張志鵬 鄭建國 劉 凱 吳 堯 張宗武 趙凱杰 杜旭紅 曹江遠 趙懷璞

1. 中國輻射防護研究院, 山西 太原 030006;2. 中核四〇四有限公司, 甘肅 嘉峪關 735100;3. 中石油昆侖燃氣有限公司, 甘肅 嘉峪關 735100

0 前言

近幾年,隨著中國能源結(jié)構(gòu)的改革,與液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)有關的產(chǎn)業(yè)也得到了快速發(fā)展,LNG站場、海上生產(chǎn)設施、運輸設施建設速度迅猛提升[1]。值得注意的是,LNG是易燃易爆物質(zhì),一旦失去控制,可能產(chǎn)生火災、爆炸等事故[2],造成人員傷亡或財產(chǎn)損失。2020年11月2日,某公司在實施二期工程項目裝車時發(fā)生著火事故,造成7人死亡,2人重傷,直接經(jīng)濟損失 2 029.30 萬元。因此,有必要對LNG設備設施的風險進行研究,預防事故發(fā)生。

定量風險評估方法可以識別潛在危險,計算事故發(fā)生概率,評估事故后果的嚴重程度,通過量化的概率風險值對系統(tǒng)的危險性進行描述,根據(jù)風險的可接受程度進行評價,并在此基礎上提出相關安全措施建議,可對天然氣設備設施的設計、制造、安裝、操作、維護和退役等過程進行指導[3]。主要步驟有危險辨識、事故場景頻率計算、事故后果計算、風險計算和風險分析等。

為了解定量風險評估方法在LNG項目中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,且考慮到事故場景頻率計算及事故后果計算的準確性決定了定量風險評估結(jié)果的可靠性[4],本文詳細闡述場景頻率計算及事故后果計算在LNG項目中的實施現(xiàn)狀,可為LNG項目定量風險評估的決策提供參考。

1 LNG項目事故場景頻率計算現(xiàn)狀

LNG項目事故場景與泄漏量、點火源位置等因素有關,主要表現(xiàn)為噴射火、閃火、蒸氣云爆炸、池火災等現(xiàn)象。LNG設備設施泄漏后,LNG蒸發(fā)擴散產(chǎn)生大量天然氣蒸汽,當天然氣蒸汽濃度達到爆炸極限時,遇到點火源會造成火災爆炸事故;當蒸氣云濃度較低時,遇到點火源會造成閃火或蒸氣云爆炸;當LNG泄漏量大于蒸發(fā)量時,會形成液池,遇到點火源會導致池火事故;當LNG泄漏口直接遇到點火源,會造成噴射火事故[5]。

LNG項目事故場景頻率的計算是通過設備設施特性、點火源特性、LNG特性、人因失誤等因素來計算危險可能發(fā)生的頻率,是定量風險評估方法中的重要步驟。在計算場景頻率前,首先要確定設備設施泄漏頻率、點火概率、人因失誤概率等,再使用有關工具如事件樹、故障樹、保護層分析等進行場景頻率計算。

1.1 設備設施泄漏頻率的確定

設備設施泄漏頻率通常利用相應的歷史數(shù)據(jù)進行確定,為了做出準確的風險評估,通常需要高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2007年,青島安全工程研究院在《石化裝置定量風險評估指南》中,推薦在定量風險評估過程中使用挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)提供的泄漏頻率數(shù)據(jù)。2019年,GB/T 37243—2019《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》(以下簡稱GB/T 37243—2019)給出了設備設施典型泄漏場景頻率的參考值,可在確定危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施外部安全防護距離時使用,參考值中部分數(shù)據(jù)與美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute,API)的數(shù)據(jù)一致。2021年,GB/T 20368—2021《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運》(以下簡稱GB/T 20368—2021)給出了LNG站場部分泄漏場景頻率推薦值,指出LNG站場各種設備設施發(fā)生LNG和其他有害物料的泄漏頻率應基于其推薦值確定。中國目前還沒有完整的化工設備設施失效頻率數(shù)據(jù)庫,在進行LNG項目風險評價時,除了參考上述標準指南,還會利用國外的有關數(shù)據(jù)庫。

目前,國外很多國家都建立了適用于本國化工行業(yè)的數(shù)據(jù)庫,在LNG項目定量風險評估中常用的有荷蘭應用科學研究組織(The Netherlands Organization,TNO)的《定量風險評估指南》、API的API Publ 581:2000Risk based inspection methodology(以下簡稱API Publ 581:2000)、英國健康安全局(Health Survey for England,HSE)的碳氫化合物泄漏數(shù)據(jù)庫、DNV的《故障頻率指南》、HSE的管道和立管安全殼損失數(shù)據(jù)庫。其中DNV整合碳氫化合物泄漏數(shù)據(jù)庫2008年前的統(tǒng)計數(shù)據(jù),得到不同設備設施、不同泄漏場景頻率,覆蓋面廣,具有較高的可靠性[6]。

Gerbec M等人[7]討論了LNG燃料船安全故障系統(tǒng)的故障概率數(shù)據(jù)源使用問題,指出有學者已經(jīng)應用了9種不同的故障概率數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)之間存在跨越4個數(shù)量級的不確定性。何雄元等人[6]指出,考慮到國家或地區(qū)間工業(yè)水平的差異,把國外的設備設施泄漏頻率數(shù)據(jù)直接應用到中國是否合適,值得進一步思考。

為了減少故障數(shù)據(jù)的不確定性,很多學者在數(shù)據(jù)庫的基礎上對設備設施泄漏失效的概率計算方法進行了研究。DNV針對泄漏失效的問題,開發(fā)了泄漏頻率計算軟件LEAK,軟件內(nèi)包含大量的石油化工裝置、設備設施、管道事故的數(shù)據(jù)庫,可以根據(jù)設備設施的類型及同類設備設施的歷史失效數(shù)據(jù),計算出符合設備設施自身條件的泄漏頻率,應用在LNG項目的定量風險評估中[8]。除此之外,何雄元等人[6]對比國外現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫,以DNV公布的數(shù)據(jù)庫為參考數(shù)據(jù),通過建立對該數(shù)據(jù)庫的修正模型,獲得了適用于中國化工企業(yè)設備設施泄漏頻率預測的參考數(shù)據(jù)庫;付曉君[9]對全容式LNG儲罐內(nèi)外罐的失效可能性進行了修正,內(nèi)罐失效可能性的分析計算使用了API Publ 581:2000的修正模型,按照歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲得同類設備設施的失效頻率,使用損傷因子、管理系統(tǒng)修正因子以及剩余壽命修正因子進行修正。

除了對泄漏數(shù)據(jù)進行修正外,為了彌補特定設備設施泄漏頻率在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中的缺失,學者們經(jīng)常使用專家判斷及模糊數(shù)學的方法進行泄漏頻率的計算。如李平[10]使用專家判斷和模糊數(shù)學理論相結(jié)合的方法計算了LNG加氣站卸車流程中初始事件的發(fā)生頻率;Fan Hongjun等人[11]采用模糊集理論和碳氫化合物泄漏數(shù)據(jù)庫計算了加注船加注過程中初始事件發(fā)生的頻率;付曉君[9]對全容式LNG儲罐外罐泄漏頻率使用專家判斷和模糊數(shù)學理論相結(jié)合的辦法進行計算。利用專家判斷及模糊數(shù)學理論確認的泄漏概率與專家的經(jīng)驗水平有關,也受個人主觀意識影響,具有不確定性。

在中國尚未建立完整數(shù)據(jù)庫、國外數(shù)據(jù)庫存在數(shù)量級差別的現(xiàn)狀下,建議國內(nèi)學者在開展LNG站場定量風險評估時,根據(jù)GB/T 37243—2019和GB/T 20368—2021確定泄漏場景及泄漏頻率。當有關泄漏頻率數(shù)據(jù)缺失時,可利用國外數(shù)據(jù)進行修正或使用專家判斷及模糊數(shù)學理論相結(jié)合進行確定。

1.2 點火概率的確定

點火概率是指可燃物泄漏后發(fā)生點火的概率,分為立即點火概率和延遲點火概率,取值方式主要有參考統(tǒng)計數(shù)據(jù)取值和使用模型計算取值兩種。

在進行LNG項目的定量風險評估時,多數(shù)學者利用數(shù)據(jù)庫直接取值。常用數(shù)據(jù)有API Publ 581:2000中點火概率推薦表、AQ/T 3046—2013《化工企業(yè)定量風險評價導則》(以下簡稱AQ/T 3046—2013)中點火概率推薦值、《石化裝置定量風險評估指南》、國際石油和天然氣生產(chǎn)商協(xié)會(International Association of Oil and Gas Producers,OGP)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

API Publ 581:2000根據(jù)物質(zhì)的組分、泄漏后的物理最終形態(tài)、環(huán)境溫度與物質(zhì)自燃溫度的關系,以及泄漏形式的不同,給出了點火概率取值推薦表;AQ/T 3046—2013中點火概率的取值需按照立即點火概率及延遲點火概率分別考慮,其對立即點火概率按照介質(zhì)類別、釋放形式進行分類并給出了推薦值,對延遲點火概率按照周邊點火源的形式不同給出了延遲點火的推薦值;《石化裝置定量風險評估指南》根據(jù)泄漏量、點火源數(shù)量及泄漏源類型總結(jié)了點火概率取值;OGP通過實驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計,提供了28種不同泄漏場景、4種泄漏速率的點火概率取值,并且給出了其他泄漏速率下點火概率計算方法,是目前較為可靠的取值方法[12],被很多學者應用在風險分析中[13-17]。郝郁等人[18]建議將OGP的推薦值作為點火概率取值的首選取值。

2011年,Moosemiller M[19]對點火概率進行分析,考慮到物質(zhì)特性和點火能特性,提出了立即點火概率的計算模型,是目前計算立即點火概率的常用模型?！妒b置定量風險評估指南》指出點火概率僅與泄漏質(zhì)量有關,提出了可燃氣體泄放后的立即點火概率計算模型及延遲點火概率的計算模型。

計算模型一般通過有限的現(xiàn)場數(shù)據(jù)結(jié)合相關的分析方法得到。在工業(yè)現(xiàn)場,只有在缺乏數(shù)據(jù)且廠區(qū)條件與模型計算的泄漏環(huán)境十分相似時才會使用計算模型進行點火,局限性較大,經(jīng)驗取值大部分來自統(tǒng)計數(shù)據(jù),可靠性較高[12]。在確定LNG場景中點火概率時,推薦使用AQ/T 3046—2013及OGP給出的點火概率值,其中AQ/T 3046—2013給出了不同條件下立即點火概率及延遲點火概率的推薦值,適用于中國化工企業(yè)的定量風險評估,OGP數(shù)據(jù)不區(qū)分立即點火和延遲點火,考慮了不同泄漏場景和泄漏速率下的點火概率,可根據(jù)風險評估需要,選擇合適的數(shù)據(jù)庫。

1.3 人因失誤概率的確定

人因失誤是造成事故的重要原因,其概率主要通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)或文獻研究確定,具有不確定性大、分析過程耗時長等特點。在進行定量風險評估研究時,學者通常將人為因素作為導致場景發(fā)生的基本事件之一或?qū)е掳踩琳鲜У囊蛩刂?如Fan Hongjun等人[11]在分析LNG加注過程風險時,將人為因素作為安全屏障的基本失效原因,并根據(jù)相關文獻確定了人因失誤概率;廖蘇亮等人[20]在LNG加注船火災事故中考慮到人員誤操作,并參考國際海事組織對LNG加注船裝卸貨事故的統(tǒng)計,給出了發(fā)生概率。

人因失誤概率除了可以使用相關數(shù)據(jù)確定外,還可以使用人因可靠性分析(Human Reliability Analysis,HRA)的方法計算。王好一[21]在對石化企業(yè)進行定量風險評估時,從領結(jié)模型的結(jié)構(gòu)和特點出發(fā),根據(jù)人因失誤特點,結(jié)合基于技能—規(guī)則—知識的行為模型和標準化工廠分析風險—人因可靠性分析理論,提出結(jié)構(gòu)化的人因失誤可靠性計算模型,并根據(jù)最大熵理論,提出人因可靠性不確定性的計算方法;Zhou Tuqiang等人[22]建立了LNG運輸船處理過程中LNG泄漏故障樹的修正模型,在故障樹中引入了人為因素分析,以預測LNG運輸船搬運操作中的人為誤差,將故障樹分析和HRA的結(jié)果結(jié)合,利用蒙特卡羅模擬對風險進行評估。

在分析LNG項目中人因失誤時,分析人員可結(jié)合HRA理論,通過辨識人因失誤對關鍵事件的貢獻度,建立結(jié)構(gòu)化的人因可靠性計算方法和置信區(qū)間,全面地計算人因可靠性,從而提高定量風險評估的準確性。

1.4 場景頻率的計算

場景頻率的計算即通過設備設施泄漏頻率、點火概率、人因失誤概率等信息,計算事故場景頻率。

在計算LNG項目的場景頻率時,通常會使用一些計算工具如事件樹、故障樹、保護層分析等。為了克服單個工具的局限性并提高其性能,一些研究整合了2個或2個以上的風險評估工具,如Yun G等人[23]開發(fā)了貝葉斯網(wǎng)絡—保護層分析方法來克服LNG設備設施泄漏數(shù)據(jù)的短缺;陶冶等人[24]指出將故障樹與保護層分析集成的分析方法所得事故場景頻率與傳統(tǒng)保護層分析方法所得事故場景頻率相比降低了近10倍,可以有效解決保護層分析在保護層篩選方面過于保守的局限性。

雖然以上的方法已經(jīng)應用廣泛,但只適合靜態(tài)計算場景頻率,來考慮復雜系統(tǒng)的動態(tài)性,無法考慮新信息對場景頻率的影響。為解決該問題,學者們提出了動態(tài)定量風險評估方法。

動態(tài)定量風險評估方法是一種連續(xù)、實時的風險評估方法。2008年,Meel A等人[25]首先提出了完整的工藝設備設施動態(tài)風險評估方法,該方法使用實時的設備設施狀態(tài)來估算實時事故場景發(fā)生的動態(tài)頻率;Khakzad N等人[26]基于Meel A等人提出的方法結(jié)合貝葉斯理論及事件樹進行實時頻率的計算,還提出通過實時監(jiān)測參數(shù)、工藝設備檢查及物理模型等來更新數(shù)據(jù),應用領結(jié)模型來更新頻率的方法[27]。

目前動態(tài)定量風險評估方法在LNG項目中的應用較少。Fan Hongjun等人[11]利用事件樹、故障樹、貝葉斯網(wǎng)絡、領結(jié)模型、模糊數(shù)學等技術(shù),建立了動態(tài)定量風險評估方法,并通過LNG加氣案例研究,對該方法進行了驗證和評估。

動態(tài)定量風險評估方法可以處理快速變化的環(huán)境、設備設施數(shù)據(jù)等信息,得到不斷變化的風險水平,并集成到整體風險中。在進行場景頻率的計算時,建議采用動態(tài)定量風險評估方法,得到動態(tài)的風險信息,更全面地對LNG項目的風險進行評估分析。

2 LNG設備設施泄漏事故后果計算現(xiàn)狀

LNG設備設施泄漏事故后果計算包括泄漏量、泄漏擴散、火災輻射、爆炸等計算。針對這些計算,已有學者建立了相關的理論模型,有很多包含這些模型的后果模擬軟件,目前應用于LNG設備設施泄漏事故后果計算的軟件主要有ALOHA、PHAST、FLACS等。

ALOHA軟件可以用來計算危險化學品泄漏后的毒氣擴散、火災、爆炸等產(chǎn)生的毒性、熱輻射和沖擊波等。Fan Hongjun等人[11]、Budiarta K G W等人[28]在研究LNG設備設施風險時,使用ALOHA軟件進行了事故后果的計算。ALOHA軟件的優(yōu)點是能夠根據(jù)危險化學品的泄漏和氣象條件對事故進行模擬,并用圖像、文字的方式描述不同程度危害的范圍;缺點是只能描述非常穩(wěn)定的天氣條件下的事故后果,不能處理風向變化和復雜地形的問題,在低風速情況下計算結(jié)果精度較低,且不能計算三維問題。

PHAST軟件由DNV開發(fā),系統(tǒng)采用統(tǒng)一擴散模型來描述氣云的擴散,采用池蒸發(fā)模型來計算液池的形成、擴散和汽化,采用基于Chamberlai、JFSH-Johnson模型或API Publ 581:2000中的模型計算噴射火影響范圍,使用荷蘭組織多能法進行蒸氣云爆炸計算。Gyeong E等人[29]、巫志鵬等人[30]使用PHAST軟件對LNG設備設施的泄漏事故后果進行了模擬。PHAST軟件有經(jīng)過了不斷驗證的模型、全面的報告和圖表,可以建立各種釋放類型的泄漏情景,輕松直觀地顯示結(jié)果,具有很好的軟件用戶體驗,但費用較高,計算結(jié)果相比其他軟件偏保守。

FLACS軟件是挪威GexCon公司開發(fā)的基于計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術(shù)的三維CFD軟件,主要用于復雜區(qū)域氣體擴散、氣體爆炸及沖擊波的模擬。它采用有限體積法來求解連續(xù)性方程,用k-ε湍流模型解決湍流問題,操作較其他CFD軟件簡單,在LNG項目中應用廣泛,在燃燒爆炸方面得到了很好的驗證,Jiang Shengyu等人[31]、賈巧嬌[16]使用FLACS軟件對LNG擴散爆炸進行了模擬。FLACS軟件的缺點是計算過程較復雜,耗時較大,對需要的計算機要求高。

在計算LNG項目泄漏事故后果時,可根據(jù)需要及軟件特點,選取合適的軟件進行計算。

3 結(jié)論

定量風險評估方法可以識別潛在危險,計算事故概率,評估后果嚴重程度,對風險進行定量分析,在LNG項目中應用廣泛。

在計算設備設施的泄漏概率時,常用方法是直接使用國外歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。在中國未建立完整數(shù)據(jù)庫、國外數(shù)據(jù)庫存在數(shù)量級差別的現(xiàn)狀下,建議中國學者在開展LNG站場定量風險評估時,根據(jù)GB/T 37243—2019及GB/T 20368—2021確定泄漏場景及泄漏頻率。當有關泄漏頻率數(shù)據(jù)缺失時,可利用國外數(shù)據(jù)進行修正后使用或通過專家判斷及模糊數(shù)學理論相結(jié)合進行確定。此外,亟需建立適合中國LNG項目的完整的設備設施失效數(shù)據(jù)庫。

在計算點火概率時,推薦使用AQ/T 3046—2013及OGP給出的點火概率值,可根據(jù)風險評估方法需要,選擇合適的數(shù)據(jù)庫。

在分析LNG項目的人因失誤時,可利用HRA理論,全面計算人因可靠性,提高定量風險評估的準確性。

在進行場景頻率的計算時,可采用動態(tài)定量風險評估方法,得到動態(tài)的風險信息,更全面地對項目風險進行評價。

在計算LNG項目泄漏事故后果時,可根據(jù)需要及軟件特點,選取合適的軟件進行計算。