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小型制氧机(制氧设备)工程设计

前 言

    深冷法生产氧、氮和氩等产品的氧气站已非常普及其中氧气产量≤1000m3 / h 的小型氧气站在数量上占据了极高的比例。另外空分液态产品的汽化站也列于小型氧气站范畴其市场份额也正在迅速扩大。

    氧气站中的各类产品都具有一定的特殊性。氧的化学性质极活泼是强氧化剂能助燃火灾危险类别属于乙类氮、氩属于惰性气体不能燃烧却具有窒息性火灾危险类别属于戊类低温液体产品工作温度低于- 183 易发生人员冻伤,而且汽化膨胀倍数可高达近千倍会因急剧升温等因素引发物理爆炸。鉴于以上危险因素的存在国家早在1978 年就颁发了TJ 30 78《氧气站设计规范》并于1991 年将其修订为目前正在使用的GB50030 91《氧气站设计规范》(以下简称《规范》。针对其后设计、建设和使用中不断出现的安全问题国家又于1997 年颁发了GB 16912 1997《氧气及相关气体安全技术规程》(以下简称《规程》。这两个国家强制性标准就是目前氧气站工程设计的主要依据标准。

    近十年来一方面随着制氧工艺技术和自动化控制水平的不断提高尤其是空分设备工作压力成数量级下降以及加氢制氩工艺由全精馏无氢制氩技术取代使得制氧工程变得更为简单和安全而另一方面因为现行标准尚有一些未能覆盖之处,或者有些老的氧气站没能按照标准设计使得许多氧气站存在着一些安全隐患和不规范之处。现就笔者多年来在小型氧气站工程设计实践中遇到的一些要点、难点以及在设计中相应的处理方法和建议做一介绍供业内同行讨论和参考。

1 氧气站的选址

    氧气站的选址除了按照《规范》所列要求外,还应考虑氧气站自身的安全性、合理性和经济性等诸多因素:

    (1) 尽可能离开建筑物和人口稠密区布置;

    (2) 尽可能靠近最大市场或最大用户;

    (3) 考虑周边其他建筑、设施与氧气站的防火、噪声和振动间距;

    (4) 考虑到扩、改建的可能;

    (5) 厂房朝向尽可能兼顾自然通风、采光;

    (6) 吸风口空气洁净。

    此外还应考虑到交通、电力以及供水等因素。氧气站站房与其他周边建筑、设施等的最小防火间距如下站房与重要公共建筑物间距为50m;与民用建筑间距为25m; 与其他耐火等级为一至四级的生产建筑物间距为1014m; 与明火或散发火花地点间距为25m; 与厂内外道路(路边分别为510 15m; 与电力架空线缆的间距为电杆高度的115 倍。

    液氧贮罐与其他周边建筑、设施等的最小防火间距视贮罐容量大小较氧气站厂房略有增加且贮罐周围5m 范围内不应有可燃的沥青路面。

2 氧气站总体布置

    氧气站站址选定后区域内总体布局的优劣就成了影响其日常运行安全性、经济性和使用合理性的关键。

    氧气站总体上由制氧间、贮气囊间、压氧间、灌充间和瓶库等主要生产车间和变配电间、钢瓶检验间、化验间、冷却水循环系统、办公室、门卫和生活设施等辅助部分组成。各生产车间原则上宜布置成独立建筑物但考虑到站区地块限制和尽量减短工程管线可顺应工艺流程程序布置在同一或若干建筑物内。若置于同一建筑物时中间须用耐火燃烧时间不小于115h 的非燃烧体隔离墙和丙级防火门分隔。站区地形条件特殊时也可以采用阶梯状分布各建筑物以减少土建工作量。氧气站作为危险化学品生产场所为避免闲杂人员的进出站区宜设置围墙或栅栏同时设置不少于两个的进出通道。

    生产车间的朝向要求尽可能采光充足、有良好的自然通风一般宜坐北朝南布置。设计时还应考虑主设备的进出、各车间之间的呼应及钢瓶装运的方便。

    与氧气相关的生产、贮存、压缩、灌充和汽化间火灾危险性为乙类其建筑物耐火等级不低于二级。厂房可采用砖混结构也可采用钢架结构。在采用钢架结构时要求钢柱和梁架涂覆阻燃涂料,其中钢柱涂层的耐火燃烧时间不小于2h , 梁架涂层的耐火燃烧时间不小于115h。各生产车间的出入口不能少于两个。

    为方便操作和维护降低厂房建造成本一般把厂房设计成高、低跨其中高跨用于放置精馏塔冷箱。随着设备容量增加当精馏塔冷箱高度过高时宜将冷箱上部分穿出室外放置或者直接贴邻主车间放置。贴邻主车间布置时在相连处预留通道并将冷箱的操作段置于单独的平房内。

    考虑到设备日常维护、检修和吊装高度空间等要求制氧、压氧车间的屋架下檐高度一般为57m。贮气囊间由于不存在检修空间要求可置于同一建筑物内所设的分析化验室、配件库等的二楼从而有效地提高厂房利用率。但贮气囊间须有安全和防火围护措施二楼隔板采用混凝土现浇板。此外也有一些单位用固定容积的金属容器取代贮气囊减少了贮气囊的占地空间增加了系统的安全性气体纯度也得到保证但是会使系统的操作增加一定的难度塔内压力的波动会缺乏一定的弹性所以该容器须具备一定的容积余量。压氧间的氧压机数量超过两台时应独立设置且不与其他房间直接相通。

    灌充间的大小视设备产量和气瓶的周转而定,但当氧气的实瓶数量超过1700 个时灌充间不能再与制氧间设在同一建筑物内必须独立设置于另一建筑物内。

    一般空分设备产量≤180m3 / h 灌充间的装卸平台采用单侧装卸产量超过180m3 / h 时可考虑双侧装卸。当灌充间具有足够面积且实瓶数小于1700 个时可以不再单独设置瓶库。

    氧气站专用的变配电房在《规程》中规定为二级耐火等级的丙类生产建筑物在总体布局时应考虑将其离开主要生产车间10m。二级耐火等级的要求尤其应引起变配电房专业设计单位的注意。当制氧站站区面积有限不允许单独建设专用变配电房、且为10kV 及以下的变配电房时可一面与氧气站建筑贴邻建造但必须用无门窗洞口的防火墙隔开。变配电房的门、窗设置应尽量远离生产车间。

    氧气站冷却循环水系统的设计主要考虑到以下几点:

    (1) 水池的容量结合站区内消防用水管网的设置情况兼顾到消防补充用水的水量储备。

    (2) 水池方位设置结合常年风向考虑冷水池上架设的水冷塔产生的水沫对空压机吸风口的影响如果结合消防用水则还要考虑消防车汲水的安全和便利。

    (3) 抗冻设计寒冷地区应有防止停车时冷却水结冰的措施。

    (4) 水池水位设置小型氧气站冷却水系统大都采用无压回水水池液位应能确保空分设备运行过程中的回水顺畅及停车时管网内剩水的排尽。

    (5) 冷却用水的补给和水质的要求。

    钢瓶检验间不一定每厂都设根据《气瓶安全监察规程》第57 条的规定气瓶检验单位必须经有关部门的资格审查取得资格证书。另外检验间的布局既要接近其空瓶存放场所还要考虑瓶子涂装时油漆的污染和可燃性宜将其设于厂区的边缘且与氧气站站房保持足够的间距。

    许多单独建立的氧气站希望设有相应的办公房而该办公房的属性在相关规范中均没有做出明确表述。在做总体布置时若场地允许则可将办公房与主要生产车间按25m 间距要求布置场地不足时则可考虑将办公房与生产车间相邻较高一面的外墙建成防护墙但不能影响生产车间的采光、通风和自身功能确无可能时则不能再建办公房。

    氧气站内建造辅助的生活设施时应考虑到生活污水的排放和散发火花地点与生产车间的防火间距。一般氧气站的生活设施在未采取有效的防护措施时应按民用建筑归类。

3 氧气站工程管道设计

    小型氧气站所涉及工程管道的输送介质包括氧(液氧、氮(液氮、氩(液氩、污氮气和空气,压力分布范围在01615MPa (G, 下同之间。管道设计时依据不同介质、不同压力和温度条件进行针对性选材、选型设计。

    对照国务院《特种设备安全监察条例》(以下简称:《条例》的规定氧气站中用于输送压力≥011MPa 的气体介质管道或者可燃、易爆和最高工作温度高于或等于标准沸点的液体介质的管道,在公称直径大于25mm 均属压力管道。需要补充说明原国家劳动部颁发的《压力管道安全管理与监察规定》规定“输送无毒、不可燃、无腐蚀性气体其管道公称直径小于150mm , 且最高工作压力小于116MPa 的管道”不属于压力管道。目前在设计实践中采用的管道分类依据是《条例》的规定。

    小型氧气站设计中工程工艺管道大多属于工业管道类别。现分别按流通介质将平时设计过程中最常涉及到的在不同温度、压力条件下公称直径大于25mm 的管道按压力管道的相关规定做如下划分:

    (1) 可燃介质———氧(GBJ 16《建筑设计防火规范》将氧气划分为可燃介质) : ①常温低压氧气管道( < 011MPa) : 如出冷箱的低压氧气管道不属于压力管道②常温低压氧气管道011MPa < 110MPa) : 016MPa 管道输送的氧气管道为GC3级工业管道③常温中压氧气管道110MPa < 410MPa) : 如通常中压氧压机出口用于管道气输送的氧气管道为GC2 级压力管道④常温中、高压氧气管道410MPa) : 如通常高压氧压机出口或者内压缩流程设计的冷箱出口带压的氧气管道为GC1 级压力管道。

    (2) 非可燃介质———氮、氩、污氮和空气①常温低压气体管道( < 011MPa) : 如原料空压机吸入管道、普通流程中出冷箱产品氮气、氩气和污氮气管道等均不属于压力管道②常温低压气体管道011MPa < 410MPa) : 如通常小型空分设备中压缩空气管道、中压压缩机出口用于管道输送的氮气、氩气管道为GC3 级工业管道③常温中压气体管道410MPa < 1010MPa) : GC2 级工业管道④常温高压气体管道1010MPa) : 如通常高压压缩机出口氮气、氩气管道为GC1 级工业管道。

    (3) 低温液体管道的设计低温液体管道均属压力管道。

    管道设计时必须同时遵循管道的设计、安装、检验、试验及验收等规范。

3.1 明确设计参数

    针对不同用户的不同要求空分产品流程和工程配套流程不尽相同。因此必须掌握产品流程特点和理清每一路工程管线的工艺条件根据温度、压力和介质分门别类做好针对性设计。

3.2 管道的选材

    为了保证管网内气流的纯度和严密性并考虑到小型空分设备工艺管道管径普遍较小建设投资的差额不会太大除特殊情况外小型氧气站工程工艺设计中采用的管道均为无缝流体管。

    管道设计人员在做工程管道设计时应在产品流程设计的基础上逐个计算或采用经验类比的方式核定管道公称直径和管道壁厚并依据管线选定与之吻合的弯头、异径接头、三通、管帽、法兰和支架等管件。另外为提高产品安全性和可拆卸性,工程管线上还应根据需要加设安全泄压装置和成对连接法兰或螺纹连接件等。

    低温液体管道(包括液氧、液氮和液氩由于工作温度低法兰、螺纹等连接接口易发生冷缩而导致泄漏所以应尽量采用焊接结构否则须进行冷态紧固和试压。

3.3 管道走向的设计

    工艺管线的路线走向设计要统一考虑到诸多因素。除要遵循相应的法规标准外还必须考虑到其他的相关因素如最短的设计路线、管道的支撑、热胀冷缩的补偿、管道的减振避振、操作和维护检修的便利、可靠性及美观等等。管道设计不合理,不仅会影响到整个外部管路系统的安全稳定甚至还会干扰到正常流程的运行。

3.4 设计时对安装、检验、验收所做的要求

    管道设计时必须对管道的安装、焊接的结构、安装管道的检验以及管道的强度试验、严密性试验做出严格的规定。

3.4.1 焊接要求

    考虑到空分产品的洁净度和管道连接的强度,碳素钢管道的焊接要求以氩弧焊打底手工焊覆盖不锈钢管道焊接用钨极氩弧焊小通径铜管线应顺介质流向采用承插焊结构焊接采用BAg45CuZn 银基焊料及乙炔—氧火焰钎焊。

3.4.2 管道焊缝检验

    管道焊缝的检验应按照介质特性和压力等级进行分类。管道焊缝严格按GB 50235 1997《工业金属管道工程施工及验收规范》和GB 50236 1998《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》规定进行外观检查、渗透和射线照相检查。

3.4.3 管道强度试验、严密性试验

    管道的强度和严密性试验在焊缝检验完毕后进行。

3.4.3.1 管道强度试验

    强度试验介质通常采用干燥、洁净空气、氮气或洁净水。碳素钢管道在采用水为介质的试验时,试验前内壁应进行钝化处理。奥氏体不锈钢管道在采用水为介质的试验时要求水中氯离子含量不得超过25 ×10 - 6 

    (1) 普通管道设计压力≤016MPa 可采用气体为强度试验介质试验压力为设计压力的1115 设计压力> 016MPa 应采用水为强度试验介质试验压力为设计压力的115 倍。

    (2) 氧气管道设计压力≤310MPa 可采用气体为强度试验介质试验压力为设计压力的1115 设计压力> 310MPa 应采用水为强度试验介质试验压力为设计压力的115 倍。

    (3) 当现场条件不允许使用液体或气体进行压力试验时经建设单位同意可同时采用下列方法代替所有焊缝(包括附着件上的焊缝用液体渗透法或磁粉法进行检验对接焊缝用100 %射线照相进行检验。

3.4.3.2 管道严密性试验

    在强度试验合格后进行严密性试验。严密性试验介质通常采用干燥洁净空气或氮气试验压力为设计压力。

    按《规程》的有关要求氧气管道严密性合并泄漏性试验需要保压(设计压力时间为24h , 并要求“其室内及地沟内管道的平均每小时泄漏率不超过0125 % , 室外管道不超过015 %”。但结合小型空分设备特点和氧气站建设规模氧气管道容积很小任一阀门、法兰处的渗漏都将使上述泄漏率超标。事实上在自然通风的情况下微量氧、氮气体的渗漏并不会对氧气站环境及其工作人员造成危害笔者在设计实践中对标准做了适当放宽。

4 氧气站危险源分析

    氧气站属于危险化学品生产场所必须持有危险化学品生产许可证方能生产。气瓶的充装过程是整个氧气站生产过程中危险性最大的环节国家规定气瓶充装须持有气瓶充装许可证。此外根据国务院《特种设备安全监察条例》规定氧气站中的压力容器、压力管道均属特种设备范畴需持证设计、制造和安装。

    按照GB 50058《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》所做的火灾危险区划分液氧储配区、氧气调节阀组间为21 区火灾危险区灌氧站房、氧贮气囊间为22 区火灾危险区。

    液氧储配系统中除了氧的火灾危险以外还因为液氧汽化后的急剧升压存在着物理爆炸的危险该系统的讨论已超出了一般意义上的氧气站制氧生产过程本文不做专门讨论。

    目前小型氧气站所使用的空分设备已与传统意义上的空分设备有着很大的区别随着制氧工艺技术的一步步提高空分设备的工作压力也由以前的10MPa 以上下降到目前的017MPa 左右火灾和爆炸危险性也随之大幅度降低。那么目前氧气站作为危化品生产场所的危险性到底在哪里呢现按照工艺过程做一个大致分析。

4.1 制氧过程

    随着全低压技术和分子筛净化技术的采用空分设备冷箱爆炸的可能性已经很小爆炸所产生的后果也已不再象先前那么严重。制氧过程所能产生的危险主要在于氧、氮等气体的大量泄漏。在一个相对封闭的制氧车间内当氧气泄漏时大量的氧气积聚在车间空间如遇火星等因素触发就会发生爆炸和燃烧而当氮气大量泄漏时则会引起车间内人员的窒息。所以氧气站在设计时往往强调氧气站的通风。

4.2 贮气囊

贮气囊用于调节空分设备与氧压机之间能力平

衡。当操作人员操作不当致使制氧能力长时间大

于压氧能力时贮气囊内压力就会致其破裂。所以

在氧气站设计时一定要设置气囊水封器水封高度

控制在150mm左右以确保气囊内氧气不超压。

4.3 压氧过程

    除了4.所述的气体泄漏造成的危险外压氧过程是一个危险性较大的过程该过程中汽缸内的氧气温度和压力同时升高高温、高压的氧气在任一外界因素触发下均会发生爆炸和燃烧包括氧压机机体自身的烧毁。尤其是目前普遍使用的三级压缩、水润滑、15MPa 的氧压机压缩比大温升高用于保障其安全运行的是循环冷却水和润滑用蒸馏水其中任一路水的缺失都会引起汽缸内温度的急剧升高引发危险。另外氧压机进口管路设置网孔尺寸介于160200μ的过滤器并定期进行拆洗和维护可防止管路中机械杂质的进入避免压缩过程中产生火花。

4.4 低温液体加压汽化过程

    一般情况下低温液体产品先经过低温液体泵加压后再送汽化器汽化随后用于充瓶或管网输送。液体泵进口管路如同压缩机一样需设置进口过滤器。运行过程中严禁出口压力超标设计中应在液体泵出口设置超压报警和联锁停泵装置。无论是空温式或者水浴式汽化器都要严格控制蒸发流量设计中应在汽化器出口设置低温报警和联锁停泵装置以免低温液体或气体进入气瓶或管网致使其发生冷脆或超压而引起爆炸。

4.5 充装过程

    气瓶充装过程是氧气站生产中最危险的环节所在全国每年数起甚至数十起的氧气站爆炸事故基本发生在此环节。除了加强气瓶的管理以外预防事故的发生和减轻事故所产生后果的主要手段还在于充装站的设计气瓶充装速度的控制和钢筋混凝土防护墙的设置。

5 氧气站设计中的若干细节问题

5.1 氧气站防火

    氧气站的防火主要从消防通道、消防供水系统和灭火器材配置等几个方面着手考虑。

5.1.1 消防通道

    GBJ 16《建筑设计防火规范》规定“乙类厂房占地面积超过3000 平方米或乙类库房占地面积超过1500 平方米时宜设置环形消防通道如有困难可沿其两个长边设置消防车道或可供消防车通行的且宽度不小于米的平坦空地。消防车道宽度不小于315 净高度不小于米”事实上小型氧气站厂房和库房占地面积均远未超过上述规定值。在做总体布置时对有条件的单位可环绕主要生产车间布置消防车道条件困难时生产车间单侧必须留有消防车道。消防车道必须能够抵达消火栓和冷却循环水池。

5.1.2 消防供水系统

    在有条件利用站区周边已有公共消防供水系统的氧气站可直接按GBJ 16 的有关规定在站区设置专用消火栓。在没有专门的消防供水系统的站区则可考虑将消防用水和设备冷却用水设置于同一水池且共用个给水管道系统其水池的容量和泵的给水能力可综合设备冷却用水的要求和GBJ16 的有关规定来确定。

    在没有条件建设消防供水系统的特别小的站区可由消防车取水灭火此时以水池或河流为中心的保护半径不应大于150m

5.1.3 灭火器材配置

    氧气站厂房火灾类别为液氧贮罐区为B类。各区域根据GBJ 140《建筑灭火器配置设计规范》规定配置对应种类的灭火器材。

5.2 氧气站防雷

    氧气站站房及其室外的设备、设施应按GB50057《建筑物防雷设计规范》规定设置防雷设施。按照该规范的分类置于露天的液体、气体贮罐属于第二类防雷建筑其防雷的冲击接地电阻不应大于10Ω生产车间、精馏塔冷箱等属于第三类防雷建筑其防雷的冲击接地电阻不应大于30Ω。接闪器的设置以不同的厂房面积和屋顶结构按该规范规定设计。

5.3 防护墙的设置与充装头数

    《规范》规定“灌氧站房充装台应设高不低于2m、厚不小于200mm的钢筋混凝土防护墙”并未规定该防护墙的具体设置形式和方法。防护墙的设置应以保护充装人员及周边其他人员的安全为前提。目前基本上用“  ”型结构把气瓶置于所围成的防护墙之内而灌充器(集气管置于外侧灌充用金属软管穿墙而过。操作人员在充装过程中除了必要的检查外基本上不在防护墙之内。此外为满足防爆性能防护墙墙基必须深入充装平台的地面以下500mm

    为了防止充装速度过快《规范》规定“气瓶的充气速度不得大于8m3 / h , 且充装时间不少于30min对照这一规定生产厂家所配的充装头数普遍偏少。根据氧气站多年的充装实践对于常用的40L 气瓶而言把充装速度限制在每只气瓶充装时间不少于30min 是合适的过慢则经济性变差。需要指出的是有些厂家为了满足零星用户临时对少量瓶子的充装要求而对充装速度不做限制。笔者曾多次遇到有些厂家每瓶的充装时间不足10min 的情况。汽化充装站的情况尤为严重。

    值得一提的是目前灌充器生产厂家所配安全阀安装高度普遍偏低一旦超压起跳所释放出来的气体很容易伤及工作人员。工程设计时应提高阀门安装高度或者加装安全阀放气口导气管至高处放空。

5.4 气体管道地沟、水管地沟与电缆沟的设置

    《规程》规定“严禁氧气管和电缆同沟敷设,且氧气管沟也不得与电缆沟相通”。这是因为氧气比空气略重氧气容易在地沟内积聚而电缆有时因地沟内潮湿接头连接不良等因素易产生火花,故极可能引发火灾。事实上许多老的氧气站没能做到这一点甚至有些新建的站区也有该类现象存在设计上必须避免这类错误。当因场地受限有可能发生两沟交叉时可采用以混凝土或砂子在氧气管套管或电缆护套管外交叉点封堵的办法解决。水管可以与气体管道管路同沟当并行敷设困难时将水管置于地沟下层。地沟底面应设不小于015 %的坡度并且能在最低处将积水排出。

5.5 电气设备防爆

    《规范》和《规程》均规定小型氧气站中的液氧储配区、氧气调压阀组间和灌氧站房、氧气储气囊间分别为21 区、22 区火灾危险区所配套电气设备均要求使用防爆型电气设备。许多场合下有关部门甚至设计单位会要求建设单位对包括制氧间、压氧间等在内的整个站区内全部车间采用防爆电气设备这是一个误区。事实上整套空分设备中有许多的设备本身就并未具备防爆功能。

5.6 环境保护与职业安全卫生

5.6.1 环境保护

    氧气站生产过程自身不产生三废只有少量的生活污水。就氧气站而言环境危害主要是厂界噪声。依据GB 12348 90《工业企业厂界噪声标准》,工业区厂界噪声在昼间和夜间标准值分别为65 55dB

氧气站的噪声源于三方面第一是动设备运转时产生的噪声第二是管道气体的放空噪声第三是气瓶装卸时相互之间或与地面的撞击声。对于动设备发出的噪声除了设备选型时应予以关注外设计上宜将其与外界做适当的隔离。小型空分设备管道气体的放空气量不大在需要时于出口处加装消声器即可一般不需要设置地下缓冲池。事实上,最大的、也是最刺激周边居住人群的噪声源于气瓶的撞击声。从理论上讲气瓶轻装轻卸和单个装卸、瓶身套装防撞、防震圈是最基本的要求但实际操作上往往做不到。野蛮装卸所产生的噪声环保部门测量不到反而对周边居民的影响最大就这点而言已非设计所能控制根本还在于加强管理。

5.6.2 职业安全卫生

    氧气站的职业安全卫生总体除了应注意高浓度气体的中毒、窒息和低温液体的冻伤、车间内噪声以及常规的机械伤害等以外尚无特别之处在设计上主要围绕避免这些伤害展开。需要专门提出的是车间内部通道的设置设计上往往注重车间内部中间的主通道但现实起作用的往往不是这些通道安全事故往往发生在设备的周边所以必须强调预留设备间的空间和设备与墙之间的空间。设计上尽可能在沿墙留有宽度不小于1m 的环形通道。

结束语

    一个氧气站设计的正确、合理与否关乎安全、关乎业主的投入、关乎操作人员数年甚至数十年在操作上是否便利。

    1991 年版《氧气站设计规范》等一些专业规范颁布已有多年在这些年中整个行业已发生了许多变化现有规范在许多方面已经较难满足氧气站设计实践的要求现实对现有规范提出了修改的客观要求也腾出了修改的空间。笔者热切期待同行的交流以期共同提高。