郭新杰 陳 偉

中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

1 引言

新版JTS 158-2019《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》(簡稱《碼頭防火規(guī)范》)已于2020年1月1日起實施，由于舊版《碼頭防火規(guī)范》未對低溫液化烴的泄漏收集做出要求，因此現(xiàn)有運營的低溫液化烴碼頭均未設(shè)置泄漏收集池。目前，雖然新版規(guī)范提出低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)應(yīng)設(shè)置防止液體流淌的緊急泄漏收集池，但未對集液池的容量計算、平面布置、消防環(huán)保等做出明確要求，因此在規(guī)范執(zhí)行過程中存在一定的爭議和問題[1-2]。通過查閱國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和文獻，結(jié)合某低溫液化烴裝卸碼頭工程設(shè)計實例，采用不同的計算方法進行對比分析，選取適合工程實際的計算方法。

2 工程項目概況

擬建工程選址位于茂名港吉達港區(qū)位于茂名雞打港附近，東與陽西縣沙扒港為鄰，西與博賀港區(qū)相接，建設(shè)2個5萬Gt液體散貨泊位以及相應(yīng)的配套設(shè)施，設(shè)計吞吐量為425萬t/年，碼頭設(shè)計通過能力450萬t/年，主要進行低溫丙烷、低溫丁烷、低溫乙烯等物料的裝卸業(yè)務(wù)。

針對低溫液化烴特殊的物性要求，碼頭裝卸平臺至后方庫區(qū)設(shè)計分界線范圍內(nèi)工藝管道系統(tǒng)設(shè)有1根液相裝卸管道和相應(yīng)長度的1根保冷循環(huán)管道，同時設(shè)置1根火炬管道兼顧超壓泄放功能，其中低溫乙烯為1根DN400主液相管的獨立裝卸工藝系統(tǒng)，低溫丙烷2根DN600主液相管和低溫丁烷1根DN600主液相管通過匯管聯(lián)通。

卸船工況為：低溫液化烴運輸船到達碼頭后，低溫液化烴經(jīng)船上卸料泵通過碼頭上液動裝卸臂輸送低溫液化烴至后方廠區(qū)的儲罐內(nèi)。為了避免低溫液化烴初始卸船時進入處于常溫工況工藝管道系統(tǒng)產(chǎn)生大量BOG(Boil off Gas，閃蒸氣)，在卸船操作前進行管道預(yù)冷循環(huán)，通過保冷循環(huán)管道預(yù)冷裝卸臂和前端常溫主工藝管道。

5萬Gt低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)工藝管道平面布置見圖1。

1.低溫丁烷裝卸臂 2.低溫丙烷裝卸臂 3.低溫丙烷裝卸臂 4.低溫乙烯裝卸臂 5.低溫丁烷主液相管 6.低溫丙烷主液相管 7.低溫丙烷主液相管 8.低溫乙烯主液相管圖1 低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)工藝管道平面布置圖

3 低溫液化烴泄漏單元的劃分

為了分析方便，需要對低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)進行泄漏單元劃分，系統(tǒng)單元劃分時以工藝流程關(guān)系及物理平面位置布局為主要依據(jù)，泄漏單元的劃分通常依據(jù)ESD閥門或具有切斷功能的閥門位置以及設(shè)備布置進行劃分，泄漏單元劃分的主要原則是：

(1)以發(fā)生泄漏時能夠起到切斷泄漏源的閥門位置為主要依據(jù)，從而使得各泄漏單元在發(fā)生泄漏時相對獨立于其他單元。

(2)泄漏單元通常僅僅針對主工藝物料回路。

本工程低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)有低溫丙烷、低溫丁烷和低溫乙烯3套裝卸工藝系統(tǒng)，其中低溫乙烯為完全獨立的系統(tǒng)單元，低溫丙烷和低溫丁烷雖然通過匯管聯(lián)通，但是通過匯管設(shè)置切斷閥形成隔離系統(tǒng)單元?？紤]實際裝卸過程為單一工藝系統(tǒng)單元運行，因此把可能產(chǎn)生低溫液化烴泄漏的具有2根DN600主液相管最大容積的低溫丙烷工藝系統(tǒng)作為研究對象，將其劃分為裝卸臂至支路自動切斷閥單元和支路切斷閥至主管緊急切斷閥單元。其中支路切斷閥至主管緊急切斷閥單元雖然僅局部工藝管線在本工程設(shè)計范圍，但考慮工藝管道系統(tǒng)的不可割裂性，物料存量按整體工藝管路系統(tǒng)計算考慮。

泄漏單元劃分見表1。

表1 泄漏單元劃分

4 低溫液化烴泄漏事故場景

泄漏事故場景根據(jù)對低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)危險工藝管線和設(shè)備分析，根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》(AQ/T3046-2013)對事故場景的分類，泄漏場景可根據(jù)泄漏孔徑大小分為完全破裂以及孔泄漏兩大類。由于目前國內(nèi)根據(jù)NFPA59A翻譯轉(zhuǎn)化國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范為《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運》(GB/T 20368-2012)尚未針對國外更新2019版本更新轉(zhuǎn)化，因此未對工藝管道泄漏孔徑進行規(guī)定，如果單純按照《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》(AQ/T3046-2013)對工藝管道事故泄漏場景的分類，泄漏孔徑偏大造成集液池容積計算結(jié)果偏大[3-5]。結(jié)合國外最新規(guī)范《Standard for the Production,Storage,and Handing of Liquefied Natrural GAS(LNG)》(NFPA59A-2019)要求“Great than or equal to 6 in.Diameter,a hole size of 2 in.Diarmeter is applied at any location along the piping aegement.”，即口徑大于DN150的工藝管道泄漏口徑取為50 mm。

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綜合國內(nèi)外規(guī)范要求，有代表性的泄漏孔徑見表2。

表2 泄漏孔徑綜合表

5 低溫液化烴泄漏概率分析

失效單元泄漏的頻率分析是確定單元泄漏可能發(fā)生的頻率，通過泄漏頻率分析，可以預(yù)測現(xiàn)在或?qū)碓O(shè)備設(shè)施發(fā)生泄漏的頻率，并作為起始頻率供設(shè)備設(shè)施泄漏事故頻率分析所用。

對于工藝設(shè)備失效概率分析，國外通行的做法是依據(jù)前期數(shù)據(jù)積累形成的數(shù)據(jù)庫進行分析。由于我國尚未建立低溫液化烴相關(guān)的工藝設(shè)備失效分析數(shù)據(jù)庫，因此一方面參考《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》(AQ/T 3046-2013)、《基于風(fēng)險檢驗的基礎(chǔ)方法》(SY/T6714-2008)和《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護距離確定方法》(GB/T37243-2019)等國內(nèi)規(guī)范[6]，另一方面基礎(chǔ)國際認可的數(shù)據(jù)庫每個聯(lián)邦能源管理委員會(Federal Energy Regulatory Commission，縮寫FERC)和英國安全與健康執(zhí)行局(Health and Safe Executive，縮寫HSE)確定與本項目失效單元泄漏場景有關(guān)的頻率，各失效單元的泄漏頻率見表3。

表3 失效單元泄漏頻率表

注：括號內(nèi)為考慮NFPA59A-2019泄漏孔徑要求。

當前，低溫裝卸臂的設(shè)計和安全性能已經(jīng)得到了極大的提高，低溫裝卸臂全通徑破裂的可能性極小，并且本項目低溫液化烴裝卸臂均采用ERC系統(tǒng)進行有效保護，概率失效可能性系數(shù)將降低10%，因此，低溫裝卸臂全通徑的失效頻率將降低至10-8/a，屬于小概率事件?？紤]項目實際地理位置處于空曠的海邊，已經(jīng)遠離高密度人群區(qū)域，按照《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》(AQ/T 3046-2013)中8.2.4節(jié)“當泄漏場景發(fā)生的概率小于10-8/a或事故場景造成的死亡概率小于1%時，在定量風(fēng)險評估時可不考慮這種場景?！绷硗獾蜏匾夯療N運輸船建造規(guī)范亦要求船上緊急切斷閥應(yīng)在30 s內(nèi)快速關(guān)閉，可以避免持續(xù)大量的低溫液化烴泄漏，綜合考慮各方面因素，本項目定量風(fēng)險評估時不考慮低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)低溫裝卸臂全通徑破裂的失效泄漏場景。

6 定量泄漏計算與分析

6.1 定量計算說明

本計算分析只考慮人員合規(guī)操作和按照規(guī)章制度良好保護下的風(fēng)險，不考慮人員的違規(guī)操作。同時，假設(shè)泄漏發(fā)生后，ESD閥門、自動控制閥門和ERC等設(shè)施能有效隔離管道和設(shè)施中可燃介質(zhì)的流動。

6.2 泄漏計算

(1)泄漏時間

國內(nèi)《基于風(fēng)險檢驗的基礎(chǔ)方法》(SY/T6714-2008)規(guī)范描述“補足破裂泄放量的預(yù)計時間大約是1～5 min”，并推薦選擇3 min作為泄漏時間。參考國外PurpleBook-CPR18E-Guidelines for QuantitativeRiskAssessment(CPR18E量化風(fēng)險導(dǎo)則)，3種隔離切斷系統(tǒng)：全自動切斷系統(tǒng)、半自動切斷系統(tǒng)和手動切斷系統(tǒng)，其中全自動切斷系統(tǒng)的關(guān)閉隔離時間為2 min。綜合考慮本工程具備完善的全自動探測連鎖切斷隔離系統(tǒng)，當?shù)蜏匾夯療N碼頭裝卸區(qū)上的工藝管道發(fā)生泄漏時，緊急切斷閥自動響應(yīng)發(fā)生動作，泄漏時間即為緊急切斷閥關(guān)閉時間，通常1 in的閥門關(guān)閉時間為2～4 s，考慮取中間值。后方管廊設(shè)計范圍主管DN800的閥門響應(yīng)關(guān)閉時間96 s，綜合考慮國內(nèi)外規(guī)范要求和行業(yè)經(jīng)驗，假設(shè)F&G探測系統(tǒng)及切斷系統(tǒng)完全成功，對于5、25、50&100 mm和完全破裂孔徑的泄漏、探測和切斷時間均為120 s。

(2)泄漏速率

根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》(AQ/T 3046-2013)液體經(jīng)管道孔流出質(zhì)量流率計算泄漏速率：

式中，Qm為泄漏速率，kg/s；A為泄漏孔面積，；C0為液體泄漏系數(shù)，管道失效工況下無法確定液體泄漏系數(shù)時，取1.0；ρ為泄漏液體密度，kg/m3；p為管道內(nèi)液體壓力，Pa；p0為環(huán)境壓力，Pa。

計算分析所模擬的各種泄漏事故一旦發(fā)生，都會有危險物料泄漏，根據(jù)計算泄漏速率結(jié)合120 s泄漏、探測和切斷時間，其泄漏量計算結(jié)果見表4。

表4 泄漏量計算表

6.3 集液池收集容量分析

根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》(AQ/T3046-2013)9.2.5要求，最大可能泄漏量取可能泄漏流體存量的上限和工藝管道設(shè)備截斷前可流入量的較小值，綜合考慮裝卸臂至支路自動切斷閥單元和支路切斷閥至主管緊急切斷閥單元存量和泄漏計算量兩方面因素，因此本項目低溫液化烴泄漏量不小于13.21 m3。

低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)集液池應(yīng)具有完善的排水系統(tǒng)，在泄漏工況下不考慮雨水和消防水的積水容積，其容量設(shè)計應(yīng)按照本區(qū)域內(nèi)最大單一設(shè)備失效泄漏量基礎(chǔ)上增加0.6 m泡沫覆蓋容量考慮，因此本項目集液池容量設(shè)計為18 m3，其中長寬高為3 m×3 m×2 m。

7 結(jié)語

隨著新版《碼頭防火規(guī)范》的實施，為了目前運營的低溫液化烴碼頭和新建低溫液化烴碼頭的集液池容量計算操作性更強，重點分析介紹了低溫液化烴泄漏量的計算方法和原則，并通過對比國內(nèi)外規(guī)范不同要求，結(jié)合工程項目實例和相關(guān)工程經(jīng)驗分析，形成如下結(jié)論：

(1)口徑大于DN150的低溫液化烴工藝管道泄漏口徑取為50 mm，不考慮工藝設(shè)備管道全通徑破裂失效工況。

(2)具備全自動探測連鎖切斷的低溫液化烴工藝系統(tǒng)失效相應(yīng)時間，根據(jù)各工程項目實際閥門規(guī)格參數(shù)確定。

(3)集液池容量在泄漏工況下不考慮疊加雨水和消防水的積水容積。