何寧輝工程師 張玉濤工程師 呂錫勝工程師 高 盛 戰(zhàn)致銘
(1.西安秦華天然氣有限公司,陜西 西安 710075;2.陜西海山安全技術(shù)服務(wù)有限公司,陜西 西安 700024)
定量風(fēng)險(xiǎn)分析(Quantitative Risk Analysis,QRA)方法被廣泛的運(yùn)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)分析中,挪威船級(jí)社(DNV)公司開(kāi)發(fā)的SAFETI(Software for the Assessment of Flammable Explosion and Toxic Impact)軟件是定量風(fēng)險(xiǎn)分析的工具之一。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)各種生產(chǎn)事故頻發(fā),國(guó)家出臺(tái)了一系列的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),要求企業(yè)提高安全生產(chǎn)水平、加強(qiáng)對(duì)于自身生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析管控。有一批學(xué)者和安全行業(yè)從業(yè)人員對(duì)SAFETI軟件在各領(lǐng)域的應(yīng)用做了大量研究。
膝封梅介紹了定量分析軟件SAFETI的功能,闡述了運(yùn)用SAFETI軟件進(jìn)行事故后果模擬的方法流程,并將其運(yùn)用到了石油化工生產(chǎn)裝置的事故后果模擬中[1];陳國(guó)華在LPG(液化石油氣)儲(chǔ)罐上運(yùn)用SAFETI軟件對(duì)其進(jìn)行事故后果模擬評(píng)價(jià),完整的敘述了SAFETI軟件使用流程,并提出將SAFETI軟件運(yùn)用于天然氣管網(wǎng)的腐蝕性研究中的思路[2];翁幫華將SAFETI軟件運(yùn)用于增壓站,模擬得出了廠區(qū)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果,并結(jié)合國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于加壓站進(jìn)行了定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),得出了基于SAFETI軟件的QRA分析方法[3];黃海濱把SAFETI軟件應(yīng)用于海上石油平臺(tái)PSP上,在利用FLUENT軟件模擬得出的油氣泄漏分布的基礎(chǔ)上,模擬出平臺(tái)油氣泄漏的火災(zāi)爆炸后果,建立了多模擬軟件相結(jié)合的定量分析方法,模擬結(jié)果更接近實(shí)際[4]。
膝封梅主要在理論層面介紹了如何適用SAFETI軟件,對(duì)實(shí)際應(yīng)用的描述不夠具體且只對(duì)事故后果進(jìn)行了分析;黃海濱只對(duì)于事故后果進(jìn)行分析,對(duì)于評(píng)價(jià)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)未作分析,而翁幫華只對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析,并未考慮事故后果的影響;陳國(guó)華用SAFETI進(jìn)行了事故后果和風(fēng)險(xiǎn)2方面評(píng)價(jià),但并未給出相應(yīng)建議。結(jié)合上述論文的思路與優(yōu)缺點(diǎn),本文首次將SAFETI軟件應(yīng)用于城市燃?xì)獾膬?chǔ)配廠中,對(duì)天然氣儲(chǔ)罐開(kāi)展事故后果模擬和定量風(fēng)險(xiǎn)分析,并將分析結(jié)果對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求,提出儲(chǔ)配廠安全管理方面的建議措施。
SAFETI軟件于1961年正式問(wèn)世[5],是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QRA軟件,由DNV公司開(kāi)發(fā),擁有30多年開(kāi)發(fā)歷史,在國(guó)內(nèi)外廣泛用于對(duì)石油化工設(shè)施及流程工業(yè)中的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析,是一款成熟穩(wěn)定準(zhǔn)確可靠的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析工具。
天然氣的成分主要由甲烷(85%)、丙烷(3%)、氮(2%)、丁烷(1%)和少量乙烷(9%)組成。天然氣是一種易燃易爆氣體,天然氣的密度比空氣小,又無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒。具體的理化性質(zhì),見(jiàn)表1。
天然氣中的主要成分是烷烴,其特性是易燃易爆。當(dāng)天然氣發(fā)生泄漏后,氣體從泄漏口高速向外噴出,同時(shí)極易與缺口邊緣摩擦出火花,產(chǎn)生噴射火焰。當(dāng)天然氣在空氣中濃度達(dá)到5%~15%時(shí),遇明火在瞬間燃燒釋放大量能量,產(chǎn)生高溫高壓氣體,高壓氣體因超壓釋放產(chǎn)生沖擊波,即爆炸。因此天然氣泄漏帶來(lái)的危害主要是爆炸超壓和噴射火2種事故狀態(tài)。
發(fā)生爆炸時(shí),爆破能量在向外釋放時(shí)以沖擊波、碎片和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來(lái),其中空氣沖擊波是爆炸的主要危害因素。沖擊波的傷害和破壞作用在多數(shù)情況下都是由超壓所引起的,見(jiàn)表2。
表2 爆炸超壓對(duì)人體的影響
噴射火會(huì)造成范圍型的火災(zāi)?;馂?zāi)危害包括對(duì)人、物及生態(tài)環(huán)境所造成的危害,主要來(lái)源于熱量和煙氣,其中熱輻射是熱量傳播的主要形式。不同強(qiáng)度熱輻射對(duì)人和設(shè)備的影響情況,見(jiàn)表3。
表3 熱輻射對(duì)人和設(shè)備的影響
本次分析的對(duì)象是城鎮(zhèn)燃?xì)鈨?chǔ)配廠罐區(qū),該廠內(nèi)設(shè)1萬(wàn)m3固定容積天然氣儲(chǔ)氣球罐4臺(tái),儲(chǔ)氣能力為40萬(wàn)Nm3,設(shè)計(jì)壓力1.05MPa,最高工作壓力0.95MPa,最低工作壓力0.25MPa。工藝流程是用氣低峰時(shí),天然氣由城市門站經(jīng)高壓管網(wǎng)進(jìn)入球罐儲(chǔ)存;用氣高峰時(shí),天然氣由高壓儲(chǔ)罐輸氣至高壓管網(wǎng)和各高中壓調(diào)壓站。
經(jīng)對(duì)該儲(chǔ)配廠實(shí)際調(diào)研,球罐壓力、運(yùn)行溫度、氣體含量等事故后果模擬參數(shù),見(jiàn)表4。
表4 參數(shù)選值統(tǒng)計(jì)表
根據(jù)《承壓設(shè)配系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則第4部分:失效可能性定量分析方法》(GB/T 26610.4-2014)[6],球罐為儲(chǔ)存類容器,選小孔、中孔、大孔3種不同孔徑來(lái)研究球罐泄漏事故后果。各類型孔徑及發(fā)生概率,見(jiàn)表5。
表5 各類型孔徑尺寸及發(fā)生概率
(1)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)分析。
采用SAFETI 軟件的7.2版本對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算,將相關(guān)參數(shù)輸入后計(jì)算出的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果,如圖1。結(jié)果顯示該廠罐區(qū)的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)(死亡1-3人的概率)均在可接受區(qū)內(nèi),符合國(guó)標(biāo)《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)》(GB 30894-2018)要求[7]。
圖1 儲(chǔ)配廠罐區(qū)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果
(2)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)分析。
采用SAFETI軟件對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算得出個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等高線,如圖2。事故發(fā)生的概率為3×10-6的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等高線(圖2中最外層黑色線)均在儲(chǔ)配廠圍墻內(nèi),且未覆蓋到廠內(nèi)調(diào)壓區(qū)和辦公樓,符合國(guó)標(biāo)《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)》(GB 30894-2018)要求[7]。
圖2 儲(chǔ)配廠罐區(qū)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果
天然氣球罐一旦發(fā)生泄漏可能會(huì)造成噴射火、爆炸等后果。在SAFETI軟件中輸入相關(guān)參數(shù),分別模擬得出2種事故形態(tài)對(duì)廠區(qū)及周圍建筑的影響,結(jié)果如下。
(1)爆炸超壓。從表2中選取爆炸超壓影響的4個(gè)代表值:0.75bar(圖中從內(nèi)到外第一層環(huán)線)、0.206 8bar(圖中從內(nèi)到外第二層環(huán)線)、0.137 9bar(圖中從內(nèi)到外第三層環(huán)線)、0.020 7bar(圖中從內(nèi)到外第四層環(huán)線)。對(duì)比圖3和圖4當(dāng)發(fā)生中孔泄漏時(shí),爆炸超壓影響范圍基本局限在廠區(qū)隔離范圍內(nèi),對(duì)于廠區(qū)內(nèi)建筑和周邊建筑基本沒(méi)有影響。但在發(fā)生大孔泄漏時(shí),爆炸超壓大于0.75bar的致死范圍覆蓋了大部分廠區(qū)并且影響到了一部分廠區(qū)外建筑。所以當(dāng)發(fā)生中孔泄漏時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施防止事故擴(kuò)大,并及時(shí)通知、疏散周圍群眾,防止泄漏擴(kuò)大后對(duì)廠區(qū)和周邊造成嚴(yán)重影響。
圖3 中孔晚期爆炸超壓最壞情況
圖4 大孔晚期爆炸超壓最壞情況
(2)噴射火。在SAFETI軟件中輸入相應(yīng)參數(shù)后,得到了噴射火的分析結(jié)果,如圖5、6。
從表3中選取噴射火熱輻射影響的3個(gè)代表值:37.5kw/m2(圖中最內(nèi)層環(huán)線);12.5 kw/m2(圖中中層環(huán)線);4.0kw/m2(圖中最外層環(huán)線)。在發(fā)生中孔泄漏時(shí),噴射火熱輻射大于37.5 kw/m2的范圍不超出罐區(qū)范圍,不會(huì)影響到廠區(qū)內(nèi)其他建筑和周邊環(huán)境。但如果發(fā)生大孔泄漏,噴射火的影響范圍將大大增加,對(duì)廠內(nèi)部分辦公樓有一定影響,但不會(huì)影響廠外建筑。
圖5 中孔噴射火強(qiáng)度半徑
圖6 大孔噴射火強(qiáng)度半徑
該儲(chǔ)配廠的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)綜合計(jì)算結(jié)果均滿足國(guó)標(biāo)要求,建議該廠密切關(guān)注周邊建筑活動(dòng),防止新增大型人員密集場(chǎng)所。
事故后果模擬結(jié)果顯示:在發(fā)生中等孔徑的泄漏事故時(shí),爆炸超壓、噴射火的危害基本能控制在廠區(qū)范圍內(nèi),對(duì)周圍的建筑和人員影響較小。但是當(dāng)泄漏口變大成為大孔泄漏事故時(shí),爆炸超壓的影響范圍已經(jīng)超出了廠區(qū),將會(huì)導(dǎo)致周圍的建筑損壞和人員傷亡。因此,當(dāng)天然氣泄漏情況超出控制時(shí),應(yīng)及時(shí)撤離廠區(qū)員工,并告知周邊民眾盡快疏散。建議該廠在日常生產(chǎn)中采取以下風(fēng)險(xiǎn)控制措施:
(1)風(fēng)險(xiǎn)告知:將天然氣泄漏事故后果和危害告知儲(chǔ)配廠周邊居民,在廠區(qū)外周圍靠近天然氣儲(chǔ)罐的地方設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)告知牌。
(2)教育培訓(xùn):對(duì)儲(chǔ)配廠周邊居民開(kāi)展安全教育培訓(xùn),發(fā)放宣傳材料,向該地區(qū)居民普及天然氣危險(xiǎn)特性、泄漏后果、泄漏后緊急疏散及撤離等方面的知識(shí)。
(3)應(yīng)急管理:編制泄漏現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置方案時(shí)要考慮到周邊居民,建立應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制并定期開(kāi)展應(yīng)急疏散演練。
(4)設(shè)備管理:加強(qiáng)廠內(nèi)罐區(qū)、調(diào)壓區(qū)等設(shè)備的巡查管理,定期對(duì)球罐外壁進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)泄漏隱患或小規(guī)模泄漏應(yīng)及時(shí)處理。
(1)本文研究表明該儲(chǔ)配廠個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
(2)在事故后果方面:當(dāng)儲(chǔ)配廠球罐發(fā)生中孔及以下規(guī)模泄漏事故時(shí),不會(huì)對(duì)場(chǎng)內(nèi)工作人員和周圍居民產(chǎn)生太大影響,但是當(dāng)事故規(guī)模達(dá)到大孔泄漏及以上時(shí),將造成廠區(qū)內(nèi)人員和周圍居民的傷亡。
(3)建議城市燃?xì)馄髽I(yè)制定應(yīng)急預(yù)案、加強(qiáng)應(yīng)急演練,保障應(yīng)急物資配置,提升應(yīng)急管理水平,在發(fā)生天然氣泄漏事故時(shí)控制事故規(guī)模、減少人員傷亡。
(4)通過(guò)此研究發(fā)現(xiàn):SAFETI軟件在城市燃?xì)庑袠I(yè)有廣泛的應(yīng)用前景,若將SAFETI軟件應(yīng)用于調(diào)壓站、門站和管道等風(fēng)險(xiǎn)較高的設(shè)備設(shè)施,對(duì)地區(qū)和城市燃?xì)庑袠I(yè)減少事故發(fā)生、提升安全生產(chǎn)水平有重要意義。