王賀誼 江紹靜 鄭曉亮 王蓓蕾 陳龍龍白建林 湯瑞佳 李超躍

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院 西安 710075； 2.陜西省二氧化碳封存與提高采收率重點實驗室 西安 710075； 3.安徽理工大學 安徽淮南232001；4.陜西延長石油集團油氣勘探公司采氣四廠 陜西延安 716200)

0 引言

CO2作為全球氣候變暖的主要影響因素之一，其增溫效應占各溫室氣體總增溫效應63%，且在大氣中存留時間最長，可達200 a之久[1-5]。據國際能源機構統(tǒng)計，2018年全球能源消費較2017年增長2.3%，其中能源相關CO2排放量達331億t，CO2濃度為300萬a以來最高水平[6-7]。我國是全球最大的溫室氣體排放國，2018年CO2排放總量達100億t，作為減少溫室氣體排放的措施之一，CCUS(CO2捕集、埋存與利用)技術是唯一有望實現化石能源大規(guī)模降低碳含量的技術措施，同時也是全球實現CO2減排、確保能源清潔利用以及保障能源安全的重要戰(zhàn)略技術[8-10]。CO2捕集作為CCUS技術第一環(huán)節(jié)，主要是基于特定的技術將煤、石油和天燃氣等化石能源利用過程中排放的低濃度CO2進行分離濃縮，從而滿足后續(xù)的封存及利用要求[11]。延長石油自2010年起逐步開展了CCUS相關技術研究，2012年11月延長石油榆林煤化公司建成了5萬t/a的CO2捕集裝置。目前，隨著新一輪煤化工熱的興起以及國內外CCUS項目不斷推廣，對這些項目的風險問題若是不加以重視并進行深入研究，將給我國正在發(fā)展的煤化工產業(yè)埋下隱患。因此，本項目主要針對延長石油煤化工CO2捕集系統(tǒng)中存在的風險進行辨識，并通過事故樹分析方法對風險點進行評價，并給出相應防范措施。

1 CO2捕集系統(tǒng)及主要危害

項目所涉及的CO2捕集系統(tǒng)位于陜西延長石油榆林煤化工有限公司低溫甲醇洗裝置區(qū)域的南側，占地面積長80.5 m、寬15 m，共1 207.5 m2，其中CO2來源于煤制甲醇和醋酸過程中排放的高純CO2氣體。低溫甲醇富液通過管道從低溫甲醇洗系統(tǒng)傳輸至CO2捕集系統(tǒng)，其流量為119 400 kg/h，溫度為-38 ℃，壓力為1.2 MPa。此甲醇富液首先經過一級減壓調節(jié)閥，壓力由1.2 MPa減壓至0.5 MPa后進入一級分離器；此時，富液溫度高于該壓力下不凝氣體的沸點，不凝氣體迅速沸騰汽化從一級分離器頂部排出，分離不凝氣體后的富液經過二級減壓調節(jié)閥壓力由0.5 MPa降至0.15 MPa，然后進入二級分離器，大部分的CO2氣體從富液中沸騰汽化解吸出來，再通過設置換熱器回收CO2氣體的冷量以維持原系統(tǒng)的能量平衡，經CO2壓縮機壓縮、深冷換熱器冷卻液化并分離少量不凝氣后，最終得到符合產品規(guī)格要求的液態(tài)CO2產品，其工藝流程圖如圖1所示。其中，提取CO2后的甲醇富液將再次返回原廠的低溫甲醇洗系統(tǒng)，重新作為溶劑利用，在CO2捕集過程中會消耗極少量的隨CO2夾帶走的甲醇。二氧化碳捕集系統(tǒng)中涉及的原料及產品均屬于危險化學品，其中與主要設備對應的危險化學品如表1所示。

圖1 CO2捕集工藝流程

表1 主要設備涉及的危險化學品

2 典型風險分析

根據《生產過程危險和有害因素分類與代碼》(GB/T 13861—2009)和《企業(yè)職工傷亡事故分類標準》(GB 6441—1986)分類標準，對CO2捕集系統(tǒng)中存在的風險進行辨識分析，發(fā)現其存在的風險有火災、其他爆炸、容器爆炸、中毒和窒息、凍傷、高處墜落、車輛傷害、觸電、物體打擊等[12-13]。由于其他爆炸事故的后果嚴重性比火災、容器爆炸等其他事故大，由從重原則，甲醇和丙烯發(fā)生其他爆炸事故為典型風險，此處只對其進行風險分析。當CO2捕集系統(tǒng)中甲醇和丙烯發(fā)生泄漏后就會在空氣中形成爆炸混合物，一旦達到爆炸濃度后遇到火源就會發(fā)生其他爆炸。

(1)CO2分離器、壓縮機、換熱器、冷卻器、儲罐等壓力容器或輸送管路因超壓發(fā)生破裂而產生物理性爆炸，隨之容器內甲醇外泄，遇火源發(fā)生火災、其他爆炸，甚至產生二次或多次爆炸。

(2)管路、分離器、甲醇液體泵等工藝裝置若揮發(fā)出甲醇蒸氣，或因操作不當造成泄漏，一旦遇到明火、高溫、電火花或雷擊等火源，均易引起火災和其他爆炸。

(3)甲醇輸送管道或其閥門或法蘭、設備閥門損壞或被腐蝕導致泄漏后與空氣混合達到爆炸極限濃度，遇到電火花、明火、高溫等火源易發(fā)生火災、其他爆炸。

(4)CO2冷卻器中丙烯泄漏與空氣混合達到爆炸極限濃度，遇到電火花、明火、高溫等火源易發(fā)生火災、其他爆炸。

(5)防雷、防靜電接地裝置未定期檢測，因腐蝕等原因，造成接地電阻增大，導致產生的電荷不能及時地釋放，可能造成儲罐受雷擊或因靜電放電而引發(fā)火災、其他爆炸。

(6)甲醇輸送管道、設備超壓運行、管材材質不合格、安裝不合格等原因，導致輸送管道破裂后甲醇與空氣混合達到爆炸極限發(fā)生火災、其他爆炸。

(7)容器、管道的基礎不牢、框架或固定支架等穩(wěn)固設施故障或失效，造成設備、管線破裂，導致甲醇、丙烯等泄漏，易遇火源發(fā)生火災、其他爆炸。

(8)CO2分離器等壓力容器中若可燃介質泄漏遇空氣會發(fā)生火災、其他爆炸。

(9)CO2壓縮機設備系統(tǒng)故障，導致潤滑油泄漏，遇火源發(fā)生火災；若形成油氣，遇火源則發(fā)生其他爆炸。由于設備摩擦發(fā)熱、冷卻、潤滑不良等，壓縮機在高溫下運行會使?jié)櫥蛽]發(fā)裂解，在附近管道內造成積炭，可發(fā)生火災、其他爆炸。

(10)生產裝置中的設備、管線、法蘭、墊片、閥門等密封不嚴，或管道破裂、穿孔等造成甲醇、丙烯泄漏，若遇火源會發(fā)生火災。甲醇、丙烯發(fā)生泄漏后，若通風不良，與空氣達到爆炸極限濃度，遇火源會發(fā)生其他爆炸。若未安裝可燃氣體報警裝置或檢測裝置失效，沒及時報警和聯動，泄漏的甲醇、丙烯易達到爆炸極限濃度，遇火源會發(fā)生其他爆炸。

(11)通信或電氣線路故障，導致DCS系統(tǒng)不能正常運轉，從而導致捕集系統(tǒng)參數異常，易發(fā)生火災和其他爆炸。

(12)地溝、電纜溝等低凹處和空氣不流通的地方未采取防止易燃爆物質積聚的措施，易聚集可燃氣體或蒸氣，達爆炸極限，遇火源易引發(fā)火災、其他爆炸。

(13)管道、容器檢修時，在檢修部分與可燃物部分未用盲板隔絕，致使甲醇或丙烯竄入檢修部位，遇火源發(fā)生火災、其他爆炸。

(14)設備超溫、超壓、超速、超負荷運轉，或超期和帶病運轉等引起泄漏，遇火源發(fā)生火災、其他爆炸。

(15)生產裝置區(qū)內沒有配備消防器材或消防器材配備不足，或消防器材失效、不能使用等原因，導致生產裝置發(fā)生火災，沒有得到及時施救，存在火災進一步擴大產生其他爆炸的風險。

(16)沒有根據生產裝置實際情況編制事故應急救援預案，或有應急救援預案而沒有定期組織培訓和演練，導致出現突發(fā)事故不能或不會及時處理，致使由泄漏引發(fā)火災，或由火災引發(fā)其他爆炸等風險。

3 其他爆炸典型風險評價

由風險分析可知，甲醇和丙烯泄漏后，當與空氣混合達到爆炸濃度，遇火源后會發(fā)生其他爆炸事故。因為CO2分離器中甲醇發(fā)生泄漏遇火源產生爆炸和CO2冷卻器中丙烯發(fā)生泄漏遇火源發(fā)生爆炸模式相似，只要對其中一個進行分析評價即可。此處，以二氧化碳分離器甲醇發(fā)生泄漏為研究對象，對分離器甲醇泄漏爆炸事故進行事故樹分析評價。

3.1 事故樹分析簡介[14-15]

事故樹分析是一種演繹推理法，用一種稱為事故樹的樹形圖來表示可能發(fā)生的某種事故與導致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關系，即在現有生產系統(tǒng)和作業(yè)中，通過分析可能造成系統(tǒng)事故或導致災害后果的各種因素，根據工藝流程、先后次序和因果關系繪出邏輯樹圖并進行分析，從而確定系統(tǒng)事故原因的各種可能組合方式，判明災害或功能故障的發(fā)生途徑及導致災害、功能故障的各因素之間的關系，為確定安全對策提供可靠依據。

其中，邏輯門是連接各事件并表示其邏輯關系的符號，見圖2所示。按布爾代數計算規(guī)則進行邏輯關系分析，如E1+E1E2=E1，E1(E1+E2)=E1。

(a)或門 (b)與門 (c)條件與門

3.2 事故樹分析過程

分離器甲醇泄漏爆炸事故的事故樹分析過程如下：

(1)事故原因分析。以CO2分離器甲醇泄漏爆炸為頂上事件，結合風險分析部分，分析事故可能發(fā)生的原因，層層遞進，通過事件與事件之間的邏輯關系構建出事故樹圖，如圖3所示，其基本事件表如表2所示。

表2 CO2分離器甲醇泄漏爆炸事故樹基本事件

(2)最小割集和最小徑集計算。結合事故樹圖，最小割集求解過程為：

T=aA1A2

=a(B1+B2+B3+B4+B5+B6)(X17+X18)

=a[X1+X2+C1C2+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16](X17+X18)

=a[X1+X2+(X3+X4+X5) (X6+X7+X8)+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16](X17+X18)

=(X1+X2+X3X6+X3X7+X3X8+X4X6+X4X7+X4X8+X5X6+X5X7+X5X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16)(aX17+aX18)

可見，得到最小徑集4個，即{X1,X2,X3,X4,X5,X9,X10,X11,X12,X13,X14,X15,X16}，{X1,X2,X6,X7,X8,X9,X10,X11,X12,X13,X14,X15,X16}，{X17,X18}和{a}，匯總如表3所示。

表3 CO2分離器甲醇泄漏爆炸事故最小徑集基本事件組合

通過事故樹分析求解其全部最小割集或最小徑集，最小割集就是能夠引起頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合，最小徑集就是使頂上事件不發(fā)生所必需的最低限度的基本事件的組合。如果事故樹化簡后的或門多，最小割集就越多，說明系統(tǒng)比較危險；如果與門比較多，最小割集就少，說明系統(tǒng)比較安全。

圖3 CO2分離器甲醇泄漏爆炸事故樹

(3)結構重要度計算。結合最小徑集，對導致事故的基本事件進行結構重要度分析，結構重要度近似計算公式如下：

式中，Ii為基本事件Xi的結構重要度近似判定值；nj為基本事件Xi所在最小割(徑)集中包含基本事件的個數；k為最小割(徑)集的個數。

計算得：

所以，基本事件結構重要度排序為：Ia>I17=I18>I1=I2=I9=…=I16>I3=…=I8。

4 典型風險評價結論與對策

在對CO2捕集系統(tǒng)典型風險即甲醇和丙烯發(fā)生其他爆炸事故的分析基礎上，結合事故樹分析評價方法，對二氧化碳分離器甲醇發(fā)生泄漏進行了分析評價，得到了導致分離器甲醇泄漏發(fā)生其他爆炸事故的最小割集38個、最小徑集4個。也就是說，導致分離器甲醇泄漏發(fā)生其他爆炸事故的可能性有38種，而控制該事故不發(fā)生的方案只有4種，即該4個最小徑集中的任一個最小徑集內所有基本事件均不發(fā)生，則分離器甲醇泄漏爆炸事故不會發(fā)生。結合結構重要度分析，可以得出如下結論：

(1)最佳對策方案為{a}。只要甲醇與空氣混合達不到爆炸極限，則爆炸事故不發(fā)生。即只要甲醇泄漏后沒有達到爆炸濃度就可以防止事故發(fā)生，通過安裝探測報警裝置，并在使用過程中加強檢測和保養(yǎng)工作，落實監(jiān)管責任制，使探測報警裝置處于正常工作狀態(tài)，在爆炸下限(甲醇爆炸下限為5.5%、丙烯爆炸下限為2.4%)以下25%時及時報警，然后及時堵漏，并加強局部通風稀釋，即可有效預防其他爆炸事故。

(2)第二優(yōu)選對策方案為{X17,X18}。只要閥門或法蘭等損壞以及局部腐蝕或破裂均不發(fā)生泄漏，則爆炸事故不發(fā)生。所以，通過加強CO2分離器本體及其組件保養(yǎng)和檢修工作，建立健全安全檢查和隱患排查管理制度，定期開展安全檢查和隱患排查工作，確保其完好無損狀態(tài)就不會發(fā)生因分離器局部腐蝕、閥門或法蘭等組件損壞而泄漏，同時加強分離器壓力監(jiān)測和安全閥等維保，就不會發(fā)生分離器泄漏事件，即可有效防止分離器甲醇泄漏爆炸事故發(fā)生。