林現(xiàn)喜

中海石油氣電集團

根據(jù)國家能源“十三五”規(guī)劃，2020 年天然氣供應(yīng)能力將達到3 600×108m3。各大石油天然氣公司正大力開展LNG 接收站及其配套設(shè)施建設(shè)，以確保滿足我國未來的天然氣消費需求[1-2]。在整個LNG產(chǎn)業(yè)鏈中，LNG接收終端占有重要地位，LNG儲罐則是接收站的重要設(shè)施。LNG儲罐建造正朝著大型化、集約化方向發(fā)展。LNG 具有低溫、易燃、易爆、易揮發(fā)等特性，一旦發(fā)生泄漏、爆炸事故，其危害性極大，因此對LNG 儲罐進行安全風(fēng)險管控成為各LNG 接收站面臨的重要課題[3-4]。為控制LNG 儲罐風(fēng)險，采用保護層分析法對LNG 儲罐安全防護能力進行評估，并對風(fēng)險控制措施進行分級管控，以確保各項防控措施落實到位。

1 事故模式

大型LNG 儲罐主要包括單容罐、全容罐及雙容罐，根據(jù)LNG 儲罐所處位置，可將儲罐分為地上罐、半地上罐及地下罐。目前，國內(nèi)外常見的LNG 儲罐以全容罐為主，其特點是占地較少、安全、可靠。LNG全容儲罐為低溫常壓儲罐，其主要結(jié)構(gòu)包括罐頂、內(nèi)罐、外罐、保溫層、罐底基礎(chǔ)，其中罐頂為混凝土穹頂，內(nèi)罐為含9%Ni 的合金鋼，外罐為預(yù)應(yīng)力混凝土[5-6]。

1944 年，美國俄亥俄州某LNG 儲氣調(diào)峰站的一座LNG 儲罐發(fā)生低溫破壞，造成大量LNG 泄漏，后遇著火源發(fā)生火災(zāi)爆炸，造成128人死亡和巨大經(jīng)濟損失，這是LNG 發(fā)展歷史上第一起重大安全事故。自1944 年至今，全世界陸上LNG 罐區(qū)發(fā)生各類泄漏燃爆事故14 起。其中，LNG 罐區(qū)主要事故模式為LNG 儲罐泄漏燃爆事故，包括火災(zāi)、燃爆及超壓物理爆炸。造成LNG 儲罐泄漏的主要原因包括儲罐超壓、誤操作、零配件失效、罐體失效以及外部原因等[7-8]（表1）。

表1 LNG罐區(qū)安全事故統(tǒng)計Tab.1 Accident statistics of LNG tank area

2 保護層分析法

保護層分析（LOPA）是一種簡明、易用的半定量風(fēng)險分析與評估工具，主要用來確定是否有足夠的獨立保護層以防止安全事故的發(fā)生，確保安全風(fēng)險在可接受范圍內(nèi)。其通常采用特定場景的初始事件概率、后果嚴重程度、獨立保護層失效頻率來計算各場景的風(fēng)險值。通過事故模式分析可知，LNG 儲罐在生產(chǎn)運行過程中主要事故模式為LNG泄漏燃爆。對LNG 泄漏前和泄漏后應(yīng)急響應(yīng)的獨立保護層的失效概率進行計算，進而與國家要求的可接受失效標準進行比較，可得出LNG 儲罐的保護層是否足夠且滿足要求[9-12]。LNG 儲罐泄漏燃爆事故場景中的保護層主要包括罐體本質(zhì)安全設(shè)計、基本過程控制系統(tǒng)、報警及人員反應(yīng)、緊急關(guān)斷及安全儀表系統(tǒng)、釋放后保護措施和應(yīng)急響應(yīng)[13-14]。

利用LOPA分析確定事故場景發(fā)生的頻率計算公式為

采用LOPA對中國海油多座LNG儲罐進行風(fēng)險分析與評估，結(jié)合現(xiàn)在推行的風(fēng)險分級管控要求，發(fā)現(xiàn)原有LOPA分析流程未對風(fēng)險可接受程度、風(fēng)險分級管控措施等進行深入分析，為確保LOPA分析符合風(fēng)險分級管控要求，對LOPA分析流程進行了優(yōu)化（圖1中標藍部分）。

圖1 優(yōu)化后的LOPA流程Fig.1 Optimized process of LOPA

LOPA從危險與可操作性分析（Hazard and Operability Analysis，HAZOP）結(jié)果中選擇風(fēng)險值較高的事故場景進行分析計算，每一個事故場景都有初始觸發(fā)事件。初始事件一般分為外部事件、設(shè)備故障、人的失誤3種類型。初始事件觸發(fā)頻率通常來源于行業(yè)數(shù)據(jù)、公司的經(jīng)驗或者供應(yīng)商的數(shù)據(jù)。

事故后果通常包括：危險物質(zhì)的釋放和擴散、火災(zāi)爆炸及其造成的損失、人身傷害、環(huán)境破壞、財產(chǎn)損失、生產(chǎn)中斷、產(chǎn)品質(zhì)量下降、市場受影響等。

根據(jù)獨立保護層觸發(fā)時失效概率（Probability of Failure on Demand，PFD）可確定獨立保護層（Independent Protection Layer，IPL）的有效性；PFD定義為獨立保護層平時為備用狀態(tài)，一旦發(fā)生緊急情況，系統(tǒng)要求獨立保護層投入使用時失效的概率。PFD 為0 和1 之間的無因次數(shù)字，PFD 越小，該保護層對某一初始事件的后果頻率削減得越多。獨立保護層應(yīng)滿足獨立性、安全性、有效性等原則[15]。

3 風(fēng)險可接受標準

根據(jù)事故場景風(fēng)險等級，宜采用最低合理可行（As Low As Reasonably Practicable，ALARP）原則對LNG 儲罐各類事故模式是否可接受及分級管控措施進行風(fēng)險決策，將事故場景風(fēng)險降低到可接受水平。風(fēng)險可接受標準可以是一個數(shù)值或F/N 曲線，國內(nèi)外對風(fēng)險指標制定各有不同，但大都以人員傷亡程度作為衡量指標。在充分參考國外石油天然氣企業(yè)有關(guān)標準[16]（表2）的基礎(chǔ)上，根據(jù)國家相關(guān)要求以及LNG 儲罐泄漏后對人員、財產(chǎn)和接收站生產(chǎn)影響情況，即可確定大型LNG 儲罐安全風(fēng)險可接受風(fēng)險標準（表3）。

表2 國外石油天然氣企業(yè)制定的個人風(fēng)險標準Tab.2 Individual risk standard of petroleum and gas company abroad

表3 大型LNG儲罐安全風(fēng)險可接受標準Tab.3 Acceptable risk criteria of large-scale LNG tank

4 實例應(yīng)用

4.1 事故場景及失效概率的確定

根據(jù)LOPA 分析基本流程，以某LNG 接收站16×104m3全容型LNG儲罐為例，通過對該LNG儲罐HAZOP分析，確定其事故場景（表4）。

表4 某16×104 m3全容型LNG儲罐事故場景HAZOP分析結(jié)果Tab.4 HAZOP analysis results of a 16×104 m3 full capacity LNG tank accident scenario

針對不同的事故場景，通過對該接收站自投入生產(chǎn)運行以來的設(shè)備設(shè)施失效數(shù)據(jù)分析，結(jié)合國內(nèi)外接收站事故事件數(shù)據(jù)庫，綜合確定LNG 儲罐觸發(fā)事件及其發(fā)生概率（表5）。

表5 某16×104 m3全容型儲罐事故觸發(fā)事件及其發(fā)生概率Tab.5 Trigger event and the occurrence probability of the accidents of a 16×104 m3 full capacity tank

操作失誤主要是指現(xiàn)場操作人員進行LNG 進料、倒罐、出料時一系列工藝操作過程中可能出現(xiàn)誤操作的概率。修正系數(shù)：根據(jù)現(xiàn)場人員巡檢頻率，人員出現(xiàn)失誤概率為0.1；根據(jù)現(xiàn)場操作維護經(jīng)驗和維護時間要求，火炬維修概率為0.1。

根據(jù)獨立保護層的選擇方法、不同事故場景以及LNG 儲罐的實際工藝運行狀況，識別出該LNG儲罐的獨立保護層及其失效概率（表6）。

表6 某16×104 m3全容型LNG儲罐獨立保護層及失效概率Tab.6 Independent protection layer and failure probability of a 16×104 m3 full capacity LNG tank

以LNG儲罐損壞這一事故場景為例，通過表5可知LNG儲罐損壞有8項觸發(fā)事件，通過分析確定有6 個獨立保護層，包括：BOG 壓縮機負荷調(diào)整、火炬放空、壓力安全閥泄放、操作人員干預(yù)、儲罐監(jiān)控、安全儀表系統(tǒng)，根據(jù)保護層分析計算公式計算LNG儲罐損壞的失效概率為2.33×10-7（表7）。

表7 某16×104 m3全容型LNG儲罐損壞失效概率計算Tab.7 Calculation of the failure probability of a 16×104 m3 full capacity LNG tank a-1

將計算得出不同事故場景的發(fā)生概率與事故發(fā)生可接受標準進行比較（表8）。

表8 某16×104 m3全容型LNG儲罐不同事故場景失效概率計算結(jié)果及可接受分析結(jié)果Tab.8 Failure probability calculation results and acceptable analysis results of a 16×104 m3 full capacity LNG tank in different sccident scenarios

由表8可見，該LNG儲罐通過采取不同的保護層后，各類風(fēng)險處于可接受范圍內(nèi)，該LNG 儲罐安全風(fēng)險可接受。

4.2 風(fēng)險分級管控措施

通過對LNG 儲罐進行保護層分析可得出，某LNG接收站16×104m3全容型LNG儲罐的各類事故場景的發(fā)生概率均處于可接受范圍內(nèi)。然而通過事故發(fā)生概率與事故發(fā)生后果、儲罐生產(chǎn)運營實際情況綜合分析，應(yīng)將不同的保護層的控制級別按照實際情況進行確定和調(diào)整，以確保各類安全風(fēng)險有合適的控制級別，具體風(fēng)險控制級別和措施見表9。

表9 某16×104 m3全容型LNG儲罐風(fēng)險分級管控措施Tab.9 Risk grading management measures of a 16×104 m3 full capacity LNG tank

5 結(jié)論及建議

通過將保護層分析法應(yīng)用到LNG 接收站大型LNG 儲罐，建立了LNG 儲罐保護層分析的標準化模型，確定常見的事故場景和觸發(fā)事件，識別獨立保護層，并根據(jù)國內(nèi)外設(shè)備設(shè)施的失效數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)運營經(jīng)驗，確定事故觸發(fā)事件和獨立保護層失效概率以及相關(guān)的修正系數(shù)，進而確定LNG 儲罐的失效概率和風(fēng)險分級管控級別及措施，為LNG 儲罐安全平穩(wěn)運行打下基礎(chǔ)。同時也應(yīng)看出，目前國內(nèi)對各種類型LNG 儲罐的失效事故事件的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)只局限于企業(yè)內(nèi)部，未能夠建立全國統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集整理平臺；且本文保護層分析法所利用的基礎(chǔ)失效數(shù)據(jù)均來自于國外的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和國內(nèi)特定企業(yè)的操作示例，不具備代表性，如進行應(yīng)用，還需根據(jù)實際情況進行數(shù)據(jù)修正調(diào)整。