本事件中，水位报警器(X1) 失灵是最主要原因，其次是操作人员脱岗(X4)和排污阀故障(X2)。
若能抓住这三个关键，抓住3个预防锅炉缺水的主要环节，能解决这三个问题，缺水事故就基本不会发生。
11.3.3锅炉结垢分析
（１）事故树分析
锅炉结垢事故树分析见图11-3。
图11-3锅炉结垢事故树分析
（2）求最小割（径）集
事故树结构函数如下:
T=A1+ A2=X1 +X2+B1+ X3+ B2
= X1 +X2+ X4 C1+ X3+ X7+ X8
= X1 +X2+ X4（X5+X6）+ X3+ X7+ X8
= X1 +X2+ X4X5+ X4X6+ X3+ X7+ X8
从而得出7个最小割集为：
图11-4锅炉严重腐蚀事故树分析
T=A1+ A2=X1 +X2+B1+ X3+ B2
= X1 +X2+ X4 C1+ X3+ X7+ X8
= X1 +X2+ X4（X5+X6）+ X3+ X7+ X8
= X1 +X2+ X4X5+ X4X6+ X3+ X7+ X8
从而得出7个最小割集为：
（3）结构重要度分析：
按一次近似计算：X1 、X2、 X3、 X7、 X8是一阶最小割集中的事件，所以Iφ⑴、Iφ⑵、Iφ⑶、Iφ⑺、Iφ⑻最大。
，
所以，各基本事件结构重要顺序为：
Iφ⑴＝Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑺＝Iφ⑻＞Iφ⑷＞Iφ⑸＝Iφ⑹
（4）预防锅炉结垢措施：
通过对事故树的定性分析，本事故有7个最小割集，也就是说，形成结垢的可能性有7种，其中5种可能性是单事件，所以锅炉结垢极易发生，为防止锅炉发生结垢，必须采取以下措施：
①生水不能直接进入锅炉；
②必须采用炉外炉内同时进行水处理，炉外处理要严格控制水质指标，水质不合格的水不得进入锅炉，对交换剂要及时做到活化和更换；
③司炉工必须严格执行操作规程，定期进行排污，适当开启连续排污，保持排污管道畅通。
11.4.4锅炉严重腐蚀分析
（1）事故树分析
锅炉严重腐蚀事故树分析见图11-4。
按一次近似计算：X1 、X2、 X3、 X7、 X8是一阶最小割集中的事件，所以Iφ⑴、Iφ⑵、Iφ⑶、Iφ⑺、Iφ⑻最大。
， 所以，各基本事件结构重要顺序为：
Iφ⑴＝Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑺＝Iφ⑻＞Iφ⑷＞Iφ⑸＝Iφ⑹
（4）预防锅炉结垢措施：
通过对事故树的定性分析，本事故有7个最小割集，也就是说，形成结垢的可能性有7种，其中5种可能性是单事件，所以锅炉结垢极易发生，为防止锅炉发生结垢，必须采取以下措施：
①生水不能直接进入锅炉；
②必须采用炉外炉内同时进行水处理，炉外处理要严格控制水质指标，水质不合格的水不得进入锅炉，对交换剂要及时做到活化和更换；
③司炉工必须严格执行操作规程，定期进行排污，适当开启连续排污，保持排污管道畅通。
11.4.4锅炉严重腐蚀分析
（1）事故树分析
锅炉严重腐蚀事故树分析见图11-4。
图11-4锅炉严重腐蚀事故树分析
（2）求最小割（径）集
直接计算最小割集，事故树结构函数如下：
直接计算最小割集，事故树结构函数如下：
T=X1A1= X1（B1+ B2）= X1（C1+ C2+ X8+ X9）
= X1（X2+ X3+X4+ X5+ X6+ X7+X8+X9）
= X1 X2+ X1 X3+ X1 X4+X1 X5+X1 X6+X1 X7+X1 X8+X1 X9
从而得到8组最小割集为：
11.4锅炉爆炸分析计算
11.4.1锅炉爆炸分析
锅炉爆炸形式有两种：一种是某受压部件(主要是汽包等)遭到严重损坏，锅炉内汽水混合物以极高的速度从破裂处喷射出来，导致锅炉爆炸；另一种是燃料在炉膛内瞬间突然爆燃，导致炉膛爆炸。以下主要针对锅炉爆炸过程及危害进行分析计算。
(1)锅炉爆炸过程
锅炉爆炸两个过程：第一过程是锅炉受压元件，主要是锅筒的筒体或封头等主要受压元件的最薄弱处及焊缝等，由于强度不够，在介质工作压力下发生破裂；第二过程是当锅炉受压元件破裂后，锅炉内的介质，即一定压力下的带有能量的饱和水和饱和蒸汽从破口处急速冲出来，在一瞬间，锅炉内的全部介质从原来的工作压力骤降到一个绝对大气压，饱和水和饱和蒸汽所含的巨大热能使水汽化，使蒸汽体积进一步膨胀，体积可以扩大上千倍，大量的热能转为机械能，形成具有很大破坏力的爆炸。
(2)爆炸危害
锅炉爆炸主要指锅炉汽包内筒体、封头或焊缝破裂引起的爆炸，锅炉在运行状态下，锅炉汽包内水汽所占容积之比一般为5:3，即水所占容积大于汽，若锅炉为上下二个汽包，则上汽包为汽水混合物，下汽包为饱和水。
爆炸所产生的危害主要有二方面：一是锅炉的饱和水和饱和蒸汽膨胀放出的能量引起的危害；二是锅炉内的热蒸汽及部分饱和水迅速蒸发产生大量蒸汽向四周扩散引起的危害。据分析，水容量越大的锅炉，压力愈高，造成的爆炸危害越严重。
11.4.2锅炉爆炸能量计算
（1）锅炉爆炸能量UB计算
公司锅炉型号为SHL20-25-400A型。出蒸汽量Q=20t/h，P=2.45MPa，其正常水容量为26m3以上。
正常运行状态下，锅炉水容积：汽容积=5:3，则汽容积约为16M3以上。2.45MPa饱和蒸汽爆炸能量系数Cs及饱和水爆炸能量系数Cw，通过查表分别为Cs=6.24×106J/m3,Cw=9.56×107J/m3。
爆炸能量UB为饱和蒸汽释放能量US及饱和水释放能量UW之和。即UB=US+UW
US=CSVS=6.24×106×16=9.98×107J/m3
UW=CWVW=9.56×107×26=2.44×109J/m3
UB=US+UW=9.98×107+2.48×109=2.58×109J
（2）TNT当量的计算
将爆炸能量UB换算成TNT当量。取1kgTNT炸药爆炸能量
qTNT=4.5×106J/kg，则
QTNT=UB/qTNT=2.58×109/4.5×106=573(kg)
（3）其他计算
死亡半径R1=11.07（m）
重伤半径R2=31.47（m）
轻伤半径R3=57.37（m）
计算过程与第十章沼气储槽相同，故省略。
（4）小结
故锅炉爆炸时相当573kgTNT威力。爆炸时不仅将锅炉摧毁，而且波及整个厂房、其它设备及人员。
11.4.3锅炉爆炸时高温高压蒸汽占有空间VB′计算
锅炉爆炸时，高压蒸汽迅速膨胀，体积增大，并放出大量热量，在其占有的空间范围内，人员将被烫伤。锅炉饱和蒸汽及饱和水的体积膨胀系数分别为GS和GW，其值通过查表分别为：Gs=17.3，Gw=299。
锅炉爆炸烫伤范围VB′计算：
VB′= VSGS + VWGW
=16×17.3+26×299
=277+7774
=8051m3
设蒸汽以半球形向地面扩散，则其扩散半径RS为
即以锅炉为中心，直径为31.4m，高为15.7m范围内人员受到严重烫伤。
= X1（X2+ X3+X4+ X5+ X6+ X7+X8+X9）
= X1 X2+ X1 X3+ X1 X4+X1 X5+X1 X6+X1 X7+X1 X8+X1 X9
从而得到8组最小割集为：
（3）结构重要度分析：
因为X1在所有最小割集中出现，所以XФ⑴最大，而X2～X9均在最小割集中出现一次，且它们所对应割集阶数均为2，而最大出现次数为1。由此得：
Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑷＝Iφ⑸＝Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼
所以结构重要次序为：
Iφ⑴＞Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑷＝Iφ⑸＝Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼
（4）预防锅炉严重腐蚀措施：
通过对事故树的定性分析，得出8个最小割集，即锅炉腐蚀的可能性有8种。其主要原因为没有定期检查(X1)，其次条件是X2～X9。为防止锅炉严重腐蚀采取以下措施：
①每年必须按规定对锅炉进行定期年检，测定其壁厚，根据检验结果采取相应措施；
②按规定控制运行锅炉炉水碱度和相对碱度，锅炉给水的含氧量必须控制在规定范围内。
③切实加强停炉保养工作，停运锅炉应保持锅炉四周空气干燥
④运行时尽可能少用含硫较大的燃料，并防止尾部低温硫腐蚀。
因为X1在所有最小割集中出现，所以XФ⑴最大，而X2～X9均在最小割集中出现一次，且它们所对应割集阶数均为2，而最大出现次数为1。由此得：
Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑷＝Iφ⑸＝Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼
所以结构重要次序为：
Iφ⑴＞Iφ⑵＝Iφ⑶＝Iφ⑷＝Iφ⑸＝Iφ⑹＝Iφ⑺＝Iφ⑻＝Iφ⑼
（4）预防锅炉严重腐蚀措施：
通过对事故树的定性分析，得出8个最小割集，即锅炉腐蚀的可能性有8种。其主要原因为没有定期检查(X1)，其次条件是X2～X9。为防止锅炉严重腐蚀采取以下措施：
①每年必须按规定对锅炉进行定期年检，测定其壁厚，根据检验结果采取相应措施；
②按规定控制运行锅炉炉水碱度和相对碱度，锅炉给水的含氧量必须控制在规定范围内。
③切实加强停炉保养工作，停运锅炉应保持锅炉四周空气干燥
④运行时尽可能少用含硫较大的燃料，并防止尾部低温硫腐蚀。
11.4锅炉爆炸分析计算
11.4.1锅炉爆炸分析
锅炉爆炸形式有两种：一种是某受压部件(主要是汽包等)遭到严重损坏，锅炉内汽水混合物以极高的速度从破裂处喷射出来，导致锅炉爆炸；另一种是燃料在炉膛内瞬间突然爆燃，导致炉膛爆炸。以下主要针对锅炉爆炸过程及危害进行分析计算。
(1)锅炉爆炸过程
锅炉爆炸两个过程：第一过程是锅炉受压元件，主要是锅筒的筒体或封头等主要受压元件的最薄弱处及焊缝等，由于强度不够，在介质工作压力下发生破裂；第二过程是当锅炉受压元件破裂后，锅炉内的介质，即一定压力下的带有能量的饱和水和饱和蒸汽从破口处急速冲出来，在一瞬间，锅炉内的全部介质从原来的工作压力骤降到一个绝对大气压，饱和水和饱和蒸汽所含的巨大热能使水汽化，使蒸汽体积进一步膨胀，体积可以扩大上千倍，大量的热能转为机械能，形成具有很大破坏力的爆炸。
(2)爆炸危害
锅炉爆炸主要指锅炉汽包内筒体、封头或焊缝破裂引起的爆炸，锅炉在运行状态下，锅炉汽包内水汽所占容积之比一般为5:3，即水所占容积大于汽，若锅炉为上下二个汽包，则上汽包为汽水混合物，下汽包为饱和水。
爆炸所产生的危害主要有二方面：一是锅炉的饱和水和饱和蒸汽膨胀放出的能量引起的危害；二是锅炉内的热蒸汽及部分饱和水迅速蒸发产生大量蒸汽向四周扩散引起的危害。据分析，水容量越大的锅炉，压力愈高，造成的爆炸危害越严重。
11.4.2锅炉爆炸能量计算
（1）锅炉爆炸能量UB计算
公司锅炉型号为SHL20-25-400A型。出蒸汽量Q=20t/h，P=2.45MPa，其正常水容量为26m3以上。
正常运行状态下，锅炉水容积：汽容积=5:3，则汽容积约为16M3以上。2.45MPa饱和蒸汽爆炸能量系数Cs及饱和水爆炸能量系数Cw，通过查表分别为Cs=6.24×106J/m3,Cw=9.56×107J/m3。
爆炸能量UB为饱和蒸汽释放能量US及饱和水释放能量UW之和。即UB=US+UW
US=CSVS=6.24×106×16=9.98×107J/m3
UW=CWVW=9.56×107×26=2.44×109J/m3
UB=US+UW=9.98×107+2.48×109=2.58×109J
（2）TNT当量的计算
将爆炸能量UB换算成TNT当量。取1kgTNT炸药爆炸能量
qTNT=4.5×106J/kg，则
QTNT=UB/qTNT=2.58×109/4.5×106=573(kg)
（3）其他计算
死亡半径R1=11.07（m）
重伤半径R2=31.47（m）
轻伤半径R3=57.37（m）
计算过程与第十章沼气储槽相同，故省略。
（4）小结
故锅炉爆炸时相当573kgTNT威力。爆炸时不仅将锅炉摧毁，而且波及整个厂房、其它设备及人员。
11.4.3锅炉爆炸时高温高压蒸汽占有空间VB′计算
锅炉爆炸时，高压蒸汽迅速膨胀，体积增大，并放出大量热量，在其占有的空间范围内，人员将被烫伤。锅炉饱和蒸汽及饱和水的体积膨胀系数分别为GS和GW，其值通过查表分别为：Gs=17.3，Gw=299。
锅炉爆炸烫伤范围VB′计算：
VB′= VSGS + VWGW
=16×17.3+26×299
=277+7774
=8051m3
设蒸汽以半球形向地面扩散，则其扩散半径RS为
即以锅炉为中心，直径为31.4m，高为15.7m范围内人员受到严重烫伤。