李發(fā)東

(中國石化安全監(jiān)督部，北京 100728)

0 前言

隨著國家對(duì)環(huán)保的日益重視，相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，為滿足國家法律法規(guī)的要求，各煉化企業(yè)開始大面積實(shí)施油品儲(chǔ)存系統(tǒng)VOCs收集與治理工程，高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保措施同時(shí)也給安全提出了更高的要求。常壓儲(chǔ)罐會(huì)進(jìn)入空氣，在本身結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉的罐中，油品揮發(fā)易形成爆炸性氣體。罐內(nèi)硫化亞鐵、加熱爐、活性碳床層自燃、熱氧化爐和靜電等都是點(diǎn)火源，長(zhǎng)管道輸送會(huì)促進(jìn)爆燃轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，一處發(fā)生火災(zāi)，爆炸可能快速通過總管蔓延到其它儲(chǔ)罐，從而帶來群罐重大火災(zāi)爆炸事故[1-2]。按照風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，對(duì)氣相連通罐組重大火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估，開展基于風(fēng)險(xiǎn)的氣相連通罐組的安全設(shè)計(jì)和日常運(yùn)行管理，可避免設(shè)計(jì)過度或不足，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 評(píng)估方法介紹

石油化工設(shè)施定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)包括保護(hù)層分析(LOPA)、故障樹(FTA)、事件樹(ETA)、可靠性框圖、馬爾可夫模型和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(QRA)等方法。對(duì)一般的生產(chǎn)裝置和設(shè)施，可采用保護(hù)層頻率量化方法(HAZOP與LOPA方法的結(jié)合，簡(jiǎn)稱HALOPA方法)，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)事故發(fā)生的頻率、后果和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。保護(hù)層頻率量化方法(HALOPA)為一種半定量方法，基本原理為HAZOP模型、保護(hù)層洋蔥模型和事件樹模型，如圖1所示(圖中箭頭寬度代表后果頻率大小，箭頭長(zhǎng)度代表后果嚴(yán)重性，PFD表示要求的失效概率)。

圖1 HALOPA事件樹模型

圖1中具體的原因?yàn)橐l(fā)過程發(fā)生偏差的直接原因，也稱為觸發(fā)事件(Initiating event)。按照瑞士奶酪模型，該偏差進(jìn)一步發(fā)展，將按時(shí)間先后順序挑戰(zhàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的各種保護(hù)層，當(dāng)偏差穿過各保護(hù)層的漏洞并遇到合適的條件(如點(diǎn)火、外部阻塞環(huán)境、低溫等)時(shí)，安全事故就會(huì)發(fā)生。該模型假設(shè)每一個(gè)安全保護(hù)層之間相互獨(dú)立，在面臨挑戰(zhàn)時(shí)都存在失效的可能。當(dāng)觸發(fā)原因處于低需要模式，即發(fā)生頻率不超過1次/a或小于第一道保護(hù)層測(cè)試頻率2倍時(shí)，采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

fI——初始事件I的發(fā)生頻率，次/a；

Penable——使能條件(Enabling conditions)的概率值，值為0～1；

PFDIj——第j個(gè)獨(dú)立保護(hù)層在需求時(shí)的失效概率值，值為0～1；

Pcondition——導(dǎo)致事故最終后果的各種條件概率值，值為0～1。

氣相連通罐組的風(fēng)險(xiǎn)控制準(zhǔn)則遵循中國石化風(fēng)險(xiǎn)矩陣標(biāo)準(zhǔn)，該風(fēng)險(xiǎn)矩陣體現(xiàn)了企業(yè)的容忍安全風(fēng)險(xiǎn)和可接受安全風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則。按照氣相連通罐組不同事故的等級(jí)，提出以下風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 罐頂氣相連通不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下的發(fā)生頻率標(biāo)準(zhǔn) 次/a

2 群罐燃爆風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估方法

對(duì)于各類油品儲(chǔ)罐增加氣相連通管線和VOCs治理裝置后，其安全防控級(jí)別需要提高，因?yàn)檎麄€(gè)儲(chǔ)罐組都通過氣相連通管線連接成一個(gè)整體，安全風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)需要防止群罐火災(zāi)。按照中國石化安全風(fēng)險(xiǎn)矩陣，群罐火災(zāi)可歸為失控的火災(zāi)爆炸事故。連通的總罐容越大，連通儲(chǔ)罐數(shù)量越多，則群罐火災(zāi)下事故損失越嚴(yán)重。因此罐頂油氣連通應(yīng)根據(jù)群罐火災(zāi)及其可能的經(jīng)濟(jì)損失判斷可能的事故等級(jí)，并采取表1的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估步驟如下。

2.1 確定氣相連通罐組群罐火災(zāi)事故等級(jí)

根據(jù)氣相連通罐組總罐容，劃分群罐火災(zāi)事故后果等級(jí)見表2。

表2 氣相連通罐組群罐火災(zāi)事故等級(jí) m3

2.2 氣相連通罐組燃爆事件的初始頻率

氣相連通罐組燃爆事件的初始頻率為不考慮燃爆防控措施前的事件發(fā)生頻率。根據(jù)國際油氣生產(chǎn)組織(OGP)對(duì)石油石化儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)的事故統(tǒng)計(jì)，單個(gè)儲(chǔ)罐發(fā)生內(nèi)部燃爆的事故發(fā)生可能性為10-4～10-3次/a之間[3]。對(duì)于氣相連通罐組，采用式(2)進(jìn)行初始事件頻率計(jì)算：

(2)

式中：fj——第j類儲(chǔ)罐發(fā)生內(nèi)部燃爆的初始事件頻率，次/a；

nj——j類儲(chǔ)罐的個(gè)數(shù)。

不同火災(zāi)危險(xiǎn)性儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)的初始事件頻率見表3。

表3 不同儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)的初始頻率 次/a

2.3 采用關(guān)鍵安全措施后的實(shí)際發(fā)生可能性

為了防止群罐火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，工程上采用了層層防護(hù)，采取防護(hù)措施后的事件發(fā)生可能性可采用式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：fR——采取措施后事件發(fā)生的可能性，次/a；

PFDj——第j種防止群罐火災(zāi)的安全措施要求時(shí)的失效概率，值為0～1。

主要采取的措施及其PFD見表4。

表4 關(guān)鍵安全措施的要求時(shí)的失效概率(PFD)[4]

3 應(yīng)用案例

假設(shè)某一氣相連通石腦油儲(chǔ)運(yùn)罐組，采用每個(gè)儲(chǔ)罐直接連通切斷閥方案(圖2)。單個(gè)儲(chǔ)罐容積為3 000 m3，儲(chǔ)罐數(shù)量8個(gè)，每一個(gè)儲(chǔ)罐采用單罐單封的氮?dú)饷芊庑问?，各?chǔ)罐氣相支線設(shè)置滿足要求的管道爆轟型阻火器，儲(chǔ)罐設(shè)置氧含量在線監(jiān)測(cè)，并采取了有效的防點(diǎn)火措施，包括進(jìn)入油氣處理設(shè)施前使用阻火器，風(fēng)機(jī)為整體防爆型，氮封儲(chǔ)罐呼吸閥阻火器為長(zhǎng)時(shí)間耐燒型。

圖2 直接連通共用切斷閥方案

評(píng)估結(jié)果見表5。

由表5可見，最終的風(fēng)險(xiǎn)水平為一般風(fēng)險(xiǎn)。由于工程上已經(jīng)采取了可能采取的措施，并滿足ALARP原則，該風(fēng)險(xiǎn)可以接受。

4 其他安全要求

由于群罐火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)損失巨大，影響嚴(yán)重。在工程設(shè)計(jì)和日常管理上需要嚴(yán)格管控，以下安全事項(xiàng)是氣相連通罐組風(fēng)險(xiǎn)可接受的前提條件。

表5 氣相連通罐組群罐火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

a) 做好污水池VOCs的處理。污水池雖然加蓋進(jìn)行了封閉，但密封不嚴(yán)，且很少有氮封。在抽氣過程中，污水池呈負(fù)壓狀態(tài)，廢氣中富含空氣。污水池的特點(diǎn)是平時(shí)烴濃度很低，但烴濃度波動(dòng)非常大(排入污水池的物料不易控制)，當(dāng)烴濃度較高時(shí)，污水池內(nèi)部處于爆炸氣體環(huán)境，遇到點(diǎn)火源易發(fā)生密閉空間的火災(zāi)爆炸事故，近年來多次發(fā)生污水池閃爆事故證實(shí)了污水池的危險(xiǎn)性。為了降低污水池系統(tǒng)對(duì)罐區(qū)的安全影響，對(duì)于污水池、污水收集及處理系統(tǒng)，應(yīng)單獨(dú)設(shè)置收集系統(tǒng)和處理裝置。

b) 對(duì)于裝置內(nèi)的儲(chǔ)罐，為防止裝置內(nèi)的廢氣反竄到儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)，以及火災(zāi)爆炸事故的相互影響，裝置內(nèi)的儲(chǔ)罐不能與罐區(qū)共用一個(gè)收集管道。對(duì)于儲(chǔ)存過程中需要與含氧(空氣)氣體接觸的物料儲(chǔ)罐、未設(shè)船岸安全界面的碼頭，這些設(shè)施的VOCs氧濃度難以控制，波動(dòng)大，易形成爆炸性氣體。因此應(yīng)設(shè)置專用收集系統(tǒng)。

c) 從安全角度考慮設(shè)置氮封的儲(chǔ)罐與未設(shè)置氮封的儲(chǔ)罐原則上不應(yīng)共用收集管道。但未設(shè)置氮封的儲(chǔ)罐通常儲(chǔ)存物料的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性，需要與其它設(shè)置氮封的儲(chǔ)罐共用一個(gè)收集總管，可采取氧含量檢測(cè)聯(lián)鎖補(bǔ)氮、氧含量高高切斷等措施，防止混合后在收集管內(nèi)形成爆炸性氣體。

d) 不同類型儲(chǔ)罐(內(nèi)浮頂、拱頂?shù)?不應(yīng)直接連通。拱頂罐、內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐一般儲(chǔ)存不同危險(xiǎn)性物料，物料的火災(zāi)危險(xiǎn)性不同。如果儲(chǔ)存相同物料，則拱頂罐內(nèi)油氣濃度通常較高，直接連通增加內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的危險(xiǎn)性。

e) 各儲(chǔ)罐罐頂氣相支線上應(yīng)按要求設(shè)置管道爆轟型阻火器，并按照ISO16852-2016《Flame arresters-Performance requirements，test methods and limits for use》的要求進(jìn)行爆轟測(cè)試。

f) 連通數(shù)量越多，發(fā)生事故可能性就越大。目前，GB50160-2018《石油化工設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定罐組內(nèi)單罐容積大于或等于10 000 m3的儲(chǔ)罐不應(yīng)多于12個(gè)；單罐容積小于10 000 m3的儲(chǔ)罐不應(yīng)多于16個(gè)；但單罐容積均小于1 000 m3儲(chǔ)罐以及丙B類液體儲(chǔ)罐的個(gè)數(shù)不受此限。連通儲(chǔ)罐的數(shù)量越多，發(fā)生火災(zāi)的概率越大，后果越嚴(yán)重，因此應(yīng)通過限制直接連通的儲(chǔ)罐數(shù)量，降低發(fā)生重大群罐火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

g) VOCs送往火炬/低壓瓦斯時(shí)，應(yīng)滿足以下要求：氣體熱值和氧含量應(yīng)滿足SH3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求；VOCs收集管道上應(yīng)設(shè)氧含量分析儀，并設(shè)置氧含量高高聯(lián)鎖切斷。氧含量分析儀和切斷閥的安裝位置應(yīng)能防止氧含量超標(biāo)的VOCs進(jìn)入低壓瓦斯系統(tǒng)；應(yīng)采取防火炬氣倒流入罐區(qū)的措施，并應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)和自動(dòng)切斷設(shè)施。

h) 改造的儲(chǔ)罐應(yīng)進(jìn)行儲(chǔ)罐罐體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的校核。采用氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)的儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)事故泄壓設(shè)備，并符合SH/T 3007-2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。罐頂油氣連通后，需對(duì)呼吸閥、事故泄壓設(shè)備等安全附件的規(guī)格和定壓進(jìn)行校核。

5 結(jié)語

儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)涉及的物料量大，危險(xiǎn)程度高。VOCs治理過程中需要嚴(yán)格管控環(huán)保治理所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。采取基于風(fēng)險(xiǎn)的方法進(jìn)行定量評(píng)估，在工程設(shè)計(jì)和管理上采取針對(duì)性的層層防護(hù)措施，并確保各類安全保護(hù)層保持完整性，切實(shí)做到環(huán)保和安全同時(shí)滿足安全生產(chǎn)要求。